专利摘要

本发明公开了一种采煤地表裂缝形态的探测方法，包括如下步骤：步骤1：在探测区域确定裂缝的分布范围；步骤2：向待探测的所述裂缝中添加与探测雷达感应的示踪剂；步骤3：在待探测的所述裂缝的两侧均匀地布置有多条等间距的探测线；在待探测的所述裂缝的两侧分别选取一条所述探测线，并在其中一条所述探测线上布置所述发射天线，在另一条所述探测线上布置所述接收天线；步骤4：在待探测的所述裂缝的两侧同时匀速拖动所述接收天线和所述发射天线，使所述接收天线和所述发射天线在待探测的所述裂缝的两侧沿着待探测的所述裂缝同步运动；步骤5：处理信号或图像数据，得到待探测的所述裂缝的形态。

权利要求

1.一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在探测区域确定裂缝的分布范围，并选择其中的一条或多条所述裂缝进行探测；

步骤2：向待探测的所述裂缝中添加与探测雷达感应的示踪剂，其中所述探测雷达包括雷达主机、发射天线和接收天线，所述发射天线和所述接收天线分别与所述雷达主机通信连接；

步骤3：在待探测的所述裂缝的两侧均匀地布置有多条等间距的探测线；在待探测的所述裂缝的两侧分别选取一条所述探测线，被选取的两条所述探测线与所述待探测的所述裂缝的距离相等，在其中一条所述探测线上布置所述发射天线，在另一条所述探测线上布置所述接收天线，所述发射天线与所述接收天线之间的连线与待探测的所述裂缝垂直；

步骤4：在待探测的所述裂缝的两侧同时匀速拖动所述接收天线和所述发射天线，使所述接收天线和所述发射天线在待探测的所述裂缝的两侧沿着待探测的所述裂缝同步运动，

同时，所述发射天线向所述接收天线发出第一信号数据，所述第一信号数据在经过待探测的所述裂缝及示踪剂之后变为第二信号数据，所述接收天线接收到第二信号数据；

步骤5：处理所述第一信号数据及所述第二信号数据，得到待探测的所述裂缝的形态。

2.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，该探测方法还包括如下步骤：从距待探测的所述裂缝最近的所述探测线上到距待探测的所述裂缝最远的所述探测线上逐次执行所述步骤3和步骤4，最后执行所述步骤5，得到待探测的所述裂缝的形态。

3.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，所述步骤1中还包括步骤11：

对待探测区域进行沉陷预计，圈定所述裂缝的分布范围，在此基础上，综合分析待探测区域覆岩岩性、结构、开采方式、采矿地质条件，并与相似的已采地区进行对比分析，确定沉陷预计的相关参数，并对地表移动变形进行模拟，以水平拉伸值为依据，确定所述裂缝的分布范围。

4.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，在所述步骤2中还包括步骤21：

将所述示踪剂缓慢灌入所述裂缝中，直至所述示踪剂填充至地面标高。

5.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，在所述步骤4中还包括步骤41：

不断调整采样时窗、叠加次数及采样率，在每条所述探测线上重复探测不少于3次。

6.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，所述探测雷达的中心频率在50MHZ—200MHZ之间。

7.根据权利要求1或4所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，所述示踪剂为能够增大与裂缝周围土体介电常数差异的金属粉或金属砂或石膏浆体。

8.根据权利要求7所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，所述石膏浆体由标准石膏粉与自来水的混合物而成，所述标准石膏粉与所述自来水的质量比在1:1-3:2之间。

9.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，所述探测线与待探测的所述裂缝平行，且所述探测线的长度大于待探测的所述裂缝的长度。

10.根据权利要求1所述的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，其特征在于，在待探测的所述裂缝的每侧布置有至少3条所述探测线，其中所述探测线中距离待探测的所述裂缝最远距离不超过1m。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤和环境监测技术领域，尤其涉及一种基于示踪剂的采煤地表裂缝形态的探测方法。

背景技术

土地和煤炭资源是人类赖以生存和发展的重要资源和资产，煤炭资源的开发在为国民经济的发展做出巨大贡献的同时，引发了地面沉陷、挖损、压占等地质灾害。在中国，煤炭的赋存条件多样复杂，我国煤炭产量的90％以上多源自于井工开采，进一步加剧了这种现象的存在。为了满足经济快速发展的需求，作为能源主体的煤炭资源采掘业迅猛发展，呈现出高强度开采、集群化等特点，土地损伤的范围进一步扩展。

地裂缝作为煤炭资源开采后地表破坏的最直观的表现形式，其发生发育规律与煤矿的开发建设活动密切相关，越发受到社会各界的关注，特别是工作面或者采区边界的地裂缝很难愈合，尤其是当裂缝与采空区贯通时，容易发生漏风、溃水、溃沙等安全事故，生产单位一般采用随时监测，沙土、矸石以及浆体的充填掩埋等措施，但治理效果往往不佳，存在“头痛医头、脚痛医脚”的现象，其关键问题就是松散层内地裂缝的形态和地下扩展程度不清楚。

目前，针对地裂缝的探测，部分学者利用弹性波、超声波探测构建体内裂缝的深度，也有通过灌浆实地开挖的方式，但这种方式多用于结果检验，还不能用于对待探测区域的裂缝形态的探测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于示踪剂的采煤地表或采煤沉陷地裂缝形态的探测方法，通过向裂缝中灌注对电磁波敏感的示踪剂，人为增大地裂缝与周围土体的电性差异，利用高频探测雷达系统，较为准确的实现地裂缝形态的获取，为矿区地裂缝的充填修复措施和方案提供科学的依据。

本发明技术方案提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，包括如下步骤：步骤1：在探测区域确定裂缝的分布范围，并选择其中的一条或多条所述裂缝进行探测；步骤2：向待探测的所述裂缝中添加与探测雷达感应的示踪剂，其中所述探测雷达包括雷达主机、发射天线和接收天线，所述发射天线和所述接收天线分别与所述雷达主机通信连接；步骤3：在待探测的所述裂缝的两侧均匀地布置有多条等间距的探测线；在待探测的所述裂缝的两侧分别选取一条所述探测线，被选取的两条所述探测线与所述待探测的所述裂缝的距离相等，在其中一条所述探测线上布置所述发射天线，在另一条所述探测线上布置所述接收天线，所述发射天线与所述接收天线之间的连线与待探测的所述裂缝垂直；步骤4：在待探测的所述裂缝的两侧同时匀速拖动所述接收天线和所述发射天线，使所述接收天线和所述发射天线在待探测的所述裂缝的两侧沿着待探测的所述裂缝同步运动，同时，所述发射天线向所述接收天线发出第一信号数据，所述第一信号数据在经过待探测的所述裂缝及示踪剂之后变为第二信号数据，所述接收天线接收到第二信号数据；步骤5：处理所述第一信号数据及所述第二信号数据，得到待探测的所述裂缝的形态。

进一步地，该探测方法还包括如下步骤：从距待探测的所述裂缝最近的所述探测线上到距待探测的所述裂缝最远的所述探测线上逐次执行所述步骤3和步骤4，最后执行所述步骤5，得到待探测的所述裂缝的形态。

进一步地，所述步骤1中还包括步骤11：对待探测区域进行沉陷预计，圈定所述裂缝的分布范围，在此基础上，综合分析待探测区域覆岩岩性、开采方式、采矿地质条件，并与相似的已采地区进行对比分析，确定沉陷预计的相关参数，并对地表移动变形进行模拟，以水平拉伸值为依据，确定所述裂缝的分布范围。

进一步地，在所述步骤2中还包括步骤21：将所述示踪剂缓慢灌入所述裂缝中，直至所述示踪剂填充至地面标高。

进一步地，在所述步骤4中还包括步骤41：不断调整采样时窗、叠加次数及采样率，在每条所述探测线上重复探测不少于3次。

进一步地，所述探测雷达的中心频率在50MHZ—200MHZ之间。

进一步地，所述示踪剂为能够增大与裂缝周围土体介电常数差异的金属粉或金属砂或石膏浆体。。

进一步地，所述石膏浆体由标准石膏粉与自来水的混合物而成，所述标准石膏粉与所述自来水的质量比在1:1-3:2之间。

进一步地，所述探测线与待探测的所述裂缝平行，且所述探测线的长度大于待探测的所述裂缝的长度。

进一步地，在待探测的所述裂缝的每侧布置有至少3条所述探测线，其中所述探测线中距离待探测的所述裂缝最远距离不超过1m。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，提供了裂缝空间分布范围的确定方法，为待探测对象提供了空间位置的参考，在此基础上，采用高精度、高分辨率的高频探测雷达系统作为载体，并且通过改变裂缝周围土体与孔隙之间的电性差异，通过示踪剂的灌入，增大了地裂缝感性区域的对电磁波的响应能力，为采煤地表裂缝的形态获取提供了完整可靠的数据，进而为研究采煤沉陷地裂缝的充填治理技术和工程的设计提供了基础支撑。

附图说明

图1为本发明提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法的步骤示意图；

图2为确定裂缝分布范围示意图；

图3为探测线分布在待测裂缝两侧的示意图；

图4为使用探测雷达进行探测的示意图。

附图标记对照表：

1-煤层；                  2-岩层；           3-地表；

4-裂缝；                  5-探测线；         6-探测雷达；

61-雷达主机；             62-发射天线；      63-接收天线；

7-示踪剂。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1-4所示，本发明提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，包括如下步骤：

步骤1：在探测区域确定裂缝的分布范围，并选择其中的一条或多条裂缝4进行探测；

步骤2：向待探测的裂缝4中添加与探测雷达6感应的示踪剂7，其中探测雷达6包括雷达主机61、发射天线62和接收天线63，发射天线62和接收天线63分别与雷达主机61通信连接；

步骤3：在待探测的裂缝4的两侧均匀地布置有多条等间距的探测线5；在待探测的裂缝4的两侧分别选取一条探测线5，被选取的两条探测线5与待探测的裂缝4的距离相等，在其中一条探测线5上布置发射天线62，在另一条探测线5上布置接收天线63，发射天线62与接收天线63之间的连线与待探测的裂缝4垂直；

步骤4：在待探测的裂缝4的两侧同时匀速拖动接收天线63和发射天线62，使接收天线63和发射天线62在待探测的裂缝4的两侧沿着待探测的裂缝4同步运动，

同时，发射天线62向接收天线63发出第一信号数据，第一信号数据在经过待探测的裂缝4及示踪剂7之后变为第二信号数据，接收天线63接收到第二信号数据；

步骤5：处理第一信号数据及第二信号数据，得到待探测的裂缝4的形态。

本发明提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法主要用于采煤地表裂缝的形态探测，裂缝形态是指裂缝宽度、深度、扩展度等方面的形状和状态。

该探测方法包含以下步骤：

(1)在探测区域确定裂缝4的分布范围，并选择其中的一条或多条裂缝4进行探测。

(2)示踪剂7的选择：示踪剂7能够增大与裂缝周围土体介电常数差异，且易于被探测雷达6响应。向待探测裂缝4中增加对电磁波响应程度敏感的示踪剂7，人为增加裂缝4与周围土体的电性差异，提高电磁波在裂缝-土壤接触面的反射系数，以获取更加丰富地裂缝信息。

(3)探测线5的布置：在裂缝4的两侧布设多条等间距或近似等间距的探测线5，探测线5应平行裂缝4在地表3上扩展。优选地，在裂缝4的两侧分别布设五条等间距或近似等间距的探测线5。

(4)探测设备的选择及现场布置：采用高精度的探测雷达6作为探测设备，利用其发射天线62发射、接收天线63接收的高频的脉冲电磁波，实现裂缝4的隐伏形态(深度、扩展等信息)的探测。

在裂缝4的两侧的分别选取一条探测线5，探测线5与裂缝4距离近似相等，在一条选取的探测线5上布设一台发射天线62，在另一条探测线5上布置一台接收天线63，发射天线62与接收天线63之间的连线与裂缝4应近似垂直。在裂缝4的两侧同时匀速拖动发射天线62与接收天线63，使接收天线63和发射天线62在待探测的裂缝4的两侧沿着待探测的裂缝4同步运动，

同时，发射天线62向接收天线63发出第一信号数据，第一信号数据在经过待探测的裂缝4及示踪剂7之后变为第二信号数据，接收天线63接收到第二信号数据，

(5)探测效果：通过配套软件，对探测雷达获得的第一信号数据及第二信号数据或由第一信号数据及第二信号数据转换成的图像数据进行处理，提取裂缝4的信息，获取裂缝4的深度以及在不同层位裂缝4的扩展程度，通过三维可视化建模，最终得到裂缝4的形态或裂缝形态剖面的描述。

由此，本发明提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，提供了裂缝空间分布范围的确定方法，为待探测对象提供了空间位置的参考，在此基础上，采用高精度、高分辨率的高频探测雷达系统作为载体，并且通过改变裂缝周围土体与孔隙之间的电性差异，通过示踪剂的灌入，增大了地裂缝感性区域的对电磁波的响应能力，为采煤地表裂缝的形态获取提供了完整可靠的数据，进而为研究采煤沉陷地裂缝的充填治理技术和工程的设计提供了基础支撑。

较佳地，该探测方法还包括如下步骤：从距待探测的裂缝4最近的探测线5上到距待探测的裂缝4最远的探测线5上逐次执行步骤3和步骤4，最后执行步骤5，得到待探测的裂缝4的形态。

从距离待探测裂缝4最近的一条探测线5开始测量，直至距待探测的裂缝4最远的探测线5上测量完成，在每条探测线5上，均执行逐次执行步骤3和步骤4，最后执行步骤5，以更全面的得到待探测的裂缝4的形态。

较佳地，上述步骤1中还包括步骤11：

对待探测区域进行沉陷预计，圈定裂缝4的分布范围：综合分析待探测区域覆岩岩性、结构、开采方式、采矿地质条件，并与相似的已采地区进行对比分析，确定沉陷预计的相关参数，进行地表移动变形进行模拟，以水平拉伸值为依据，确定所述裂缝的空间分布范围。

具体地，利用开采沉陷学的概率积分法对拟探测区域进行沉陷预计，初步圈定裂缝4的分布范围。利用矿区综合采掘工程平面图，结合矿山企业的开采计划，确定拟探测区域；在此基础上，综合分析拟探测区域覆岩岩性、结构以及采矿地质条件，并与相似的已采地区进行对比分析，确定沉陷预计的相关参数，利用概率积分法对地表移动变形进行模拟，以水平拉伸值为依据，确定裂缝的分布范围，形成图2。最下面是煤层1，上面是n层岩层2，再上面是地表3，裂缝4形成在地表3上。

具体建模模拟如下：利用矿区采掘综合平面图，提取出拟探测工作面边界的4个拐点坐标和边界，形成CAD图件；根据工作面的回采地质说明书，综合分析煤层上覆岩石的岩性和结构，获取煤层的埋深h，煤层倾角等采矿地质条件，在邻近矿区寻找与之相似的若干工作面(已采)的地表移动变形规律，进行类比分析，确定该工作面开采所形成地表移动变形规律的预计参数，包含下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ以及拐点偏移距；在此基础上，利用MSPS沉陷预报软件进行开采沉陷预计，以水平拉伸值3mm/m作为裂缝产生的阈值，获取裂缝4分布的区域与范围，提取出特征点的空间坐标。

预计的拉伸变形应大于某一阈值，该阈值作为地裂缝产生的临界条件，表土为塑性较大的粘土，该阈值应大于6mm/m，对于表土为塑性较小的砂质粘土和粘土质砂时，该阈值应大于3mm/m。

裂缝4的分布区域应结合地下采矿、覆岩结构等多项指标，开采沉陷预计应包含下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切以及拐点偏移距等主要参数，可选择MSPS沉陷预报系统作为载体。

较佳地，在上述步骤2中还包括步骤21：将示踪剂7缓慢灌入裂缝4中，直至示踪剂7填充至地面标高。示踪剂7能够增加裂缝与周围土体的电性差异，提高电磁波在裂缝-土壤接触面的反射系数，将示踪剂7缓慢灌注裂缝4中，直至填充填至地面标高，有利于提高电磁波在裂缝-土壤接触面的反射系数，监测雷达发出的第一信号与接收到的第二信号之间的变化。

较佳地，在上述步骤4中还包括步骤41：

不断调整采样时窗、叠加次数及采样率，在每条探测线5上重复探测不少于3次。操作时，两个工作人员以等步距匀速的发射天线和接收天线，尽量避免陡动现象的出现，雷达主机操作人员在雷达主机61上标注测线的起始位置，不断调整采样时窗、叠加次数以及采样率等采样参数，每组相同的采样参数条件，重复探测3次，以期获得最佳的雷达信号数据或图像数据。

较佳地，探测雷达6的中心频率在50MHZ—200MHZ之间。根据被探测区域土壤含量等质地信息，在兼顾探测深度和探测精度的前提下，选择中心频率为50MHZ—200MHZ的探测雷达6作为信息获取的载体，且对于裂缝4探测，不能采用收发一体的天线系统，发射天线62和接收天线63应分离，发射天线62和接收天线63中心频率均在50MHZ—200MHZ之间。

较佳地，示踪剂7为能够增大与裂缝周围土体介电常数差异的金属粉或金属砂或石膏浆体。金属粉或金属砂的颗粒粒径在0.5mm-3mm之间。

示踪剂7可以选取对电磁波敏感的金属质地的粉、砂质材料，例如铁砂等，颗粒粒径应在0.5mm-3mm之间，利于将示踪剂7灌注入裂缝4。

由于上述金属粉或砂价格较高，也可以优选选择石膏浆体，降低使用成本。

较佳地，石膏浆体由标准石膏粉与自来水的混合物而成，标准石膏粉与自来水的质量比在1:1-3:2之间。即，石膏浆体由标准石膏粉与自来水按照质量比在1:1-3:2之间任意组合混合而成。石膏浆体价格低廉，可以大大地降低探测成本。

较佳地，如图3-4所示，探测线5与待探测的裂缝4平行，且探测线5的长度大于待探测的裂缝4的长度。根据被灌注的裂缝4的长度，平行于裂缝4两侧布设等间距的探测线5，探测线5的长度大于待探测的裂缝4的长度。优选地，探测线5的长度约为裂缝4的2倍，探测线5的起始端分别超出灌注裂缝4长度的一半，提高探测精度。

较佳地，在待探测的裂缝4的每侧布置有至少3条探测线5，其中探测线5中距离待探测的裂缝4最远距离不超过1m。探测线5距离裂缝4的最远距离不宜超过1m，每侧布设不少于3条探测线4，可以更好地探测出裂缝状态。

本发明提供的一种采煤地表裂缝形态的探测方法，通过向裂缝中灌注对电磁波敏感的示踪剂，人为增大地裂缝与周围土体的电性差异，利用高频探测雷达系统，较为准确的实现地裂缝形态的获取，为矿区地裂缝的充填修复措施和方案提供科学的依据。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

一种采煤地表裂缝形态的探测方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。