房柱式采空區高精度勘查技術

馬炳鎮，牛建立，白銘波，周竹峰

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719000）

近年來，煤炭工業發展規劃提出要求安全保障能力得到顯著提高。圍繞“煤田高精度勘探”開展地質條件、隱伏地質體精細描述與資源精細評價研究，以提升煤礦采區災害地質要素的探查精度和能力，實現精細化勘探為煤炭科技發展提供基礎保障，對避免或減少安全事故具有重要意義。

神府礦區存在較多的“房柱式”或“殘柱式”采空區。其采煤時劃分若干個煤房與煤柱，開采階段煤房和煤柱交替布置。煤層開采結束后留下不同形狀的房柱式采空區，形成了諸多隱蔽致災地質因素，如采空區、積水區、頂底板、殘留煤柱、沖擊壓力等，嚴重影響著煤礦后續的安全生產[1]。要防范或治理以上致災因素，就需要高精度勘查采空區具體邊界、頂板及圍巖穩定性、積水量等參數，以保證煤礦安全生產。采空區勘查常用的方法有調查訪問、物探、化探和鉆探等[2]，以勘查采空區分布范圍、積水狀況等。不少機構、專家學者對隱蔽采空區勘查做了大量工作，張俊英等[3]采用地表踏勘、物探、鉆探等手段對榆林市地方煤礦采空區進行綜合勘查，較為準確地獲得采空區的大致位置、分布范圍情況；薛國強等[4]綜述了地震法、瞬變電磁法、高密度電法、微動法、放射性法和探地雷達法等地球物理方法的煤礦采空區勘探中發展概況，提出從有效性和綜合性方面提高識別采空區的準確性，有針對性地對隱蔽采空區勘查方法進行多樣化研究。由于早期煤礦房柱式開采缺乏科學規劃和有效管理，導致許多隱形老采空區采掘情況不清，常規的物探（三維地震、瞬變電磁法、高密直流電法等）、化探及鉆探無法準確確定其采空邊界及殘留煤柱、采空區的具體參數，不能對復雜采空區進行高精度勘查。要實現房柱式采空區精準勘查，必須采用新方法技術。為此，先對房柱式采空區形成和賦存特征進行調研，然后利用地面物探精細成像技術圈定房柱式采空區分布范圍[5-8]，為首個鉆孔提供靶區，指導鉆探快速揭露采空區；最后通過高精度孔中三維激光掃描技術[9-12]，以連續追蹤方式實現煤礦房柱式采空區高精度勘查。

1 工程概況

神府礦區韓家灣煤礦屬侏羅系煤田，其煤層沉積穩定，埋深較淺、產狀平緩。建礦初期先對符合采掘條件的二盤區2-2煤層進行了全盤區開采（該煤層厚度平均為4.39 m，埋深約150 m，煤層結構單一，開采條件優越），但上部的1-2煤層未采動。根據調查、收集資料得知，該礦2-2煤層開采時間為2004—2009 年，生產能力為60 萬t/a，采用相對規則的小面依次推進采煤，采掘方式為房柱式，房柱式開采區段如圖1。

圖1 房柱式開采區段Fig.1 Room and pillar mining section

2-2煤層設計采高3.8 m，留采比近1∶1（采7 m留8 m）。其上覆1-2煤層平均厚度2 m，儲量大、開采價值極高，韓家灣煤礦擬開采二盤區1-2煤層，其與2-2煤層的平均間距24.7 m。為此，開采2 盤區1-2煤層面臨“蹬空開采”問題。因下伏2-2煤開采歷時較長，房柱式開采參數、采空區頂板及圍巖穩定性、2-2煤層頂底板巖石力學參數、采空區積水情況等均需精確查明，在二盤區內選取2 個重點區塊進行研究，為1-2煤層安全“蹬空開采”技術研究提供依據。

2 大定源瞬變電磁法精細勘探技術

2.1 技術方法

瞬變電磁法精細勘查施工采用大定源裝置，發射框邊長為240 m×240 m，在框中心內區4/9 面積進行信號采集，大回線源裝置形式示意圖如圖2。

圖2 大回線源裝置形式示意圖Fig.2 Schematic diagram of large loop source device

資料處理中首先考慮了測點偏移距，以消除邊框效應影響；其次，利用已知地質信息及先驗信息作為約束條件對數據進行反演，反演算法中目標函數由數據擬合項和約束項2 部分組成，其反演結果是兩者均達到極小值時的共同解，較大程度避免了反演過程中易陷入局部極小的缺陷，降低了反演的多解性，提高了反演解釋精度和可靠性。異常提取采用趨勢面分析技術，消除背景場不均一性的影響，突出弱異常，提高瞬變電磁法勘探能力和精度。

2.2 探測效果

反演前后斷面圖對比如圖3。

圖3 反演前后斷面圖對比Fig.3 Cross section comparison before and after inversion

圖3（a）為時間道-視電阻率擬斷面圖，早期為高阻，隨觀測時間的增加視電阻率逐漸降低，由早到晚電性呈“高-低”的變化趨勢，在水平距離900～1 200 m、時間道10～30 之間存有明顯的低阻異常，呈圈閉狀分布，等值線整體變化較為平緩。圖3（b）為反演電阻率斷面圖，橫向上電性變化很不均勻，電阻率呈高、低相間不連續特征，其與2-2煤層房柱式采空區賦存特點有關，可看出橫向分辨率明顯提高。48～50 號測點間處電阻率等值線發生扭曲、變形，呈明顯的低阻異常特征，相比原始時間道斷面低阻異常規模明顯減小，利于鉆探孔位靶區選取。依據場地施工條件，首孔（CK1-1 鉆孔）孔位定位49 號測點。首孔鉆進至90 m 時深度掉鉆，掉鉆2.8 m，指導鉆探快速揭露房柱式采空區，為高精度激光掃描進入采空區提供通道。

3 孔中三維激光掃描技術

3.1 工作原理

掃描點坐標計算原理如圖4。

圖4 掃描點坐標計算原理Fig.4 Calculation principle of scanning point

三維激光掃描儀發射1 個激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P 與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。x 軸在橫向掃描面內，y 軸在橫向掃描面內與x 軸垂直，z 軸與橫向掃描面垂直，獲取P 的坐標。

如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每1 個掃描點的三維坐標。可通過鉆孔將探頭下放至空腔內部，自動以360°無盲區的視角對空區進行三維掃描，取得高密度的“點云”數據，所得結果為三維可視的空腔內部。

三維激光掃描系統具有水平掃描和垂直掃描2種方式，適應于不同環境條件下的采空區探查。系統可通過最小65 mm 的孔洞入采空區內部進行掃描，精度誤差5 cm，最小角度分辨率0.1°，掃描速度為200 點/s，C-ALS 三維激光掃工作示意如圖5。

圖5 C-ALS 三維激光掃工作示意Fig.5 C-ALS 3D laser scanning

3.2 單孔掃描成果和連續追蹤勘查技術

單孔激光掃描三視點云圖如圖6。

圖6 單孔激光掃描三視點云圖Fig.6 Three view cloud images of single hole laser scanning

由水平掃描和垂直掃描2 種方式（以不同點云顏色來示意）得到，2 種掃描方式利于更高精度掃描采空及煤柱的細節特征，從橫、縱2 個方向的點云數據點立體展示房柱采空區的煤柱、煤壁、采空頂板、空腔等的空間展布形態特征。可看出鉆孔位于2-2煤采空區縱置通道中心處，縱置通道兩翼均為采煤房倉開口。掃描得到采煤縱置通道寬分別為6.68、9.36 m，空腔高為4.12 m。空腔的頂板較為平整，沒有垮落、冒頂現象，頂板穩定性較好；煤柱側壁筆直，沒有出現片幫、垮落現象，保存相對較為完好。

根據單孔三維掃描成果，可直觀展示房柱式采空區局部結構特征和延伸趨勢，沿采空區延伸方向、單孔掃描最大“視距”處在空區中軸位置布設下1 個鉆孔，通過連續追蹤布孔、依次推進的勘查技術思路，達到動態勘查、信息化探測。

3.3 綜合鉆孔掃描成果

精查2 區三維激光掃描共實施4 個鉆孔（CK2-2、CK2-3、CK2-4、CK2-6），綜合鉆孔激光掃描點云圖如圖7。精查2 區采空參數統計表見表1。

圖7 綜合鉆孔激光掃描點云圖Fig.7 Laser scanning point cloud of comprehensive drilling

表1 精查2 區采空參數統計表Table 1 Statistics of goaf parameters in zone 2

由表1 可以看出，煤柱及房倉參數接近采7 m留8 m 的采留比，通道的寬度與調查寬度5.5 m 有一定偏差，采空空腔的探測高度接近調查采高3.8 m。其采空頂板完好，未有明顯冒頂跡象。

對二區所有孔中三維激光掃描成果予以成像顯示，生成的精查2 區激光掃描成像結果如圖8。圖8中彩色的實體為采空空腔的空間展布形態，可從空腔內部可看出采空空腔頂、底板均較為平整，變化平緩；煤柱相間分布，煤壁完整性較好，頂板沒有垮落，完整程度較好。

圖8 精查2 區激光掃描成像結果Fig.8 Laser scanning imaging results of zone 2

4 結 語

通過地面物探精細勘查技術，為鉆探首孔提供最佳靶區，解決了快速揭露規模小、結構復雜房柱式采空區的技術難題；采用孔中高精度三維激光掃描技術，實現對房柱式采空區的高精度勘查。此次高精度勘查集成了地面和孔中探查技術的各自優勢，在地面物探精細勘查技術基礎上，減少了現有勘查技術中鉆探揭露房柱式采空區的盲目性和不確定性，提高了鉆探命中率；地面物探結合孔中高精度掃描技術有效解決了常規勘探方法探測煤礦房柱式采空區精度及能力不足的問題；通過孔中高精度探測方法，可對房柱式采空區邊界、開采具體參數、頂板及圍巖穩定性、積水情況要素進行高精度勘查；從探查成果來看，該高精度技術方法的有效、可行，可在類似的房柱采空區探查中推廣應用。