余樂(lè)文 戰(zhàn) 凱 張 達(dá)

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628)

采用空?qǐng)霾傻V法形成的大量采空區(qū)嚴(yán)重威脅著礦山的安全生產(chǎn)、工程建設(shè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)，易造成冒落、地表塌陷等災(zāi)害[1-2]。由于技術(shù)手段、歷史遺留等原因，大多采空區(qū)未進(jìn)行有效的處理，由于采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、穩(wěn)定性難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，因此，準(zhǔn)確地探測(cè)地下采空區(qū)位置和三維形態(tài)異常重要。

某礦山露天開(kāi)采范圍內(nèi)存在數(shù)量眾多、形態(tài)各異、位置不明的自采空區(qū)及民采空區(qū)，對(duì)露天開(kāi)采作業(yè)安全及最終邊坡的穩(wěn)定構(gòu)成了影響，亟需開(kāi)展淺部采空區(qū)群綜合探測(cè)工作。針對(duì)采空區(qū)群探測(cè)，本文提出了一種基于地面物理探測(cè)—三維激光掃描綜合探測(cè)方法，探測(cè)出采空區(qū)精確位置和形狀。

1 項(xiàng)目概況

據(jù)礦山現(xiàn)有資料可知，露天開(kāi)采的對(duì)象為8號(hào)勘探線(xiàn)以北、143 m中段以上的Ⅱ、Ⅲ號(hào)脈殘礦及低品位礦石，因此，探測(cè)目標(biāo)為確定103 m中段以上露采范圍內(nèi)的井下空區(qū)群的分布、形態(tài)、大小等特征信息。由于地面塌陷的原因，上部中段的大部分空區(qū)進(jìn)不去，未垮塌可進(jìn)入的空區(qū)數(shù)有限，因此分步驟實(shí)施：一是未知采空區(qū)群地面地球物理探測(cè)工作，根據(jù)物探反演結(jié)果、各中段平面圖、勘探線(xiàn)剖面圖圈定采空區(qū)位置；二是基于三維激光掃描技術(shù)精確探測(cè)采空區(qū)形態(tài)、大小及分布等信息。

1.1 地面地球物理探測(cè)方法

目前采空區(qū)地球物理探測(cè)方法主要包括常規(guī)電阻率法、淺層地震法、微重力法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、高密度電法等[3-6]。瞬變電磁法具有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是該方法是二次場(chǎng)即純異常場(chǎng)，克服了復(fù)雜的一次場(chǎng)補(bǔ)償問(wèn)題，同時(shí)受地形影響小，探測(cè)效果更明顯，原始數(shù)據(jù)的保真度更高；二是該方法是時(shí)域方法，對(duì)于導(dǎo)電圍巖和導(dǎo)電覆蓋層的分辨能力優(yōu)于頻域方法；三是該方法操作簡(jiǎn)單、效率高，適合勘探工作的需要。本文采用瞬變電磁法初步探測(cè)未知采空區(qū)群。瞬變電磁法是采用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線(xiàn)向地下發(fā)射一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間(斷電后)，測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況。由于是在沒(méi)有一次場(chǎng)背景的情形下觀測(cè)純二次場(chǎng)異常，因而測(cè)量數(shù)據(jù)更可靠，工作原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁法(TEM)工作原理Fig.1 The principle of transient electromagnetic method(TEM)

1.2 三維激光探測(cè)方法

三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、高精度、高效率、測(cè)距遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于礦山地下空間探測(cè)領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)礦山地下空間探測(cè)產(chǎn)品主要包括加拿大CMS系統(tǒng)和礦冶科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的BLSS-PE三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)等[7-10]。本文采用自主研發(fā)的BLSS-PE三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量采空區(qū)精確形態(tài)，該系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 BLSS-PE系統(tǒng)組成Fig.2 The composition of BLSS-PE

BLSS-PE三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)包括掃描主機(jī)、控制器、延長(zhǎng)桿和三維激光掃描與分析軟件系統(tǒng)，通過(guò)激光發(fā)射到接收之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算測(cè)量距離，空間任意P點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式如下：

(1)

距離S計(jì)算方程為：

(2)

式中，α—每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值，θ—縱向掃描角度觀測(cè)值，c—激光在大氣中的傳播速度，t—激光在待測(cè)距離上的往返傳播時(shí)間，如圖3所示。

圖3 計(jì)算原理Fig.3 Calculation principle

2 試驗(yàn)應(yīng)用

瞬變電磁法的數(shù)據(jù)處理步驟包括濾波、時(shí)深轉(zhuǎn)換以及繪制參數(shù)圖件等[11]。通過(guò)瞬變電磁法對(duì)露天坑區(qū)域采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，查明了有效探測(cè)空間范圍內(nèi)的地質(zhì)異常區(qū)域，通過(guò)與有限的原始資料進(jìn)行比較分析，推斷并解釋了探測(cè)范圍內(nèi)的采空區(qū)異常。該方法探測(cè)采空區(qū)在三維軟件中進(jìn)行實(shí)體模型重建，如圖4所示。

圖4 瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果Fig.4 TEM detection results

采用BLSS-PE三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)183 m中段、143 m中段、103 m中段進(jìn)行精確探測(cè)，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、抽稀、特征點(diǎn)識(shí)別、點(diǎn)云配準(zhǔn)等步驟，采空區(qū)點(diǎn)云模型如圖5所示。

圖5 三維激光掃描結(jié)果Fig.5 3D laser scanning results

通過(guò)瞬變電磁法，對(duì)露天開(kāi)采范圍內(nèi)103 m中段以上的地下空間進(jìn)行探測(cè)，采用三維建模軟件對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行展示，如圖6所示。紅色圖例為223 m中段以上采空區(qū)群，綠色圖例為103～223 m中段之間的采空區(qū)群，紫色圖例為103 m中段以上貫通的采空區(qū)群。黃色圖例為3D激光掃描測(cè)量得到的采空區(qū)三維形態(tài)和位置。

圖6 采空區(qū)群分布模型圖Fig.6 Distribution model of cavity group

采用瞬變電磁法和三維激光掃描法對(duì)地下空間進(jìn)行綜合探測(cè)，共測(cè)得223 m中段以上的采空區(qū)34個(gè)，體積為895 869.623 m3；223～103 m中段的采空區(qū)87個(gè)，體積為489 287.126 m3，與設(shè)計(jì)資料相符。試驗(yàn)結(jié)果表明，瞬變電磁—三維激光掃描綜合探測(cè)法可為地下采空區(qū)群探測(cè)提供有效手段。

3 結(jié)論

1)根據(jù)露采范圍內(nèi)地質(zhì)地形、巖層電性、勘測(cè)深度等因素，結(jié)合地表地球物理勘測(cè)試驗(yàn)，確定了采用瞬變電磁法勘測(cè)、采空區(qū)異常解釋原則及物探工作參數(shù)，對(duì)223 m中段以上采空區(qū)進(jìn)行地球物理勘測(cè)；查明了露天開(kāi)采范圍內(nèi)103 m中段以上采空區(qū)的空間分布情況。

2)通過(guò)綜合探測(cè)技術(shù)共得到大小空區(qū)數(shù)121個(gè)，總體積達(dá)1 385 156.749 m3，為后期礦山安全開(kāi)采提供數(shù)據(jù)支撐。瞬變電磁—三維激光掃描綜合探測(cè)法可有效探測(cè)地下采空區(qū)群形態(tài)。