綜合探測技術在露天煤礦群采空區中的應用

劉博文王 俊李 偉丁鑫品張建平王 維

(1.煤炭科學技術研究院有限公司礦山安全技術研究分院,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭科學研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區,100013)

綜合探測技術在露天煤礦群采空區中的應用

劉博文1,2王 俊1,2李 偉1,2丁鑫品1,2張建平1,2王 維1,2

(1.煤炭科學技術研究院有限公司礦山安全技術研究分院,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭科學研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區,100013)

國內很多大型露天煤礦面臨著先前存留的小煤礦采空區的困擾,給露天礦帶來了很嚴重的安全隱患。首次采用瞬變電磁法、鉆探和三維激光掃描相結合的綜合探測技術對平朔東露天礦群采空區進行了探測研究,提高了綜合探測精度,查明了該礦內群采空區的分布范圍、埋深、空腔形狀、大小、走向等。為平朔東露天礦填補了關于地下采空區的詳細資料,也為礦山正常生產提供了安全保障。

瞬變電磁法 采空區 露天礦 三維激光掃描 鉆探 綜合探測技術

我國一些大型露天煤礦普遍存在著先前遺留的采空區,采空區達到一定規模或一定時間后,就可能會發生大面積坍塌。而小煤礦的無序開采更是造成了采空區分布錯綜復雜,給露天礦生產帶來了極大的安全隱患。因此,礦山迫切需要探明群采空區的分布范圍、形態等。

目前,我國采空區探測方法主要分為地面調查、物探和鉆探等。地面調查主要是搜集先前煤礦采掘相關圖紙、進行地面裂縫調查等,成本低,但精度不高;物探方法主要有電法勘探、三維地震法、探地雷達法等,優點是速度快、范圍大,但存在多解性;鉆探方法直觀而且精度高,但速度慢、成本高。

瞬變電磁技術最開始是由蘇聯學者提出,20世紀八九十年代引入中國,在礦產資源勘查、地下水調查、采空區勘查等領域應用比較廣泛。然而,由于露天煤礦存在地勢高差大、測區車輛過往頻繁、工作區高壓直流電等特殊條件,所以瞬變電磁技術在露天礦采空區勘查中應用較少。近年來三維激光掃描已應用于金屬礦山采空區探測,而首次在露天煤礦應用便取得了成功。

論文論述了瞬變電磁技術和三維激光掃描在平朔東露天礦采空區探測中的應用,瞬變電磁取得了比較理想的解譯成果,而三維激光掃描直接探測出采空區的三維形態、邊界條件和空區走向等,直觀、快速、精確,為煤礦生產提供了安全保障,具有廣闊的應用前景。

1 工程概況

平朔東露天礦位于寧武煤田,隸屬于朔州市平魯區。全礦區主要可采煤層為4＃、9＃、11＃煤層,可采儲量巨大。該礦區井田范圍內曾經存在幾座井工煤礦,全部采用的是房柱式開采,沒有完整的支護系統和通風系統,回采率低,遺留有大量未塌落的采空區,給露天礦開采帶來了巨大的安全隱患。因此,查明露天礦下部采空區的精確分布、體積和邊界條件,對露天礦的安全開采至關重要。

2 綜合探測技術

2.1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法簡稱TEM,其機理就是利用一個不接地的回線或磁偶極子向地下發射脈沖磁場,根據法拉第電磁感應定律,脈沖電磁波結束以后,利用接地線圈接收二次磁場,該二次磁場是由大地或探測目標體在一次場的作用下內部產生感生渦流而形成的。這種渦流有空間和時間特性,大小與目標體的空間和電性特征、激發場的特征等因素有關,由于熱損耗的緣故會逐漸減弱直至消失。通過利用專門儀器觀測二次磁場的時空變化特征,可以推測解譯地質目標體的幾何和物性特征。瞬變電磁原理示意見圖1。

圖1 TEM工作原理示意圖

2.2 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描儀是一種新型的測量儀器,它是基于激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器技術等多種技術集成的精密儀器產品,能夠通過非接觸主動測量的方式快速獲取空間點云數據,并可快速建立其三維可視化模型。相比傳統的全站儀等測量儀器,三維激光掃描儀具有效率高、獲取的測量信息豐富等特點,廣泛應用于土木工程、工業測量、空區測量、建筑測量等領域。本次現場探測應用英國MDL公司的C-ALS鉆孔式三維激光掃描儀,其工作原理是依靠激光定位,光線從光源發射到前面的某個目標后反射回來,用高速電子電路測定光線發出到返回所經歷的時間,并以此測定光源至目標的距離。

圖2 C-ALS掃描儀工作原理示意圖

2.3 綜合探測技術

根據上述采空區探測方法的特點和適用性,結合平朔東露天煤礦地形起伏大、車輛運行頻繁、電鏟等高壓電設備較多等特殊情況,提出了瞬變電磁先行、鉆探驗證、三維激光定量的綜合探測技術,具體如下:結合該礦地質地形特征、已有采空區資料和采空區地球物理特征等,首先對首采區工作幫區域進行了瞬變電磁法勘探,圈定出采空區危險區域;然后結合已有地質資料,在特定區域進行鉆探,一方面是驗證瞬變電磁解譯結果的準確性,另一方面是查明采空區埋深、高度、上覆巖層發育情況等;最后在已探明采空區的鉆孔進行三維激光掃描,查明采空區的形狀、大小、走向等,便于礦方現場及時地、準確地圈定出危險區域,并及時進行采空區爆破、填埋等治理。該綜合探測技術在平朔東露天煤礦取得成功應用,得到了礦方的高度認可。

3 現場綜合探測結果分析

3.1 瞬變電磁法分析

本次瞬變電磁法勘探使用的是加拿大Geonics公司生產的PROTEM瞬變電磁儀,該儀器具有關斷時間短、信息量大、分辨率高、動態范圍大、信噪比高、穩定性高等特點。瞬變電磁測網設計為20 m×20 m(即線距20 m,點距20 m),采集參數如下:裝置為定源回線;發射外框大小為180 m ×180 m;發射頻率為25 Hz;發射電流為8A;關斷時間為45μs;探測盲區約20 m。共完成測線68條,測線總長度18800 m,總物理點1012個。由于受現場工作平盤條件的限制,測線長度不等。測線測點布置在工作幫自營剝采區。

對各測線的數據進行處理和分析后,形成了各測線的視電阻率斷面圖。然后,根據反演得到的視電阻率—深度數據,提取了4＃煤層底板等高線附近標高的視電阻率平面圖。由于該礦區采空區基本不含水,故采空區異常顯示為局部高阻異常。根據異常變化的連續性推斷地質異常體的賦存情況,并基于地表地形和地質資料,圈定出了4＃煤層的采空區范圍。本文對S36測線進行了解譯,其視電阻率綜合斷面圖見圖3。

圖3 S36線視電阻率綜合斷面圖

S36測線全長380 m,方向NE53°。由于露天礦探測區域內存在高壓電和大型機械設備,對瞬變電磁的數據產生干擾,一些強干擾即使經過后期處理也無法完全消除。這些干擾參與反演后可能會在視電阻率剖面圖上形成虛假異常,也可能會掩蓋目標地質體的異常使其無法在視電阻率剖面圖上呈現。受當前技術發展水平的限制,尚不能完全消除或彌補其影響。本次探測的受干擾區域在斷面圖中進行了標注。

圖3顯示在橫軸580～610 m、標高＋1250 m上下存在一高阻異常,而礦方布置的鉆孔在該位置揭露了空洞,因此根據視電阻率斷面圖推斷該空洞是由于4＃煤層采空區頂板冒落形成;在橫軸680～710 m、標高＋1260 m上下存在一高阻異常,由于該位置現場有高壓電流,故推斷該異常可能由高壓電干擾引起;在橫軸740～840 m、標高＋1240 m上下存在一處高阻異常,根據地質及采掘資料綜合推斷該異常由采空區引起。

東露天礦區煤層呈近水平分布,首采區4＃煤層底板標高約為＋1240～＋1250 m,因此抽取了＋1240 m標高的視電阻率平面圖,并布置于礦區平面圖中,如圖4所示,圖中圈定陰影區域為瞬變電磁探測區域,深色區域表示高阻異常區。探測區域內存在多處高阻異常,＋1240 m標高高阻異常區域主要集中在探測區域的中部,而該塊區域為東露天礦西工作幫,多臺重型電鏟、牙輪鉆機及930E卡車正在作業,存在巨大安全隱患,因此后續鉆探和三維激光掃描精確探測迫在眉睫。

3.2 鉆探驗證

經查看該礦鉆探資料得知,絕大部分揭露空洞的鉆孔均位于高阻異常區域,從而說明瞬變電磁技術在露天煤礦應用具有較高的準確性。

為了排除該礦工作幫物探異常、驗證瞬變電磁成果的準確性,同時為采空區穩定性評價及治理等工作的及時開展提供先決條件,以瞬變電磁勘探成果為基礎,結合礦區地質、采掘工程、鉆探、水文及采空區調查等資料,在異常區內布置了多個驗證鉆孔,驗證孔揭露采空區的概率約為51.6%,在一定程度上證明了物探成果的可靠性與驗證鉆孔布置的科學性。

圖4 ＋1240 m標高視電阻率平面圖

圖5 東露天礦采空區探測成果

3.3 三維激光掃描分析

三維激光掃描是建立在瞬變電磁勘探和鉆探的基礎上開展的采空區探測,查明了東露天礦范圍內多處采空區的形態、體積、走向等參數,其最大特點是直觀、精確、快速,直接指導露天礦現場的爆破設計或充填設計,提高了爆破和充填效果,經濟、社會效益顯著。

經過三維激光掃描,共精確定位了多個空腔,跨度范圍集中在15～30 m之間,最大跨度約為40 m,空腔高度范圍集中在10～15m之間,最大高度為25.6 m,空腔體積集中在500～3500 m3之間,空腔最大值約為7000 m3。空腔分布如圖5所示,圖中圈定區域為瞬變電磁推斷采空區,黑色塊狀區域為三維激光掃描空腔。鉆孔探測的空腔基本都位于物探推斷采空區。

以圖5中6號掃描空腔為例進行分析,如圖6所示。該次掃描揭露空腔平面輪廓呈東西方向分布,空腔的長軸約40 m,最短軸約15 m,空腔頂底板垂高平均約為12 m,空腔頂板近水平;已探明空腔部分總體積約為3030 m3。若不進行三維激光掃描,在該空腔體的探測過程中,礦方需在其上方密集施工若干鉆孔來確定其分布范圍,存在施工量大、盲目性等缺點;然而引入三維激光掃描后,僅僅需要一個鉆孔便實現了空腔的可視化,準確地確定了空腔的邊界條件、體積參數,同時也形象、直觀地指導穿孔、爆破,極大降低了穿爆成本,提高了穿爆效率。

圖6 1320平盤6號空腔體三維模型

3.4 綜合探測技術應用效果分析

該綜合探測技術從探測范圍上實現了由瞬變電磁的面式探測到三維激光掃描的點式探測,探測精度上更是實現了由粗至細。礦方根據探測成果,及時地進行爆破或充填設計,提高了爆破與充填效果,保證了現場作業人員及大型設備的安全,安全效益顯著。

4 結論

采用瞬變電磁法、鉆探探測和三維激光掃描相結合的綜合探測技術對平朔東露天礦群采空區進行探測研究,依次查明了礦區內群采空區的分布范圍、埋深、空腔形狀、大小、走向等,幾種探測方法相互配合,極大地提高了綜合探測精度,實時、高效地指導了礦方生產;同時為礦方排除了采空區安全隱患,安全效益顯著。該綜合探測技術在平朔東露天礦取得了成功應用,成功經驗值得國內外類似礦山廣泛借鑒。

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(責任編輯 郭東芝)

Application of composite detection technology in group goafs of open-pit coal mine

Liu Bowen1,2,Wang Jun1,2,Li Wei1,2,Ding Xinpin1,2,Zhang Jianping1,2,Wang Wei1,2
(1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resource Efficient Mining and Clean Utilization, China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Many large-scale open-pit coal mines are faced with the puzzle of small mine goafs retained previously,it brings very serious potential safety hazard for open-pit coal mines.For the first time,the composite detection technology by combining transient electromagnetic method, drilling and three-dimensional laser scanner was applied to detect and research the group goafs in east Pingshuo open-pit mine,the composite technology improved the detecting precision,and found out the distribution range,burial depth,cavity shape,size and strike direction of group goafs.This research supplemented many details to group goafs in east Pingshuo open-pit mine, and provided safety guarantee for regular mining production.

transient electromagnetic method,goaf,open-pit mine,three-dimensional laser scanner,drilling,composite detection technology

P631

A

劉博文(1986－),漢族,河北唐山人,助理工程師,主要從事露天采礦、采空區治理、邊坡工程等研究。