一种矿区采空点探测装置及方法

本技术属于地球物理勘探和矿物灾害地质探测，更具体地，涉及一种矿区采空点探测装置及方法。

背景技术：

1、矿物资源开采后遗留的采空区域，受岩石应力以及地面活动等影响，通常呈现出未垮落、垮落压实、裂隙发育、局部充填或积水等复杂地质演化状态。采空区及其上覆破坏带的形成，会显著改变地下介质的初始孔隙结构、含水富集状态及宏观电阻率分布规律。此类地质异常体的存在，极易诱发地表沉陷、矿井突水等次生地质灾害，并对工程建设场地的地基稳定性构成严重威胁。因此，精准探测采空区的两侧边界、平面展布范围及沿测线宽度，已成为保障矿山安全生产、进行建设场地地质评价的关键基础工作。

2、在采空区地球物理勘查领域，地面固定电性源瞬变电磁法是一种核心探测手段，其基本原理是利用两个接地供电电极向地下注入脉冲电流，并于电流关断期间的间隙观测由地下导电介质激发的瞬变二次电磁场响应。在典型的赤道装置观测模式中，接收测点布设于供电电极连线的侧方观测区域，且观测剖面通常平行于电极连线展布，主要依靠接收线圈观测垂向磁场分量随时间的衰减演化特征。该探测方案的有效探测深度及电磁异常响应规律，受到电性源的供电电极距、收发距、发射电流强度以及接收时间窗等多重探测参数的综合影响。

3、尽管现有电性源探测方案已获得广泛应用，但在精准圈定采空区边界方面仍存在显著不足。目前常规技术多采用单接收线圈测量绝对电磁响应，并借助视电阻率计算或反演来确定异常区域。然而，由于固定电性源激发的空间场随接收位置呈缓慢变化，单线圈观测数据往往受到发射场源、收发位置、区域地层背景、环境噪声等综合因素影响。导致采空区边界的横向电性突变极易被强背景场或空间缓变趋势所掩盖，从而严重制约了采空区边界识别的可靠性与有效性。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种矿区采空点探测装置及方法，旨在解决目前常规技术多采用单接收线圈测量绝对电磁响应，并借助视电阻率计算或反演来确定异常区域，由于固定电性源激发的空间场随接收位置呈缓慢变化，单线圈观测数据往往受到发射场源、收发位置、区域地层背景、环境噪声等综合因素影响，导致采空区边界的横向电性突变极易被强背景场或空间缓变趋势所掩盖，从而严重制约了采空区边界识别的可靠性与有效性的问题。

2、本技术的第一方面涉及一种矿区采空点探测装置，包括：固定接地电性源、瞬变电磁发射机、双接收线圈组件、双通道接收机和数据处理单元；

3、固定接地电性源包括两个供电电极；瞬变电磁发射机用于向两个供电电极注入脉冲电流，在脉冲电流关断后使地下介质中的感应电流随时间扩散并产生瞬变二次磁场；

4、双接收线圈组件位于固定接地电性源的赤道观测区域，赤道观测测线设置在两个供电电极连线的侧方，并与两个供电电极连线平行；双接收线圈组件包括两个接收线圈，分别独立接入双通道接收机，两接收线圈具有相同形状、相同匝数、相同绕制方向和相互平行的线圈轴线，线圈平面与地表平行，用于沿赤道观测测线移动，接收垂向瞬变磁场分量的时间变化，进而产生感应电压；

5、两通道接收机用于同步记录两接收线圈的感应电压；数据处理单元用于对两接收线圈产生的感应电压进行差分，获取沿赤道观测测线方向的差分响应差异，根据差分响应增强的位置识别采空区边界。

6、在一些实施方式中，当双接收线圈组件跨越采空区边界时，一个接收线圈位于采空区影响区域上方，另一个接收线圈位于完整围岩上方，差分响应增强，突出由采空区边界造成的空间非一致响应。

7、在一些实施方式中，两接收线圈的差分响应为：

8、；

9、其中，，；和为两接收线圈的感应电压；和分别表示两接收线圈所在位置上的共同背景分量，包括固定电性源在局部范围内的缓变响应、均匀围岩响应以及同时耦合到双通道接收机的相关干扰；和分别表示矿区采空区及其边界在两个接收线圈所在位置产生的异常响应。

10、在一些实施方式中，双接收线圈组件包括两接收线圈和绝缘支架；两接收线圈采用圆形、矩形、多匝空心线圈或磁芯线圈；绝缘支架用于保持两接收线圈间隔和姿态稳定。

11、在一些实施方式中，双通道接收机的每一接收通道包括输入保护模块、低噪声放大模块、低通滤波模块、模数转换模块和控制模块；

12、控制模块用于为接收通道提供共同采样时钟和时间零点，并接收瞬变电磁发射机的同步触发信号；输入保护模块用于限制发射关断瞬间出现的过压；低噪声放大模块用于提高瞬变响应幅值；低通滤波模块用于抑制带外高频干扰；模数转换模块用于将模拟感应电压转换为数字信号。

13、在一些实施方式中，在一个观测点上，瞬变电磁发射机用于重复输出预设次数的脉冲电流，双通道接收机用于在每次关断后同步采集两接收线圈的差分响应随时间的衰减曲线；数据处理单元用于对重复观测的差分响应随时间的衰减曲线进行叠加，计算在相同时间道上的差分响应。

14、在一些实施方式中，双接收线圈组件安装在非金属小车、拖拽支架或人工携行支架上。

15、本技术的第二方面涉及一种矿区采空点探测方法，具体包括以下步骤：

16、步骤一：在待测区设置位置固定两供电电极，在其侧方赤道观测区域设置与供电电极连线平行的观测测线，并将两接收线圈沿测线方向间隔设置；

17、步骤二：采用瞬变电磁发射机向固定接地电性源注入脉冲电流，在关断后的观测间隙内，两接收线圈同步接收地下瞬变二次磁场产生的感应电压；

18、步骤三：对两接收线圈的感应电压进行差分，得到两个相邻接收位置的差分响应差异；

19、步骤四：使双接收线圈组件沿测线移动，根据差分响应增强的位置识别采空区边界；其中，当两个接收线圈均位于相同地电介质上方时差分响应较小，当两个线圈分别位于完整围岩和采空区影响区域上方时差分响应增强。

20、在一些实施方式中，在步骤四中，在多个观测时间道上记录差分响应随时间的衰减变化，并根据相邻观测点上差分响应的连续变化确认采空区边界异常。

21、在一些实施方式中，将双接收线圈组件依次跨越采空区的进入边界、采空区内部和离开边界，通过进入边界和离开边界处分别形成差分响应增强区以确定采空区边界。

22、在一些实施方式中，在同一固定接地电性源的有效赤道观测区域布设多条平行测线，分别利用双接收线圈组件进行扫描，以获得采空区边界在不同剖面位置上的变化。

23、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

24、本技术提供了一种矿区采空点探测方法，采用固定接地电性源，供电电极位置和供电方向在观测过程中保持不变，避免每个测点反复布设电极和供电导线，有利于提高沿测线观测的一致性。

25、本技术提供了一种矿区采空点探测方法，在固定电性源的赤道观测区域设置两个沿测线方向间隔布置的接收线圈，利用相邻位置共同背景近似一致的特点，通过差分抑制固定源缓变响应、均匀围岩背景和相关环境干扰，突出采空区边界造成的空间非一致响应。

26、本技术提供了一种矿区采空点探测方法，针对矿物采空区横向范围较大的特点，采用两个接收线圈沿穿越采空区边界的测线移动，结构简单、通道数量少，便于快速布置和连续扫描。

27、本技术提供了一种矿区采空点探测方法，两个接收线圈分别独立采集并在接收机或数据处理单元中进行差分，能够保留两个接收位置的原始数据，便于对边界异常进行复核。