[发明专利]一种探测地下空腔体积的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于地质和探测领域，涉及一种探测地下空腔体积的方法和装置。

背景技术

煤炭地下气化技术是一种将埋藏在地下的煤炭进行直接的有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用，产生可燃气体的方法，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点。气化结束后，原有煤层经气化开采形成燃空区。

油页岩是指干酪根含量高，并可以分馏出相当量石油的细粒沉积岩，灰分的质量分数大于40％，含油率在3.5％-30％之间的固体可燃有机。油页岩和煤的区别在于它的灰分质量分数大于40％。油页岩必须经加热才能从中释放出烃类气体和液体。目前的开采思路之一是提高地下燃烧过程的热分解效率和采收率，加热开采后也会形成燃空区。

无论是煤炭地下气化还是油页岩以及其他含碳有机质的开采所形成的燃空区，都会残留着加热、气化过程中产生的污染性副产物——含有砷、汞等有毒金属离子的煤灰或气化残渣，以及多环芳烃等有机物。随着时间推移，煤层水等会渗入并充满整个燃空区，这些污染物会随水体迁移扩散，造成邻近地层水源的污染。为了准确掌握燃空区中的污染物种类以及量，燃空区体积成为必要参数；另外，气化后形成的燃空区可能造成地表沉降，在气化后需要经过必要的充填处理，为了确定充填工艺以及充填材料用量，燃空区体积也成为必要参数之一。因此，燃空区体积的精确测定非常重要。

然而，尽管水文学上测量通道渗漏的方法很多，尚未涉及地下空腔例如燃空区的体积的探测，且大多用于原始地质构造状况下进行测量，在破坏后的地质构造并存在复杂吸附介质(特别是强吸附介质，例如气化残留物，即煤灰或气化残渣)状态下针对体积探测并无有效的方法。现有的水文学方法不考虑周边环境介质对示踪剂的吸附影响，难以精确定量腔体体积，特别是在强吸附介质存在环境下没有考虑吸附对体积探测的影响，并且只是做路径、通道识别，通过水体自然流动带动示踪剂的迁移以满足需求，需要周期长、均衡性差、测试精度不足。

地质勘探系统中采用的三维地质技术能够实现燃空区体积探测。其主要是应用地震原理，采用相对示踪法，通过多条测线同时观测，进行面积性地震数据采集，得到三维数据体，从而详细了解地下三维地质结构，进行找矿和解决地质问题。

然而，目前三维地震技术存在如下不足：1、实施成本高、过程复杂：实施探测需要大量设施设备、软件硬件支持；实施过程涉及使用炸药、炮点钻孔构建等环节，相对较为复杂。2、风险性较大：由于其应用地震原理，需要埋设炸药引爆作为冲击波，冲击波可能对燃空区顶板造成破坏。3、有一定的局限性，随着燃空区深度增加，其探测精度等下降、探测难度加大(利用地震属性预测煤层厚度及古河流冲刷带的方法，中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，中国煤炭地质，2010年第10期；地震数据源的选择对于溶洞有效识别的效果分析，山东科技大学地质科学与工程学院；山东科技大学学报(自然科学版)，2010年第05期)。

因此，亟需一种操作简单、成本降低、测量准确、测量周期较短、并且无风险的地下空腔(例如燃空区)的体积探测方法，为煤炭地下气化等形成的燃空区的处理工艺提供必不可少的技术支撑。

发明内容

本发明人经过深入的研究和创造性的劳动，得到了一种探测地下空腔体积特别是燃空区体积的方法，本发明人惊奇地发现，该方法能够精确地测定地下空腔特别是燃空区的体积，并且周期短，重复性好、工艺简单且无风险。由此提供了下述发明：

本发明的一个方面涉及一种探测地下空腔体积的方法，包括如下步骤：

1)使所述地下空腔充满水或者所述空腔(地下空腔)中原本已经充满水；

2)向所述地下空腔中加入已知量为A₀mg的可检测试剂；

3)使步骤2)中的可检测试剂在水中分布均匀；

4)然后检测水中的可检测试剂的浓度C′mg/L；

5)根据下面的式子计算地下空腔中充满的水的体积V′，得到地下空腔的体积V：

V＝V′＝A₀/C′/1000m³。

上述步骤1)中，所述空腔为地下空腔，例如含碳有机质地下气化形成的空腔，特别是含碳有机质(例如煤炭或油页岩)气化后的燃空区。所述地下空腔，可以是全部或部分位于地平面或地面以下的空腔，优选全部位于地平面或地面以下的空腔，特别是空腔底部到地平面或地面的垂直距离大于或等于300米的地下空腔。对于燃空区，一般而言，在气化开采之后会充满水；也可以人工注满水。在本发明的一个实施方案中，所述空腔或燃空区距离地面垂直深度为300米(300米是指空腔底部至地面或地平面的距离)。