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1、1研究背景1.1研究提出的背景1.2研究的目的及意义煤矿作为一种重要的资源，其开采形成的采空由于历史的原因，大多未进行有效地治理，而处于废弃状态，有的采空区出现了大面积的地面沉陷，有的采空出现了地面裂隙，有的尚未出现明显的反映，采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。由于老窑采空区形态的不确定性，要对采空区治理，对采空区的地理位置、埋深、现状情况进行了解是关键，只有对采空区的空间分布状态有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,为减轻和预防由地下采空区所引发
2、的地质灾害,建立地质灾害预警系统,探索用综合物探方法探测采空区的分布，为评价和治理提供依据是十分迫切和有意义的。目前,采空区的探测已经成为一项重要的研究课题,但是仍处于发展阶段。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状采空区的探测，目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技
3、术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲等国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等，英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也有使
4、用。1.3.2国内研究现状国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作，包括小巷道突水治理，老窑采空区富水情况探测等，采空区的探测成了工程地球物理的热点和难点问题，引起了地球物理学者的广泛关注，投入了各种各样的方法和技术，在各种物探方法中,根据其所研究地球物理场的不同,通常可分为以下几大类:①以地下介质密度差异为基础,研究重力场变化的方法称为重力勘探；②以介质磁性差异为基础,研究地磁场变化规律的方法称为磁法勘探；③以介质电性差异为基础,研究天然或人工电场(或电磁场)的变化规律的方法称为电法勘探(
5、或电磁法勘探)；④以介质弹性差异为基础,研究波场变化规律的方法称为地震勘探；⑤以介质放射性差异为基础,研究辐射场变化特征的方法称为放射性勘探；⑥以地下热能分布和介质导热性为基础,研究地温场变化的方法称为地热测量等。主要探测方法分类如上图。1.4研究内容及技术路线1.4.1研究内容1.4.1.1重力勘探方法重力勘探方法是利用地下地质体质量亏损或盈余,在地表观测他们引起的重力异常，从而确定地下地质体的分布、大小、边界等。采空区因开采形成质量亏损,从而形成低重力异常。在煤矿采空区保存完整时,形成低值剩余重力异常。在采空区
6、塌陷而不充水时,质量亏损值不变,但负密度值减小而影响厚度增大；充水时,亏损质量得到一定补偿,比在不充水的同样情况下,负密度值减小。无论在采空区实际存在哪种情况,按一般规律都可测出局部剩余重力异常。使用高密度、高精度微重力测量和适当的资料处理解释方法,在面积上控制采空区范围。采用数字地形多剖分体高精度地改方法及三维解释方法,以达到提高解释精确性。1.4.1.2电磁方法(1)高密度电阻率层析成像法在现场测量时,将全部电极设置在一定间隔的测线上,然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换器上,使电极布设一次完成。为了准确
7、、快速地采集大量数据,测量时通过程序控制实现电极排列方式、极距和测点的快速转换。并利用与系统配套的电法处理软件,对采集的数据进行各种处理,结果进行图示,使解释工作更加方便、直观。李清林等利用某电厂采空区和电阻率层析成像测量的结果,探讨了电阻率层析成像测量在煤矿采空区和斜风井巷道中的应用，结果表明,电阻率层析成像二维测量方法在煤矿采空区和斜风井巷道的探测和定位是准确和可行的；煤矿采空区和斜风井巷道内若没有水体存在,电阻率层析成像二维测量成果图中一般都是高阻异常封闭圈,如有水体存在则表现为低阻异常封闭圈。(2)瞬变电磁
8、法瞬变电磁法是向地下发送一次脉冲磁场的间歇期间,观测由地下地质体受激引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场,二次场的大小与地下地质体的电性有关:低阻地质体感应二次场衰减速度较慢,二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快,二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等,由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动
