CN116520451B - 一种基于量子探测技术的地下空区探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于量子探测技术的地下空区探测方法，包括：预先获取地下空区中混合气体粒子组合特征；在实验室条件下，获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数；探测时，选择获取的电磁粒子波参数输入至探测设备中，探测设备产生并发射具有被探测物质量子物理态的电磁粒子波；存在地下空区时，电磁粒子波传递给被探测物质，在量子物理场的作用下，不断改变原有物理场态，探测设备获取作用后的表征物理量，转换成电信号，即可获取探测点地下空区空间位置。本发明排除了地下复杂地质组构和电磁环境造成的噪声干扰，探测成果直接利用，排除了人工解译因解译经验差异而造成的干扰，探测精度与探测深度均有明显提升。

Description

一种基于量子探测技术的地下空区探测方法

技术领域

本发明涉及物探领域，特别涉及一种基于量子探测技术的地下空区探测方法。

背景技术

近年来，国家在重大工程项目，如高速公路地基勘察，水电站坝基选址，煤矿采空区隐蔽灾害调查等重大工程项目建设中，对区内地下空区空间形态特征调查的技术需求日益增强。以煤田采空区探测为代表的地下空区探测技术手段亦逐渐完善和进步。20世纪由于我国采矿工艺落后，环境资源保护力度不够，导致许多民营煤矿生产设计不规范，大量的煤矿采空区未得到有效的治理。由于采空区处于地下深处，在泥化、软化或受复采爆破震动等因素影响下空区上覆岩层发生形变，使形变区向周围蔓延，最终导致地面出现裂缝、沉降、塌陷等。加之其常常伴随地下水充填其中，在后期采掘过程中常常造成水突等安全事故，给矿山安全生产、煤矿周边居民生活以及生态环境带来潜在的危害。因此，准确地查明矿区内采空区的位置和深度，有助于为隐蔽地质灾害的预防和治理提供可靠的依据。对于采空区空间位置的探测，目前主要的探测技术仍然为地球物理探测，其中地震类方法和电磁类法又为当下的主要探测手段。

无论是电磁法还是地震法，技术上利用了地震波、电磁波等间接手段，利用仪器接受发射信息的反馈数据进行反演，从而分析地下采空区的空间位置。受复杂的地下地质条件、地下人工材料、仪器本身的探测深度、以及地形地貌等影响，以上探测手段在探测地下采空区空间展布特征均有其局限性。同时，此类技术成果是通过反馈数据的解译获得，那么解译人员的经验也会影响探测成果的准确性。

传统的物探技术探测采空区其工作原理多以场理论为基础，通过物质弹性差异、电性结构（电阻率）差异等间接手段来实现对被探测物质的反演。其探测成果需要进行人工解译,此外探测设备动迁难，受地形地貌限制、复杂地下空间条件限制，探测范围有限等缺点。

如何能够实现大深度、高精度、快速度、低成本探测方面的理论方法技术突破，实现对采空区目标体的精确辨识，是我国社会经济和谐发展与煤矿安全领域亟待解决的关键问题。21世纪以来，随着科技的进步，特别是量子技术的发展，以物质本身的粒子性质不同，以电磁波为信号载体，以物质粒子相互作用为基础而发展起来的量子探测技术逐渐完善。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于量子探测技术的地下空区探测方法，利用了地下空区本身的粒子组合特征提取的电磁粒子波参数实现了地下空区的空间定位，不仅适用于煤田采空区的探测，同样能够应用于地下空洞、地下管涌通道等场景的探测。

本发明采用的技术方案如下：一种基于量子探测技术的地下空区探测方法，包括：

预先获取地下空区中混合气体粒子组合特征；

在实验室条件下，获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数；

探测时，在获得的一组电磁粒子波参数中选择任一参数值输入至探测设备中，探测设备产生并发射具备被探测物质量子物理态的电磁粒子波；存在地下空区时，电磁粒子波的量子物理态传递给被探测物质，在量粒子物理场的作用下，不断改变被测物质原有物理场态，直到与探测设备发出的量子物理态相同，此时相互作用后产生的量粒子物理场的表征物理量被探测设备获取后，转换成电信号，探测设备记录相互作用点的空间位置，即为所探测点地下空区空间位置。

进一步的，探测时，探测设备搭载于无人机上，无人机沿航线飞行，同时探测设备向下发射电磁粒子波，记录飞行过程中探测到的所有地下空区点，形成地下空区的平面投影图；以地下空区的平面投影图为范围，不断切换位置通过探测设备向下发射电磁粒子波，获得对应位置的地下空区埋深数据，最后综合平面投影图与埋深数据得到地下空区位置及空间形态。

进一步的，所述获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数具体方法为：在超低温、量子阱的物理条件下，对被测物质的电磁波和粒子所表征的物理量进行测试，形成表征地下空区混合气体的电磁粒子波阈值区间。

进一步的，所述一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数包含一定范围且连续的电磁粒子波参数值，每一电磁粒子波参数值输入到探测设备中均可产生具备有被探测物质量子物理态的电磁粒子波。

进一步的，在所选的电磁粒子波参数值不能满足探测设计或异常时，从获取的电磁粒子波参数范围中选择另一个电磁粒子波参数值输入到探测设备中再进行探测。

进一步的，在地下空区探测工程中，需要从电磁粒子波参数范围中选择至少采用三个电磁粒子波参数值进行探测，联合全部探测数据，确定最终探测结果。

进一步的，在探测地下空区时，探测设备以球形或半球形波发射产生的电磁粒子波。

进一步的，探测设备采用会聚装置形成定向电磁粒子波定向发射。

进一步的，在无人机上搭载探测设备，通过无人机遥感扫描探测，获取大量的相互作用点探测数据，综合点探测数据计算得到空区的边界形态。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明提出的方案突破了传统的物探以地下空区的电阻率特征或地震反射波特征为间接手段实现地下空区探测，以采空区电磁粒子波参数直接探测地下空区，排除了地下复杂地质组构和电磁环境造成的噪声干扰，探测成果直接利用，排除了人工解译因解译经验差异而造成的干扰。同时，仪器的集成度较高，不需要大量的布线工作，动迁方便，受地形地貌的影响较小。在探测的准确度上，较小的物质能在几公里的范围内探寻到，在各大煤矿的实际应用中获得了矿方的认可。在探测深度上，一般可达3km，最深可达10km。在探测周期上，量子探测技术探测地下空区较传统物探技术短，探测手段上结合无人机，能在较短时间获得区域地下空区的分布特征，极大缩短探测工期，节约了时间成本。

附图说明

图1为本发明提出的基于量子探测技术的地下空区探测方法流程图。

图2（a）-图2（e）为本发明一实施例中具体探测过程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

对于地下空区空间位置的探测，目前主要的探测技术仍然为地球物理探测，其中地震类方法和电磁类法又为当下的主要探测手段。

目前常见的用于地下空区探测的地震方法主要包含浅层地震反射波法、绕射波法、瑞雷波法、层析成像技术等方法。但地震类法探测地下空区其共同的劣势在于地震属性体的提取和应用很大程度上依赖于原始地震资料的品质，提取方法的选择要全面地分析探测目标体，加之地震反演问题的多解性，设备动迁难，人造震源不稳定等因素限制了该方法在地下空区探测上的应用。

一般意义上电磁勘探方法包括瞬变电磁法(TEM)、可探源音频大地电磁法(CSAMT)以及高密度电阻率法等。但电磁法在探测地下空区上仍然有其劣势，包括了(1)复杂电磁噪声条件的影响(2)扩散特性对分辨能力的影响(3)地质噪声对异常识别的影响(4)地质解译的多解性(4)仪器使用受限于地形地貌等短板。

因此，无论是电磁法还是地震法，受复杂的地下地质条件、地下人工材料、仪器本身的探测深度、以及地形地貌等影响，以上探测手段在探测地下空区空间展布特征均有其局限性，其工作原理多以场理论为基础，通过物质弹性差异、电性结构（电阻率）差异等间接手段来实现对被探测物质的反演，其探测成果需要进行人工解译，此外探测设备动迁难，受地形地貌限制、复杂地下空间条件限制，探测范围有限等缺点。基于此本实施例提出了一种基于量子探测技术的地下空区探测方法，利用了地下空区本身的粒子组合特征提取的电磁粒子波参数实现了地下空区的空间定位，其探测原理突破了传统的物探以地下空区的电阻率特征或地震反射波特征为间接手段实现地下空区探测，具体方案如下：

如图1所示，一种基于量子探测技术的地下空区探测方法，包括：

预先获取地下空区中混合气体粒子组合特征；

在实验室条件下，获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数；所述电磁粒子波参数为连续的范围值；

探测时，在获取的一组电磁粒子波参数中选择任一参数值输入至探测设备中，探测设备产生并发射具备被探测物质（混合气体）量子物理态的电磁粒子波；存在地下空区时，电磁粒子波的量子物理态传递给被探测物质，在量粒子物理场的作用下，不断改变被测物质原有物理场态，直到与探测设备发出的量子物理态相同，此时相互作用后产生的量粒子物理场的表征物理量被探测设备获取后，转换成电信号，探测设备记录相互作用点的空间位置，即为所探测点地下空区空间位置。

优选的，探测时，探测设备搭载于无人机上，无人机沿航线飞行，同时探测设备向下发射电磁粒子波，记录飞行过程中探测到的所有地下空区点，形成地下空区的平面投影图；以地下空区的平面投影图为范围，不断切换位置通过探测设备向下发射电磁粒子波，获得对应位置的地下空区埋深数据，最后综合平面投影图与埋深数据得到地下空区位置及空间形态。

本实施例提出的地下空区探测方法，基于电磁场理论、量粒子态理论、爱因斯坦相对论的基础，并将其统一后形成的量子电动力学，作为量粒子探测技术方法的理论支持。

需要说明的是，本发明适用的地下空区探测方法适用于煤田采空区、地下空洞、地下管涌通道等场景，本实施例中以煤田踩空区为例进行详细说明：

煤田采空区位于地下深处密闭的环境，其主要特点是封闭环境中存在的空洞，其中充满由氮气、二氧化碳、氧气、一氧化碳、甲烷等混合的气体。被探测的采空区中具有混合气体的特定成分组合，在本实施例中，设定为被探测采空区的量子物理态。

具体的，获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数具体方法为：

在实验室条件下，即超低温、量子阱的物理条件下，利用高能物理量子传感技术，通过大量反复试验完成被测物质的电磁波和粒子所表征的物理量进行测试。对于采空区而言，即可得到混合气体对应的电磁粒子波参数范围值。

需要说明的是，本实施例中，所述一组表征混合气体的电磁粒子波参数包含一定范围且连续的电磁粒子波参数值，每一电磁粒子波参数值输入到探测设备中均可产生具备有被探测物质（混合气体）量子物理态的电磁粒子波。

在探测时，在获取的一组电磁粒子参数中选择任一参数值输入到探测设备中，探测设备以球形或半球形波发射具有被探测物质特征的电磁粒子波，电磁粒子波穿过空间物质，若存在被探测物质，则与被探测物质发生碰撞时，即电磁粒子波作为＂能量小粒子＂与被探测物质的电子、轻子，质子、中子、夸克、胶子相互作用。此时，无论是电子逸出，还是量子跃迁以及费米子，玻色子自旋等量子态物理场的作用，将产生量子纠缠、量子叠加、量子隐形态传递、量子邃穿等量粒子物理场的物理效应。

进一步的，电磁粒子波也可以通过探测设备的会聚装置形成定向电磁粒子波定向发射。这个阶段，探测设备发射具有被探测物质特殊属性的电磁粒子波，该电磁粒子波具备被探测物质的量子物理态，传递给被探测物质，在量粒子物理场的作用下，并使其不断改变被测物质原有物理场态，直到与设备发出的量子物理态相同。

发射态与接收态相同时，即通过被探测物质和探测设备发出的电磁粒子波利用物质之间的相互作用产生量子物理态，此时，该量子物理态即为被测量物质和探测设备之间的相互作用的物理表征量，可以被探测设备获取并记录，探测设备记录相互作用点的空间位置，即为所探测点的采空区空间位置。

同时，这种相互作用产生的量粒子物理场的表征物理量，适用电磁场理论、量粒子波概率特征，探测设备将其转换成电讯号传递给探测传感器，可以显示出概率阈值的物理表征量，该表征量代表探测设备对被探测物质的反应强度。

在本实施例中，探测时，若输入探测设备的电磁粒子波参数不能满足探测设计或产生异常，则从获取的电磁粒子波参数范围中选择另一个电磁粒子波参数值输入到探测设备中再进行探测。

进一步的，在采空区探测工程中，需要从电磁粒子波参数范围中选择至少三个电磁粒子波参数值进行探测，联合全部探测数据，确定最终探测结果。

需要说明的是，此时的探测结果为单点探测是否存在采空区，若要获取采空区准确分布，可进行多次探测综合数据完成探测。

在本实施例中，可以选择在无人机上搭载探测设备，通过无人机遥感扫描探测，获取大量的单点探测数据，综合点探测数据计算得到采空区的边界形态。在此之上，以探测到的2D（平面）成果为基础，再发射竖直方向的电磁粒子波完成若干点的Z轴（深度）探测，最终完成采空区的空间展布探测成果。其他场景，如地下空洞、地下管涌通道等采用同样的方法也可以完成探测。

本发明提出的地下空区探测方法，以地下空区表征混合气体的参数直接探测地下空区，排除了地下复杂地质组构和电磁环境造成的噪声干扰，探测成果直接利用，排除了人工解译因解译经验差异而造成的干扰。同时，仪器的集成度较高，不需要大量的布线工作，动迁方便，受地形地貌的影响较小。在探测的准确度上，较小的物质能在几公里的范围内探寻到，在各大煤矿的实际应用中获得了矿方的认可。在探测深度上，一般可达3km，最深可达10km。在探测周期上，量子探测技术探测地下空区较传统物探技术短，探测手段上结合无人机，能在较短时间获得区域地下空区的分布特征，极大缩短探测工期，节约了时间成本。

最后，本实施例以一具体探测示例进一步描述本发明的探测过程，其中，采空区为地下中的煤田采空区，参见图2（a）-图2（e），其过程如下：

1、如图2（a）所示，假设某区域存在地下空区，在实验室获取采空区混合气体粒子组成对应的一组电磁粒子波参数，该组参数为连续的区间值；选取其中某一值作为电磁粒子波参数进行探测，该参数代表了采空区的一种量粒子态。当该参数探测出现异常时，即实际采空区与仪器之间无明显响应时，从该组参数中选择另一参数进行探测，实际探测时，至少选择3种参数进行探测。

2、如图2（b）所示，在探测设备中输入电磁粒子波参数进行探测，此时探测设备发送的电磁粒子波参数是球形或半球形波；实际探测时，也可以利用会聚设备将电磁粒子波会聚在一个方向形成束波定向发射。

3、探测采空区时，束波垂直地面向下发射。

4、如图2（c）所示，无人机搭载探测设备向下发射电磁粒子波，根据设置的探测深度垂直向下探测。

5、无人机沿航线飞行，同时向下探测。当无人机飞接近地下采空区边界上方，且采空区位于探测深度之内时，设备发射的具备采空区参数的量粒子态与实际采空区中的粒子相互作用，并改变其量粒子态与设备一致，而后转变为电信号被设备记录，从而获得实际采空区边界的某一单点坐标。该坐标仅仅代表实际采空区边界某一点在地表的投影点位。

6、大量的单点投影点坐标关联，即可获得实际采空区边界在平面的投影位置。

7、如图2（d）所示，现场找到某一单点坐标，设备垂直向下发射电磁粒子波信号（原理同5），从而获得该坐标采空区在剖面上的埋深数据。

8、更换单点坐标，重复步骤7，获得系列实际采空区埋深数据。

9、通过相应的函数模型算法，即获得该采空区的剖面实际位置。

10、结合采空区平面投影位置和剖面埋深位置，综合分析出该采空区的实际空间形态特征，如图2（e）所示。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，包括：

预先获取地下空区中混合气体粒子组合特征；

在实验室条件下，获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数；

探测时，在获取的一组电磁粒子波参数中选择任一参数值输入至探测设备中，探测设备产生并发射具备被探测物质量子物理态的电磁粒子波；存在地下空区时，电磁粒子波的量子物理态传递给被探测物质，在量粒子物理场的作用下，不断改变被测物质原有物理场态，直到与探测设备发出的量子物理态相同，此时相互作用后产生的量粒子物理场的表征物理量被探测设备获取后，转换成电信号，探测设备记录相互作用点的空间位置，即为所探测点地下空区空间位置。

2.根据权利要求1所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，探测时，探测设备搭载于无人机上，无人机沿航线飞行，同时探测设备向下发射电磁粒子波，记录飞行过程中探测到的所有地下空区点，形成地下空区的平面投影图；以地下空区的平面投影图为范围，不断切换位置通过探测设备向下发射电磁粒子波，获得对应位置的地下空区埋深数据，最后综合平面投影图与埋深数据得到地下空区位置及空间形态。

3.根据权利要求1所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，所述获取一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数具体方法为：在超低温、量子阱的物理条件下，对被测物质的电磁波和粒子所表征的物理量进行测试，形成一组表征地下空区混合气体的电磁粒子波参数。

4.根据权利要求1所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，所述一组能够表征混合气体的电磁粒子波参数包含一定范围且连续的电磁粒子波参数值，每一电磁粒子波参数值输入到探测设备中均可产生具备有被探测物质量子物理态的电磁粒子波。

5.根据权利要求4所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，在所选的电磁粒子波参数值不能满足探测设计或异常时，从获取的电磁粒子波参数范围中选择另一个电磁粒子波参数值输入到探测设备中再进行探测。

6.根据权利要求4或5所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，在地下空区探测工程中，需要从电磁粒子波参数范围中选择至少三个电磁粒子波参数值进行探测，联合全部探测数据，确定最终探测结果。

7.根据权利要求1所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，在探测地下空区时，探测设备以球形或半球形波进行发射产生的电磁粒子波。

8.根据权利要求7所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，探测设备采用会聚装置形成定向电磁粒子波定向发射。

9.根据权利要求1所述的基于量子探测技术的地下空区探测方法，其特征在于，在无人机上搭载探测设备，通过无人机遥感扫描探测，获取大量的相互作用点探测数据，综合点探测数据计算得到地下空区的边界形态。