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采空区探测的基本方法和初步工作方案
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它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。
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。
瞬变电磁探测是地球物理探测的主要手段之一, 经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, 一般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。
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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, 能够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, 二次磁场经过接收回线观测, 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,经过种种解释手段(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,也就是一般所说的干扰。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。
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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。
例如经过一系列衰变后成, 是惰性气体, , 在放射性测量法中, 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, 式中N为某时刻t的放射性原子核数目, 为t=0时刻放射性原子核数目, 为衰变常数。
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( ) , α粒子经过物质时, 主要是与原子的轨道电子相互作用, 使物质电离或激发。放射性测量便是经过测量( 氡) 放出的α射线来了解放射性气体的情况。
放射性法的地质基础
射气测量的对象是, , 。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辐射仪能够方便的测定它们。
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。
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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。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。
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、 不含水空洞及采空区一般表现为高阻特征, 空洞或采空区被水或泥质成分所充填则为低电阻率反映, 当采空区发生塌陷后或者由于含水量的增加同样为低电阻率凹状反映, 可见采空区部位与周围介质存在明显的电性差异。
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本次勘查的要求探测深度为130m之间的采空范围。针对工作任务与目的, 野外探测主要考虑投入了瞬变电磁法和氡气测量两种物探方法。在异常部位, 加以高密度电法测量验证。
本次电法勘探测线基本垂直地层走向。基本网度初步为20m×10m(即点距10m, 线距20m)。
参数设置以现场设置试验达最佳效果为标准经过对孔旁试验和试验线试验的综合分析, 确定了本次勘探工程的最佳施工参数, 根据以往经验初步如下:
采用大定源测量方式
1．发射线框边长选用300m×300m;
2．发射频率选用8Hz发射频率;
根据以往经验, 最小探测深度在50m左右, 最大探测深度约400m, 可满足勘探要求。
测网布设参照瞬变电磁测深点位( 20m×10m) , 两者方法可同时进行采集。
在瞬变测量和氡气测量后, 对圈定的异常, 布设剖面进行高密度电法测量。从细节方面了解采空的位置、 形态和空间位置。
高密度电法采用对称四极法排列方式进行扫描测量,设定电极距为10m, 电极总数为120, 最小隔离系数nmin=1, 最大隔离系数nmax=16~18, 最大探测深度约为200m, 供电电源电压保证在360V, 供电电流在200mA～1500mA之间, 一次电位△V1大于30mV, 能保证原始测量数据的可靠性。