一种采空区连通性探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及采空区连通性探测技术领域，尤其涉及探测采空区连通性的系统及方法。

背景技术

采空区是在地表下挖掘矿物资源而产生的“空洞”，由于开采残留大量未及时处理的采场、硐室和巷道等，使采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，对将要穿过或经过采空区新建工程的安全存在极大的危害性。对此，铁路、公路等重大线路工程通过采矿区时常采取避绕方案，对于避绕条件差、代价大的采矿区，则需在查清线路两侧范围采空区的分布特征后进行加固处理，因此，准确获得线路影响范围内采空区空间规律及分布范围是避绕或加固的前提。但是，如何合理确定线路影响范围内采空区分布范围及空间规律一直是困扰工程人员的关键技术难题，尤其是古老采矿区及私采矿区常无资料可查，无法通过收集采矿实测资料直接获得采空区分布的空间规律，需要采取恰当有效的勘察方法才能获得设计所需的详细地质资料。

目前国内外对于采空区﹑洞穴等主要是采用地质雷达法进行探测。当被探物体数量少﹑范围小﹑构造差异性大时，采用地质雷达法探测能得到较好的效果，但当用于介质差异性较小﹑水位较低﹑分布广泛的无规则采空区(洞穴)探测时，因无规则采空区(洞穴)埋藏深度、洞径关系及与周边地层介质物性参数差异较小，导致探测到无规则采空区(洞穴)位置判断不准确，采用地质雷达方法进行探测时受此条件影响探测效果会受到很大的限制。

通过钻孔可直接揭示采空区在某位置处的分布特征，一般小型采空区钻孔采用等间距满堂布置，随着采空区深度及范围变大，钻孔深度及数量也随之增大，导致钻孔工作量大，满堂布置钻孔废孔量大，有效孔数率低。如果能够有效地探查采空区的连通性，在一定范围内可以有效地减少钻孔布置，提高勘察效率。《SF

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发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于解决上述技术问题中的至少一个。为此，本发明提供更经济有效且更安全的用于探测采空区连通性的系统及方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的第一方面，提供了一种采空区连通性探测系统，所述探测系统包括注气部，配置为通过采空区中的第一钻孔向所述采空区中注入示踪气体，所述注气部包括：储氨装置，所述储氨装置用于储存作为示踪气体的氨气；和第一管路，所述第一管路配置为连通所述储氨装置和所述第一钻孔，和采气部，配置为通过采空区中的第二钻孔采集所述采空区中气体并检测是否存在所述示踪气体，所述采气部包括：氨气检测装置，所述氨气检测装置用于检测采集的气体中是否存在氨气；和第二管路，所述第二管路配置为连通所述第二钻孔和所述氨气检测装置。

根据本发明的一种实施方式，所述注气部还包括配置为原位产生氨气的制氨装置，所述制氨装置具有氨气出口以与所述储氨装置连通。

根据本发明的一种实施方式，所述制氨装置采用氨水和生石灰反应以产生氨气。

根据本发明的一种实施方式，所述第一管路连接所述储氨装置的一端伸入靠近所述储氨装置的底部，且可选地在所述储氨装置和所述第一钻孔之间设置有增压泵。

根据本发明的一种实施方式，在所述采气部中，所述氨气检测装置内部设置有检测试剂或检测试纸，所述第二管路将采集的气体引导通过所述检测试剂或检测试纸。

根据本发明的一种实施方式，所述检测试剂或检测试纸包含能够与氨气反应并发生颜色变化的物质，优选地，所述物质为酸碱指示剂。

根据本发明的一种实施方式，所述氨气检测装置具有至少部分透明的壳体，以观察检测结果。

根据本发明的一种实施方式，所述采气部还包括后处理装置，所述后处理装置与所述氨气检测装置连通，用于处理经所述氨气检测装置排出的气体。

根据本发明的一种实施方式，所述探测系统包括两个或更多个采气部。

本发明的第二方面，提供了一种采空区连通性探测方法，所述探测方法包括以下步骤：在待探测采空区以一定距离设置注气钻孔和采气钻孔；将示踪气体注入所述注气钻孔，和在所述采气钻孔处检测是否存在所述示踪气体；其中，所述示踪气体为氨气。

根据本发明的一种实施方式，所述注气钻孔和所述采气钻孔之间的距离不大于50m。

根据本发明的一种实施方式，所述探测方法采用上述本发明的探测系统进行探测。

本发明的采空区连通性探测系统及探测方法以氨气作为示踪气体，探测采空区的连通性，由于氨气的密度(20℃，0.1MPa，密度为0.70kg/m

附图说明

图1为本发明的采空区连通性探测系统的结构示意图；

图2为本发明的一种实施方式的注气部的结构示意图；

图3为本发明的一种实施方式的采气部的结构示意图；

图4为本发明的一种实施方式的采空区连通性探测方法的流程图；和

图中包括：100-注气部；101-储氨装置；102-第一出气管；103-第一阀门；104-制氨装置；105-反应试剂；106-第一进气管；107-第二阀门；108-气压表；109-增压泵；110-第一密封塞；200采气部；201-第二密封塞；202-第二进气管；203-第三阀门；204-氨气检测装置；205-氨气检测试剂；206-置物台；207-第二出气管；208-酒精灯；301-第一钻孔(注气钻孔)；302-第二钻孔(采气钻孔)；303-采空区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式及附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

以下参考附图所示的示意性的示例，进一步说明本发明。通过以下说明，本发明的各方面优点将更加明显。附图中相同的附图标记指代相同的部件。示意性附图中各部件的形状和尺寸仅用于示意，并不能被认为体现了实际的形状、尺寸和绝对的位置。

如图1所示，采空区303通常为矿产资源开采后形成的“空洞”，采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、冒落塌陷情况难以预测等特点。采空区内主要为瓦斯气体，即甲烷，由采空区的围岩向内涌出。当然，采空区内气体还可能包括一氧化碳、乙烷、乙烯和乙炔等可燃性气体，其中，一氧化碳由煤与氧气发生反应生成；乙烷、乙烯等气体则是由煤发生裂解反应后生成。如果不清楚采空区的空间结构特征，贸然进入采空区极可能危害人身安全。因此，探测采空区的连通性对于安全事故的预防具有重大意义。

在待探测采空区303以一定距离设置注气钻孔301和采气钻302孔；将示踪气体氨气注入注气钻孔301，在采气钻孔302处检测示踪气体氨气，以探测采空区303的连通性。

其中，钻孔的位置选取并无特殊限定，在确定待探测采空区的具体位置后，即可在待探测采空区上设置钻孔。图1仅示出了一个注气钻孔301和一个采气钻孔302，当然，注气钻孔301和采气钻孔302的数量均可设置为两个或两个以上，通过设置多个注气钻孔和多个采气钻孔，可同时探测更大面积的采空区的连通性，提高探测效率。钻孔间距也会影响连通性探测结果准确性。

如果注气钻孔和采气钻孔的间距过大，不仅需要对该采空区内注入大量的气体，还有可能误判该采空区为不连通状态；如果注气钻孔和采气钻孔的间距过小，可能加大钻孔的施工量，造成不必要的浪费。优选地，注气钻孔301和采气钻孔302之间的距离不大于50m。注气钻孔301和采气钻孔302之间的距离过则大需要注射大量的示踪气体，且不利于连通性判别。此外，注气钻孔301和采气钻孔302之间的距离通常不小于5m。

钻孔深度的设置也并无特殊限定，在确定待探测采空区的具体位置后，确保钻孔深度能够达到采空区即可。

图1示出了本发明的采空区连通性探测系统的结构示意图。如对于采空区的钻孔该探测系统包括注气部100和采气部200，注气部100配置为通过采空区中的第一钻孔301向采空区303中注入示踪气体，而采气部200配置为通过采空区中的第二钻孔302采集采空区303中气体并检测是否存在示踪气体。示踪气体的选取则需要考虑诸多因素，例如：采空区原本不具有该示踪气体；示踪气体的物理、化学性质比较稳定；示踪气体对人体没有危险性；以及示踪气体便于检测。本发明中采用氨气作为示踪气体，上述采气部200包括氨气检测装置，用于检测采集的气体中是否存在氨气。

上述采空区连通性探测系统中采用氨气作为示踪气体，由于氨气的密度与采空区内瓦斯气体的密度接近，能够在氨气排出的同时尽可能少地排出瓦斯气体，避免瓦斯气体发生爆炸、燃烧等危险事故。

进一步参考图1，注气部100通过第一出气管102与第一钻孔301连通，即可通过第一钻孔301向采空区303中注入示踪气体，并且在第一出气管102与第一钻孔301的连接处设置第一密封塞110，用于实现第一出气管102与第一钻孔301之间的密封，以防止示踪气体泄漏。所述采气部200通过第二进气管202与第二钻孔302连通，即可通过第二钻孔302采集所述采空区303中气体，并检测是否存在所注入的示踪气体，并且在第二进气管202与第二钻孔302的连接处设置第二密封塞201，用于确保第二进气管202与第二钻孔302之间的密封，以避免示踪气体泄漏。

下面结合图2和3，以详细说明注气部100和采气部200的结构。

图2示出了本发明的一种实施方式的注气部的结构。所述注气部100包括依次连通的制氨装置104、第一进气管106、储氨装置101和第一出气管102。所述制氨装置104用于原位产生氨气，其中容纳有可反应生成氨气的反应试剂105，所述储氨装置101用于储存反应生成的氨气。

具体地，所述反应试剂105可采用任何适宜的反应试剂。经济且安全易于操作的反应试剂更优选。在一个实施例中，反应试剂105也可以是铵盐和碱，例如：氯化铵和氢氧化钙发生反应生成氨气、氯化钙和水。在另一个实施例中，反应试剂105还可以是氨水和氧化钙，反应生成氨气。通过现场反应制备得到氨气，制备后即可使用，有效地避免了氨气运输成本及风险。

当然，制氨装置的设置并非是必要的，也可直接使用将氨气加压液化的氨气瓶。

在制氨装置104中制备得到的氨气，经第一进气管106进入储氨装置101中，接着经第一出气管102进入第一钻孔。由于氨气密度(20℃，0.1MPa，密度为0.70kg/m

在图2所示的注气部中，第一进气管106和第一出气管102的管路上还可分别设置第二阀门107、第一阀门103，用于控制管路的通断。

在图2所示的注气部中，第一出气管102上还可设置气压表108，用于显示所述储氨装置101内氨气含量。

此外，第一出气管102上还可设置增压泵109，可提高氨气压力后将其输送进入采空区，便于氨气在采空区中的流通。

图3示出了本发明的一种实施方式的采气部的结构。所述采气部200包括依次连通的第二进气管202、氨气检测装置204和第二出气管207。氨气检测装置204用于检测采集的气体中是否存在氨气。优选地，氨气检测装置204内部可设置有检测试剂205或检测试纸，通过第二进气管202将采集的气体引导通过所述检测试剂或检测试纸，检测试剂或检测试纸包含能够与氨气反应并发生颜色变化的物质，通过观察颜色变化，判断采集的气体中是否存在氨气。

在一个实施例中，所述氨气检测装置204可包括酸碱指示试纸，例如：浸润红色石蕊溶液的试纸。利用示踪气体氨气，观察试纸的颜色变化，判断采集的气体中是否存在氨气，如果试纸变蓝，则证明有氨气的存在。

在图3所示的采气部中，所述氨气检测装置204可容纳有溶液形式的氨气检测试剂205，例如：酚酞溶液。第二进气管202的一端与第二钻孔302连通，所述第二进气管202的另一端直接伸入酚酞溶液中。而第二出气管207的一端与所述氨气检测装置顶部连通以将通过酚酞溶液后的气体排出。通过观察酚酞溶液的颜色变化，判断采集的气体中是否存在氨气，如果无色酚酞溶液变红，则证明有氨气的存在。

当然，氨气检测装置204并不限于上述检测试剂或者检测试纸，用于定性检测氨气是否存在，也可采用检测仪器，例如：酸度计，利用氨气溶于水后呈碱性的特征，以定性检测氨气是否存在。

本发明的采空区连通性探测系统中采用氨气作为示踪气体，氨气的检测可方便地采用酸碱指示剂检出，使得本发明的采空区连通性探测系统成本低廉，且便于使用。

优选地，如果通过检测试剂或检测试纸的颜色变化来判断是否存在氨气，所述氨气检测装置204可设置为具有至少部分透明的壳体，以便于观察检测结果。

在图3所示的采气部中，还包括后处理装置，所述后处理装置与氨气检测装置204连通，用于处理经氨气检测装置204排出的气体。用于将排出的其他气体，主要为瓦斯气体，后处理装置可为燃烧器，以防止瓦斯气体排出到空气中，易产生爆炸等危害。如图3所示，后处理装置为酒精灯208。

图3示出的采气部中，还包括置物台206，氨气检测装置204放置于置物台206上。

图3示出的采气部中，第二进气管202上还可设置第三阀门203，用于控制管路的通断。

其中，本发明包括第一进气管106、第一出气管102、第二进气管202和第二出气管207的材质并无特殊限定，只要能够用于示踪气体氨气的输送即可。可以举例的是管路材质均可为不锈钢。

所述探测系统中采气部的数量可不止一个，可为两个、三个、四个甚至更多个。通过设置多个采气部，可同时探测更大面积的采空区的连通性，提高探测效率。

图4示出了根据本发明一种实施方式的采空区连通性探测方法的流程图。如图所示，在步骤S801中，首先在待探测采空区以一定距离设置注气钻孔和采气钻孔；接着在步骤S802将示踪气体，本发明中为氨气，注入注气钻孔；经过一段时间后，在步骤S803中，在采气钻孔处检测是否采集到所述示踪气体。其中，对于待探测采空区连通性的探测时间一般限定在2h以内，确保探测效率。

本发明的采空区连通性探测方法，采用氨气探测采空区的连通性，由于氨气的密度(20℃，0.1MPa，密度为0.70kg/m

本发明的方法中，示踪气体氨气的获得既可通过将氨气加压液化后直接运输至待探测采空区，也可通过原位反应产生氨气，现场完成反应后即可使用。因此，根据一种实施方式，本发明的方法在步骤S802之前还包括制备氨气的步骤。进一步地，制备氨气可采用任何适宜的反应试剂。例如：采用铵盐和碱反应生成氨气，或者采用氨水和氧化钙反应生成氨气均可。

示踪气体氨气的检测可通过检测试剂或者检测试纸进行。优选地，使用检测试剂或检测试纸，其中特别优选包含能够与氨气反应并发生颜色变化的物质，通过观察颜色变化，判断采集的气体中是否存在氨气，例如：采用酸碱指示剂或者酸碱指示试纸。当然，示踪气体氨气的检测也可通过检测仪器进行，例如：采用酸度计，利用氨气溶于水后呈碱性的特征，以定性检测氨气是否存在。

考虑到在采气钻孔处采集的气体，除了可能包含示踪气体氨气以外，还可能包含待探测采空区内的瓦斯气体等可燃性气体，因此，本发明的方法在步骤803之后还包括对采集的气体进行后处理的步骤，如可采用燃烧的方式进行后处理，以避免可燃性气体直接排入空气中造成危害。

本发明的采空区连通性的探测方法，可采用上述探测系统进行探测。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。