采空区探测的基本方法和初步工作方案

采空区探测的基本方法和初步工作方案

1.采空区物探方法探测的可行性

1.1电性地质条件

在煤系地层中，当煤层被开采以后,在地下岩层中形成一定的空区,同时采空区上方岩层在重力作用下发生一定的塌陷 ,造成煤层上覆岩体失去原有平衡状态而发生一定程度岩移,破坏了岩石的完整性、连续性,致使岩层破碎和出现大量的空隙和裂隙，电阻率在这些区域中其值也发生变化，使得原电阻率层状形态受到了破坏，呈不连续、杂乱现象。一般松动、裂隙、坍塌、采空区为高阻反映，而当采空区域含水或其他含水充填物时易形成低阻异常。

总之煤层采空区与其周边岩层存在明显的电性差异，具备投入瞬变电磁法、高密度电法进行勘探的地球物理特征。

1.2氡气测量条件

不同的岩石含有不同的放射性元素和非放射性元素，放射性元素在衰变时，会产生一种惰性气体——氡气。在裂隙，构造发育的地区，岩石破碎、断裂密布及岩石坍塌等地段，特别利于氡气的释放和运移，易于形成氡气异常。测量氡气异常的分布，能为研究浮土覆盖地区的构造、断裂带等工作提供重要的信息。对于地下存在采空区时，会使其上部岩层结构发生变化，如岩石出现裂缝或破碎等。这就为氡气的运移与集聚提供了有利的条件，从而形成氡异常，这便是利用氡气测量来解决地下采空区存在与否的地球物理前提。

2.采空区探测物探方法的原理介绍

2.1瞬变电磁测量原理

瞬变电磁探测是地球物理探测的主要手段之一，通过向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，确定被测目标的物理参数。

瞬变电磁测量是利用不接地线圈 (或称回线 )向地下发射一次瞬变磁场, 通常是在发射线圈上供一个电流方波 ,可在地下产生稳定的磁场分布, 当电流方波关断后, 地球介质将产生涡流, 其大小取决于地球介质的导电程度。该涡流不能立即消失, 它将有一个过渡过程, 过渡过程产生的磁场向地表传播, 在地表接收线圈把磁场的变化转化为感应电压的变化。

瞬变电磁法的测深原理又以“烟圈”效应形象地加以阐明，地表接收的二次电磁场是地下感应涡流产生的，其涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”。随着时间的推移，“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响，这样从“烟圈效应”的观点看,可得早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电性的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。

瞬变电磁法测量装置由发射回线和接收回线两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流，发射电流突然由I下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突

然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到地下良导电的地质体，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗，二次磁场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，二次磁场通过接收回线观测，接收机采集的是二次磁场产生的感应电动势，其包含了地下介质电性特征,通过种种解释手段(一维反演,视电阻率等)得出地下岩层的结构。由于采用线圈接收二次磁场产生的感应电动势,故对空间的电磁场或其它人文电磁场敏感,也就是通常所说的干扰。为了减少此类干扰,采用尽量的发射大的电流,以获取最大的激励磁场,增加信噪比,压制干扰。

含煤地层中介质导电性在正常情况下为层状分布特征，与地层产状一致，呈垂向变化。当地下存在地裂缝、采空区等时，其电阻率层状分布规律将会产生畸变，而呈水平或不规则变化,电阻率会因采空形成大量裂隙或坍塌易形成相对高阻（当富含水时易形成低阻），可见采空区部位与周围介质存在明显的电性差异。

2.2氡气测量原理

2.2.1放射性现象

氡气测量是放射性测量的一种，它是以原子核物理为基础的一种物探方法。在已经发现的1400多种核素中，其中1000多种核素是不稳定的，这些不稳定的核素自发地放出α粒子或γ射线或在轨道电子

俘获后放出x 射线或发生自发的裂变过程称为放射性现象。在放射性核素衰变时，能放出α、β或γ射线。我们探测的主要对象铀、钍等衰变时还会产生一系列的放射性核素，便形成一个前后相关的放射性系。

例如U 23892经过一系列衰变后成

Rn 222，Rn 222是惰性气体，半衰期为3.8天，在放射性测量法中，Rn 222即为所探测的对象。

放射性核素自发地衰变，一般不受温度，压力等因素的影响，并按指数规律变化，即t N N λπ-=0，式中N 为某时刻t 的放射性原子核

数目，0N 为t=0时刻放射性原子核数目，λ为衰变常数。

2.2.2 射线与物质互相作用

氡气在衰变过程中放射出α射线（α射线是由α粒子组成的，α粒子是快速运动的氦核（He 4），α粒子通过物质时，主要是与原子的轨道电子相互作用，使物质电离或激发。放射性测量便是通过测量Rn （氡）放出的α射线来了解放射性气体的情况。

2.2.3 放射性法的地质基础

射气测量的对象是Rn 222，Rn 220，Rn 219。氡气放出的α射线穿透能力虽然不强，但它的运移能力却很强。氡所到之处能有α辐射，用α辐射仪可以方便的测定它们。

放射性核素广泛分布于自然界，土壤，岩石，水中和空气里均有其踪迹，这是放射性法能够解决不同地质问题的基础。

在自然界中存在着众多的放射核素，分布最广的是铀、钍、钾、镭、氡等，常可见于岩石，土壤，水和空气中。土壤里的放射性物质

与母岩中U，Th情况有关，并受其子体制约，其氡的放射性活度浓度

可达3～75Bq/L，而空气中氡浓度要比土壤中小2～3个数量级。

凭借放射性法解决地质问题前提是：

1)、不同的岩石含有不同的放射性元素和非放射性元素；

2)、在裂隙，构造发育的地区，岩石破碎、断裂密布及岩石坍塌

等地段，为氡的释放和运移提供了良好的条件，易于形成放射性异常。222的半衰期较长，又是惰性气体，加上其它种种原因，致使氡的运Rn

移能力很强，迁移距离超过数百米。测量氡及其子体，能为研究浮土

覆盖地区的构造、断裂带等工作提供重要的信息。

3)、对于地下存在采空区时，会使其上部岩层结构发生变化，如

岩土石中出现裂缝或破碎等。这就为氡气的运移提供了有利的条件，

从而形成氡异常，这便是利用氡气测量来解决地下采空区存在与否的

地球物理前提。

2.3高密度电法原理

高密度电阻率法的基本原理与常规电阻率法完全相同，是以地下介

质的导电性差异为基础的电探方法，研究在施加外电场的作用下地下半

空间地质体传导电流的分布规律。特点是：具有较高的横向分辨率和纵

向分辨率，电极一次性布设完成，减少了因电极设置而引起的故障与干

扰；同时能够获得较为丰富的关于地电断面的地质信息。

含煤地层中介质导电性在正常情况下为层状分布特征，与地层产状

一致，呈垂向变化。当地下存在地裂缝、采空区及局部不均匀体等地质

体时，其层状分布规律将会产生畸变，而呈水平或不规则变化。地裂缝、