CN118131334A - 采空区探测方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种采空区探测方法，以提高采空区勘察结果的准确性，保证矿山开采作业安全。该方法包括：在待探测区域施工声波探测井，所述声波探测井中布置有声波探测装置；在以所述声波探测井为圆心、且以预设距离为半径的圆上施工多个声波发射井，每一所述声波发射井中布置有声波发射装置；控制所述声波探测井中的所述声波探测装置依次接收各所述声波发射井中的所述声波发射装置发射的声波，得到多组声波测量数据；根据多组所述声波测量数据和标定测量数据确定所述待探测区域中是否存在采空区。

Description

采空区探测方法

技术领域

本公开涉及煤矿技术领域，具体地，涉及一种采空区探测方法。

背景技术

随着我国矿业的不断发展，采空区数量不断增加，且规模巨大。采空区存在较大的危害性，对采矿安全、交通以及地面建筑均存在严重威胁，目前已经成为了我国隐蔽致灾主因之一。由于矿区地形、地质条件复杂，受采空区地表变形、地面塌陷影响，采空区勘察难度较大，对此迫切需要采用先进的探测方法查明采空区分布情况。

相关技术中，多采用以钻探为主、物探为辅的方法，在钻探验证过程中和地质条件比较差的区域存在较高的误差，难以准确确定采空区分布情况。

发明内容

本公开的目的是提供一种采空区探测方法，以解决现有技术中难以准确确定采空区分布情况的问题。

为了实现上述目的，本公开提供一种采空区探测方法，所述方法包括：

在待探测区域施工声波探测井，所述声波探测井中布置有声波探测装置；

在以所述声波探测井为圆心、且以预设距离为半径的圆上施工多个声波发射井，每一所述声波发射井中布置有声波发射装置；

控制所述声波探测井中的所述声波探测装置依次接收各所述声波发射井中的所述声波发射装置发射的声波，得到多组声波测量数据；

根据多组所述声波测量数据和标定测量数据确定所述待探测区域中是否存在采空区。

可选地，所述声波发射井中的所述声波发射装置是通过如下方式布置的，包括：

根据所述声波发射井的地层倾角数据，确定所述声波发射井的目标煤层位置；

根据所述声波发射井的目标煤层位置，在所述声波发射井中布置所述声波发射装置。

可选地，所述根据多组所述声波测量数据和标定测量数据确定所述待探测区域中是否存在采空区，包括：

将多组所述声波测量数据与所述标定测量数据进行比较，从多组所述声波测量数据中确定与所述标定测量数据的差值大于预设值的异常声波测量数据；

将所述异常声波测量数据对应的所述声波发射井确定为异常井；

确定所述声波探测井朝向所述异常井的方位存在所述采空区；

将所述声波探测井作为施工井，向所述异常井的目标煤层位置施工水平井；

根据所述水平井，确定所述采空区的范围。

可选地，所述将所述声波探测井作为施工井，向所述异常井的目标煤层位置施工水平井，包括：

根据所述声波探测井的地层倾角数据，确定所述声波探测井的目标煤层位置；

根据所述声波探测井的目标煤层位置，向所述异常井的目标煤层位置施工所述水平井。

可选地，所述根据所述水平井，确定所述采空区的范围，包括：

在所述水平井施工过程中，在钻探到采空区位置的情况下，根据井下可移动式摄像头确定所述采空区的范围。

可选地，所述方法还包括：

在多组所述声波测量数据均与所述标定测量数据相同的情况下，确定所述圆对应的区域中不存在所述采空区。

可选地，所述方法还包括：

在所述异常声波测量数据的数量为多个的情况下，确定所述圆对应的区域中存在多处所述采空区，确定所述圆对应的区域为采空区富集区。

可选地，所述方法还包括：

根据所述采空区的范围，确定所述采空区的水量。

可选地，所述方法还包括：

从除了所述异常井以外的所述声波发射井中，确定三个目标声波发射井；

在每一所述目标声波发射井中布置声波接收装置，三个所述目标声波发射井中的所述声波接收装置分别位于一个三角形的角点位置；

根据三个所述目标声波发射井中的所述声波接收装置的回波时间数据，确定所述采空区的范围。

可选地，所述根据三个所述目标声波发射井中的所述声波接收装置的回波时间数据，确定所述采空区的范围，包括：

控制各所述目标声波发射井中的所述声波接收装置依次向所述异常井发射声波信号，并控制各所述目标声波发射井中的所述声波接收装置依次接收所述异常井的反射信号，得到所述回波时间数据；

根据所述回波时间数据，计算声波传播的距离；

根据所述声波传播的距离，确定所述采空区的范围。

采用上述技术方案，至少可以达到如下的有益技术效果：

通过钻探施工与声波探测相结合的综合探测方法，也即是说，在待探测区域施工声波探测井，并在以声波探测井为圆心、且以预设距离为半径的圆上施工多个声波发射井，通过控制声波探测井中的声波探测装置依次接收各声波发射井中的声波发射装置发射的声波，可以有效的探测出采空区的有无，并圈定采空区的影响半径，由此提高了采空区勘察结果的准确性。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据本公开一示例性实施例示出的一种采空区探测方法的流程图。

图2是根据本公开一示例性实施例示出的一种采空区探测方法的局部示意图。

图3是根据本公开一示例性实施例示出的一种采空区探测方法的局部示意图。

图4是根据本公开一示例性实施例示出的一种采空区探测方法的局部示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

相关技术中，国内外关于采空区的探测主要采用采矿调查、工程钻探、地球物理勘探等方法，国内以钻探为主、物探为辅，西方国家则以物探为主。其中，钻探方法较为直观，但需布置密集钻孔，投入工作量大，而小矿井开采无规律性，单一钻探难以准确探查采空区范围，存在效率低、资金投入大的问题，如不慎出现钻透采空区的情况极易引发灾难性后果。

此外，常见的物探方法包括浅层二维(三维)地震法、瞬变电磁法、高密度电法、大地电磁法、地质雷达和测氡法等。各种物探方法各有优缺点，详细分析如下：

浅层二维地震法：地震勘探在众多物探方法中发展最快，应用最多。此方法利用检波器接受地震波在各地层分界面反射/折射波信号，以此反演推测地下岩层性质、形态。但此方法无法需要用炸药或者其他震源，审批流程繁琐，对于常规小区域探测或者其他限制性区域测试适应性小，尤其铁路沿线不允许炸药施工。

瞬变电磁法：属于时域方法，也称为纯异常场法，此方法工作效率高，地形影响小，对低阻反应灵敏，可较好探测积水情况，探测深度大。当采空区未充水时，瞬变电磁法也可探测采空区，但是效果没有充水时好。此外，此方法也容易受到电磁的干扰，精度较低，对于老采空探测效果差。

高密度电法：也称为电阻率层析成像技术，集电测深与电剖面于一体，采用的是静电场理论。采空区地层完整性、连续性被破坏，电阻率必然产生变化，当采空区垮落不充分，存在较大的采空区，老空水积聚较少，呈相对高阻异常；采空区垮落压实或充水，呈相对低阻异常。此方法具有较好的积水探测效果，然而容易受到地形、接地电阻的影响，在埋深较浅的采空区探测方面具有较好的应用前景。

探地雷达法：此方法分辨率高，但是探测较浅，主要在60m以内，目前煤矿采空区普遍超过这个深度。

综上所述，目前诸多手段都是处于划定风险范围阶段，在钻探验证过程中存在较多偏差，并且在地质条件比较差的区域也存在着较高的误差，难以准确确定采空区分布情况。

有鉴于此，本公开实施例提供一种采空区探测方法，以解决相关技术中的问题，可以提高采空区勘察结果的准确性，保证矿山开采作业安全。

图1是根据本公开一示例性实施例示出的一种采空区探测方法的流程图，参照图1，该方法可以包括：

步骤S101，在待探测区域施工声波探测井，声波探测井中布置有声波探测装置；

应当理解的是，可以根据实际情况进行野外调查，以及查阅物探相关资料进行区域探查，从而确定待探测区的位置。

步骤S102，在以声波探测井为圆心、且以预设距离为半径的圆上施工多个声波发射井，每一声波发射井中布置有声波发射装置；

参照图2，可以按照圆形面积进行布井，圆心位置为接受信号的声波探测井，周边以2公里半径为范围，均匀布置五口声波发射井。

示例地，预设距离的大小和声波发射井的数量均可以根据实际情况进行设定，本公开实施例对此不作限定。

示例地，声波发射装置的频率参数可以根据实际情况进行设定，例如可以设定为200～500KHz的频率范围，本公开实施例对此不作限定。

步骤S103，控制声波探测井中的声波探测装置依次接收各声波发射井中的声波发射装置发射的声波，得到多组声波测量数据；

应当理解的是，可以根据接收到的声波测量数据中波速和传播时间进行分析，如果有采空区存在会影响波速的大小。

还应当理解的是，以圆心位置的井为接受信号点，圆弧上的声波发射井依次单独进行声波发射，是为了避免同一时间多个井发射造成信号干扰。

步骤S104，根据多组声波测量数据和标定测量数据确定待探测区域中是否存在采空区。

参照图3，可以在选定的矿山无采空区区域施工两口直线距离为预设数值的探井，例如预设数值为2km，两口探井中分别布置有声波探测装置和超声波发射装置，通过控制探测井中的声波探测装置接收声波发射井中的声波发射装置发射的声波，得到声波测量数据并进行实验标定，由此可以获得标定测量数据。

示例地，两口探井的直线距离可以根据实际情况进行设定，本公开实施例对此不作限定。

通过上述方式，采用钻探施工与声波探测相结合的综合探测方法，可以有效的探测出采空区的有无，并圈定采空区的影响半径，由此提高了采空区勘察结果的准确性。

为了使本领域普通技术人员更加容易理解本公开实施例中的采空区探测方法，下面对上述各步骤进行举例说明。

在一种可能的方式中，声波发射井中的声波发射装置可以是通过如下方式布置的，包括：

根据声波发射井的地层倾角数据，确定声波发射井的目标煤层位置；

根据声波发射井的目标煤层位置，在声波发射井中布置声波发射装置。

应当理解的是，可以通过钻探采取各个声波发射井的岩心，对岩心进行标高测量得到地层倾角数据。将收集到的地层倾角数据进行分析和处理，包括计算平均倾角、绘制倾角剖面图等，并结合地质数据，可以确定目标煤层位置。

通过上述方式，可以根据地层倾角数据确定目标煤层位置，从而确定声波发射装置的安装位置，由此可以提升声波探测采空区的可靠性。

在一种可能的方式中，步骤S104可以是：

将多组声波测量数据与标定测量数据进行比较，从多组声波测量数据中确定与标定测量数据的差值大于预设值的异常声波测量数据；

将异常声波测量数据对应的声波发射井确定为异常井；

确定声波探测井朝向异常井的方位存在采空区；

将声波探测井作为施工井，向异常井的目标煤层位置施工水平井；

根据水平井，确定采空区的范围。

应当理解的是，声波测量数据主要包括波速和传播时间，如果声波发射位置存在采空区会影响波速，进而导致出现时间差。

示例地，关于差值的预设值可以设定为200毫秒，也即是说，当声波测量数据与标定测量数据中关于传播时间的差值大于200毫秒，则该声波测量数据为异常声波测量数据。

参照图4，可以将声波探测井作为施工井，向异常井的目标煤层位置施工水平井，包括直井段、斜井段和水平段，目标靶区为异常井的目标煤层位置。

应当理解的是，在施工定向井的过程中通常是先钻一段垂直井段，然后再钻斜井段。其中，由垂直井段开始钻出一定方位的斜井段，这种工艺过程称为造斜，该斜井段位于图4中的直井段到水平段之间。具体地，需要根据地层变化及时调整井斜角，并与地质导向技术相结合，造斜点尽可能选在无碎裂、无复杂情况、岩性稳定且硬度又不太大的地层。此外，还应根据实际情况选择合适的造斜工具，使斜井段与直井段的衔接平滑自然。

还应当理解的是，在确定采空区范围后，需要在水平井中布置波纹管并进行高压扩张，波纹管为较细的形态，管中间是十字花的形状，通过高压扩张后，管子全部张开并变粗，可以将采空区这一段区域形成一个管道，使施工能够顺利进行。

通过上述方式，可以将多组声波测量数据与标定测量数据进行比较，确定是否存在采空区，并且在得到异常声波测量数据后可以确定异常井的位置，根据声波探测井朝向异常井的方位施工水平井，由此确定采空区的范围。

在一种可能的方式中，将声波探测井作为施工井，向异常井的目标煤层位置施工水平井，可以包括：

根据声波探测井的地层倾角数据，确定声波探测井的目标煤层位置；

根据声波探测井的目标煤层位置，向异常井的目标煤层位置施工水平井。

通过上述方式，可以根据地层倾角数据确定目标煤层位置，从而确定水平井的施工位置，由此可以提升钻探施工的准确性。

在一种可能的方式中，根据水平井，确定采空区的范围，可以包括：

在水平井施工过程中，在钻探到采空区位置的情况下，根据井下可移动式摄像头确定采空区的范围。

应当理解的是，井下可移动式摄像头可以在地质勘察中用于查明地质构造，是利用光学成像原理，将摄像镜头安装在仪器的前端。测井时，井下摄像镜头在可见光源的照射下，对井管内壁进行摄像，图象信号通过电子线路的处理，产生频率脉冲信号，再通过电缆传送到地面的接收装置，井行解码形成图像。并通过对图像的分析，实现对井下状况的实时监测，从而确定采空区的范围。

通过上述方式，可以在钻探到采空区位置的情况下，根据井下可移动式摄像头反映井下状况，并实时显示图像，直观清晰，由此可以正确判定井况和采空区的范围。

在一种可能的方式中，可以在多组声波测量数据均与标定测量数据相同的情况下，确定圆对应的区域中不存在采空区。

在一种可能的方式中，还可以在异常声波测量数据的数量为多个的情况下，确定圆对应的区域中存在多处采空区，确定圆对应的区域为采空区富集区。

应当理解的是，如果探测到区域中存在多处采空区且采空边界范围比较大时，可以根据实际情况进行水平井多分支施工探测，来划定采空区范围。

通过上述方式，可以根据多组声波测量数据与标定测量数据进行比较，确定探测区域中是否存在采空区，以及存在多处采空区，由此可以采取相应的施工方式，有效进行采空区的范围以及数量探查。

在一种可能的方式中，所述采空区探测方法还可以包括：

根据采空区的范围，确定采空区的水量。

应当理解的是，在确定采空区的范围以后可以进行采空区水位观测，具体地，可以通过水文仪器对水量进行预估，防止水害事故发生。

通过上述方式，可以在确定采空区范围后对采空区水量进行监测，从而可以根据水量情况及时采取措施防止事故发生，保障采煤作业安全进行。

在一种可能的方式中，所述采空区探测方法还可以包括：

从除了异常井以外的声波发射井中，确定三个目标声波发射井；

在每一目标声波发射井中布置声波接收装置，三个目标声波发射井中的声波接收装置分别位于一个三角形的角点位置；

根据三个目标声波发射井中的声波接收装置的回波时间数据，确定采空区的范围。

应当理解的是，如果在出现异常井，并且实际情况的地形地貌不具备施工水平井的情况下，可以根据声波在遇到固体-空洞的界面时会产生反射，测出回波时间，依据声波在该介质的速度即可算出距离，通过在三个不同地点测量，可以标出空洞的三维坐标，其中，三个地点需分别位于一个三角形的角点位置。

具体地，以异常井周边的其他三个声波发射井进行声波发射，通过三口井分别探测出本方向的回波时间数据，从而可以确定采空区范围。

在一种可能的方式中，可以控制上述各目标声波发射井中的声波接收装置依次向异常井发射声波信号，并控制各目标声波发射井中的声波接收装置依次接收异常井的反射信号，得到回波时间数据；

根据回波时间数据，计算声波传播的距离；

根据声波传播的距离，确定采空区的范围。

通过上述方式，可以根据实际地形情况设定三个目标声波发射井，通过测量并分析回波时间数据，从而确定采空区的范围，达到了一井多用的效果，并且在一定程度上减少了地形因素对采空区探测的影响。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种采空区探测方法，其特征在于，所述方法包括：

在待探测区域施工声波探测井，所述声波探测井中布置有声波探测装置；

在以所述声波探测井为圆心、且以预设距离为半径的圆上施工多个声波发射井，每一所述声波发射井中布置有声波发射装置；

控制所述声波探测井中的所述声波探测装置依次接收各所述声波发射井中的所述声波发射装置发射的声波，得到多组声波测量数据；

根据多组所述声波测量数据和标定测量数据确定所述待探测区域中是否存在采空区。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波发射井中的所述声波发射装置是通过如下方式布置的，包括：

根据所述声波发射井的地层倾角数据，确定所述声波发射井的目标煤层位置；

根据所述声波发射井的目标煤层位置，在所述声波发射井中布置所述声波发射装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多组所述声波测量数据和标定测量数据确定所述待探测区域中是否存在采空区，包括：

将多组所述声波测量数据与所述标定测量数据进行比较，从多组所述声波测量数据中确定与所述标定测量数据的差值大于预设值的异常声波测量数据；

将所述异常声波测量数据对应的所述声波发射井确定为异常井；

确定所述声波探测井朝向所述异常井的方位存在所述采空区；

将所述声波探测井作为施工井，向所述异常井的目标煤层位置施工水平井；

根据所述水平井，确定所述采空区的范围。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述声波探测井作为施工井，向所述异常井的目标煤层位置施工水平井，包括：

根据所述声波探测井的地层倾角数据，确定所述声波探测井的目标煤层位置；

根据所述声波探测井的目标煤层位置，向所述异常井的目标煤层位置施工所述水平井。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述水平井，确定所述采空区的范围，包括：

在所述水平井施工过程中，在钻探到采空区位置的情况下，根据井下可移动式摄像头确定所述采空区的范围。

6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在多组所述声波测量数据均与所述标定测量数据相同的情况下，确定所述圆对应的区域中不存在所述采空区。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述异常声波测量数据的数量为多个的情况下，确定所述圆对应的区域中存在多处所述采空区，确定所述圆对应的区域为采空区富集区。

8.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述采空区的范围，确定所述采空区的水量。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

从除了所述异常井以外的所述声波发射井中，确定三个目标声波发射井；

在每一所述目标声波发射井中布置声波接收装置，三个所述目标声波发射井中的所述声波接收装置分别位于一个三角形的角点位置；

根据三个所述目标声波发射井中的所述声波接收装置的回波时间数据，确定所述采空区的范围。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据三个所述目标声波发射井中的所述声波接收装置的回波时间数据，确定所述采空区的范围，包括：

控制各所述目标声波发射井中的所述声波接收装置依次向所述异常井发射声波信号，并控制各所述目标声波发射井中的所述声波接收装置依次接收所述异常井的反射信号，得到所述回波时间数据；

根据所述回波时间数据，计算声波传播的距离；

根据所述声波传播的距离，确定所述采空区的范围。