馬炳鎮(zhèn)，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(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719000）

近年來，煤炭工業(yè)發(fā)展規(guī)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(zhì)條件、隱伏地質(zhì)體精細描述與資源精細評價研究，以提升煤礦采區(qū)災(zāi)害地質(zhì)要素的探查精度和能力，實現(xiàn)精細化勘探為煤炭科技發(fā)展提供基礎(chǔ)保障，對避免或減少安全事故具有重要意義。

神府礦區(qū)存在較多的“房柱式”或“殘柱式”采空區(qū)。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(jié)束后留下不同形狀的房柱式采空區(qū)，形成了諸多隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，如采空區(qū)、積水區(qū)、頂?shù)装?、殘留煤柱、沖擊壓力等，嚴重影響著煤礦后續(xù)的安全生產(chǎn)[1]。要防范或治理以上致災(zāi)因素，就需要高精度勘查采空區(qū)具體邊界、頂板及圍巖穩(wěn)定性、積水量等參數(shù)，以保證煤礦安全生產(chǎn)。采空區(qū)勘查常用的方法有調(diào)查訪問、物探、化探和鉆探等[2]，以勘查采空區(qū)分布范圍、積水狀況等。不少機構(gòu)、專家學(xué)者對隱蔽采空區(qū)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(qū)進行綜合勘查，較為準確地獲得采空區(qū)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(qū)勘探中發(fā)展概況，提出從有效性和綜合性方面提高識別采空區(qū)的準確性，有針對性地對隱蔽采空區(qū)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(xué)規(guī)劃和有效管理，導(dǎo)致許多隱形老采空區(qū)采掘情況不清，常規(guī)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(qū)的具體參數(shù)，不能對復(fù)雜采空區(qū)進行高精度勘查。要實現(xiàn)房柱式采空區(qū)精準勘查，必須采用新方法技術(shù)。為此，先對房柱式采空區(qū)形成和賦存特征進行調(diào)研，然后利用地面物探精細成像技術(shù)圈定房柱式采空區(qū)分布范圍[5-8]，為首個鉆孔提供靶區(qū)，指導(dǎo)鉆探快速揭露采空區(qū)；最后通過高精度孔中三維激光掃描技術(shù)[9-12]，以連續(xù)追蹤方式實現(xiàn)煤礦房柱式采空區(qū)高精度勘查。

1 工程概況

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

圖1 房柱式開采區(qū)段Fig.1 Room and pillar mining section

2-2煤層設(shè)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(qū)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(qū)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(shù)、采空區(qū)頂板及圍巖穩(wěn)定性、2-2煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)、采空區(qū)積水情況等均需精確查明，在二盤區(qū)內(nèi)選取2 個重點區(qū)塊進行研究，為1-2煤層安全“蹬空開采”技術(shù)研究提供依據(jù)。

2 大定源瞬變電磁法精細勘探技術(shù)

2.1 技術(shù)方法

瞬變電磁法精細勘查施工采用大定源裝置，發(fā)射框邊長為240 m×240 m，在框中心內(nèi)區(qū)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(yīng)影響；其次，利用已知地質(zhì)信息及先驗信息作為約束條件對數(shù)據(jù)進行反演，反演算法中目標函數(shù)由數(shù)據(jù)擬合項和約束項2 部分組成，其反演結(jié)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(shù)，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(xù)特征，其與2-2煤層房柱式采空區(qū)賦存特點有關(guān)，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(fā)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(guī)模明顯減小，利于鉆探孔位靶區(qū)選取。依據(jù)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(dǎo)鉆探快速揭露房柱式采空區(qū)，為高精度激光掃描進入采空區(qū)提供通道。

3 孔中三維激光掃描技術(shù)

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(fā)射1 個激光脈沖信號，經(jīng)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(nèi)，y 軸在橫向掃描面內(nèi)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?？赏ㄟ^鉆孔將探頭下放至空腔內(nèi)部，自動以360°無盲區(qū)的視角對空區(qū)進行三維掃描，取得高密度的“點云”數(shù)據(jù)，所得結(jié)果為三維可視的空腔內(nèi)部。

三維激光掃描系統(tǒng)具有水平掃描和垂直掃描2種方式，適應(yīng)于不同環(huán)境條件下的采空區(qū)探查。系統(tǒng)可通過最小65 mm 的孔洞入采空區(qū)內(nèi)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(xù)追蹤勘查技術(shù)

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(jié)特征，從橫、縱2 個方向的點云數(shù)據(jù)點立體展示房柱采空區(qū)的煤柱、煤壁、采空頂板、空腔等的空間展布形態(tài)特征?？煽闯鲢@孔位于2-2煤采空區(qū)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(xiàn)象，頂板穩(wěn)定性較好；煤柱側(cè)壁筆直，沒有出現(xiàn)片幫、垮落現(xiàn)象，保存相對較為完好。

根據(jù)單孔三維掃描成果，可直觀展示房柱式采空區(qū)局部結(jié)構(gòu)特征和延伸趨勢，沿采空區(qū)延伸方向、單孔掃描最大“視距”處在空區(qū)中軸位置布設(shè)下1 個鉆孔，通過連續(xù)追蹤布孔、依次推進的勘查技術(shù)思路，達到動態(tài)勘查、信息化探測。

3.3 綜合鉆孔掃描成果

精查2 區(qū)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(qū)采空參數(shù)統(tǒng)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(qū)采空參數(shù)統(tǒng)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(shù)接近采7 m留8 m 的采留比，通道的寬度與調(diào)查寬度5.5 m 有一定偏差，采空空腔的探測高度接近調(diào)查采高3.8 m。其采空頂板完好，未有明顯冒頂跡象。

對二區(qū)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(qū)激光掃描成像結(jié)果如圖8。圖8中彩色的實體為采空空腔的空間展布形態(tài)，可從空腔內(nèi)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(qū)激光掃描成像結(jié)果Fig.8 Laser scanning imaging results of zone 2

4 結(jié) 語

通過地面物探精細勘查技術(shù)，為鉆探首孔提供最佳靶區(qū)，解決了快速揭露規(guī)模小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜房柱式采空區(qū)的技術(shù)難題；采用孔中高精度三維激光掃描技術(shù)，實現(xiàn)對房柱式采空區(qū)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(shù)的各自優(yōu)勢，在地面物探精細勘查技術(shù)基礎(chǔ)上，減少了現(xiàn)有勘查技術(shù)中鉆探揭露房柱式采空區(qū)的盲目性和不確定性，提高了鉆探命中率；地面物探結(jié)合孔中高精度掃描技術(shù)有效解決了常規(guī)勘探方法探測煤礦房柱式采空區(qū)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(qū)邊界、開采具體參數(shù)、頂板及圍巖穩(wěn)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(shù)方法的有效、可行，可在類似的房柱采空區(qū)探查中推廣應(yīng)用。