劉博文王 俊李 偉丁鑫品張建平王 維

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司礦山安全技術(shù)研究分院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市朝陽區(qū),100013)

綜合探測技術(shù)在露天煤礦群采空區(qū)中的應(yīng)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(xué)技術(shù)研究院有限公司礦山安全技術(shù)研究分院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市朝陽區(qū),100013)

國內(nèi)很多大型露天煤礦面臨著先前存留的小煤礦采空區(qū)的困擾,給露天礦帶來了很嚴(yán)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(jié)合的綜合探測技術(shù)對(duì)平朔東露天礦群采空區(qū)進(jìn)行了探測研究,提高了綜合探測精度,查明了該礦內(nèi)群采空區(qū)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(bǔ)了關(guān)于地下采空區(qū)的詳細(xì)資料,也為礦山正常生產(chǎn)提供了安全保障。

瞬變電磁法 采空區(qū) 露天礦 三維激光掃描 鉆探 綜合探測技術(shù)

我國一些大型露天煤礦普遍存在著先前遺留的采空區(qū),采空區(qū)達(dá)到一定規(guī)?；蛞欢〞r(shí)間后,就可能會(huì)發(fā)生大面積坍塌。而小煤礦的無序開采更是造成了采空區(qū)分布錯(cuò)綜復(fù)雜,給露天礦生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。因此,礦山迫切需要探明群采空區(qū)的分布范圍、形態(tài)等。

目前,我國采空區(qū)探測方法主要分為地面調(diào)查、物探和鉆探等。地面調(diào)查主要是搜集先前煤礦采掘相關(guān)圖紙、進(jìn)行地面裂縫調(diào)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(dá)法等,優(yōu)點(diǎn)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(shù)最開始是由蘇聯(lián)學(xué)者提出,20世紀(jì)八九十年代引入中國,在礦產(chǎn)資源勘查、地下水調(diào)查、采空區(qū)勘查等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。然而,由于露天煤礦存在地勢高差大、測區(qū)車輛過往頻繁、工作區(qū)高壓直流電等特殊條件,所以瞬變電磁技術(shù)在露天礦采空區(qū)勘查中應(yīng)用較少。近年來三維激光掃描已應(yīng)用于金屬礦山采空區(qū)探測,而首次在露天煤礦應(yīng)用便取得了成功。

論文論述了瞬變電磁技術(shù)和三維激光掃描在平朔東露天礦采空區(qū)探測中的應(yīng)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(qū)的三維形態(tài)、邊界條件和空區(qū)走向等,直觀、快速、精確,為煤礦生產(chǎn)提供了安全保障,具有廣闊的應(yīng)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(qū)。全礦區(qū)主要可采煤層為4＃、9＃、11＃煤層,可采儲(chǔ)量巨大。該礦區(qū)井田范圍內(nèi)曾經(jīng)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(hù)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng),回采率低,遺留有大量未塌落的采空區(qū),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(qū)的精確分布、體積和邊界條件,對(duì)露天礦的安全開采至關(guān)重要。

2 綜合探測技術(shù)

2.1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法簡稱TEM,其機(jī)理就是利用一個(gè)不接地的回線或磁偶極子向地下發(fā)射脈沖磁場,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,脈沖電磁波結(jié)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(biāo)體在一次場的作用下內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流而形成的。這種渦流有空間和時(shí)間特性,大小與目標(biāo)體的空間和電性特征、激發(fā)場的特征等因素有關(guān),由于熱損耗的緣故會(huì)逐漸減弱直至消失。通過利用專門儀器觀測二次磁場的時(shí)空變化特征,可以推測解譯地質(zhì)目標(biāo)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(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)集成的精密儀器產(chǎn)品,能夠通過非接觸主動(dòng)測量的方式快速獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù),并可快速建立其三維可視化模型。相比傳統(tǒng)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(diǎn),廣泛應(yīng)用于土木工程、工業(yè)測量、空區(qū)測量、建筑測量等領(lǐng)域。本次現(xiàn)場探測應(yīng)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(fā)射到前面的某個(gè)目標(biāo)后反射回來,用高速電子電路測定光線發(fā)出到返回所經(jīng)歷的時(shí)間,并以此測定光源至目標(biāo)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(shù)

根據(jù)上述采空區(qū)探測方法的特點(diǎn)和適用性,結(jié)合平朔東露天煤礦地形起伏大、車輛運(yùn)行頻繁、電鏟等高壓電設(shè)備較多等特殊情況,提出了瞬變電磁先行、鉆探驗(yàn)證、三維激光定量的綜合探測技術(shù),具體如下:結(jié)合該礦地質(zhì)地形特征、已有采空區(qū)資料和采空區(qū)地球物理特征等,首先對(duì)首采區(qū)工作幫區(qū)域進(jìn)行了瞬變電磁法勘探,圈定出采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域;然后結(jié)合已有地質(zhì)資料,在特定區(qū)域進(jìn)行鉆探,一方面是驗(yàn)證瞬變電磁解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性,另一方面是查明采空區(qū)埋深、高度、上覆巖層發(fā)育情況等;最后在已探明采空區(qū)的鉆孔進(jìn)行三維激光掃描,查明采空區(qū)的形狀、大小、走向等,便于礦方現(xiàn)場及時(shí)地、準(zhǔn)確地圈定出危險(xiǎn)區(qū)域,并及時(shí)進(jìn)行采空區(qū)爆破、填埋等治理。該綜合探測技術(shù)在平朔東露天煤礦取得成功應(yīng)用,得到了礦方的高度認(rèn)可。

3 現(xiàn)場綜合探測結(jié)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(chǎn)的PROTEM瞬變電磁儀,該儀器具有關(guān)斷時(shí)間短、信息量大、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、信噪比高、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。瞬變電磁測網(wǎng)設(shè)計(jì)為20 m×20 m(即線距20 m,點(diǎn)距20 m),采集參數(shù)如下:裝置為定源回線;發(fā)射外框大小為180 m ×180 m;發(fā)射頻率為25 Hz;發(fā)射電流為8A;關(guān)斷時(shí)間為45μs;探測盲區(qū)約20 m。共完成測線68條,測線總長度18800 m,總物理點(diǎn)1012個(gè)。由于受現(xiàn)場工作平盤條件的限制,測線長度不等。測線測點(diǎn)布置在工作幫自營剝采區(qū)。

對(duì)各測線的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)反演得到的視電阻率—深度數(shù)據(jù),提取了4＃煤層底板等高線附近標(biāo)高的視電阻率平面圖。由于該礦區(qū)采空區(qū)基本不含水,故采空區(qū)異常顯示為局部高阻異常。根據(jù)異常變化的連續(xù)性推斷地質(zhì)異常體的賦存情況,并基于地表地形和地質(zhì)資料,圈定出了4＃煤層的采空區(qū)范圍。本文對(duì)S36測線進(jìn)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(qū)域內(nèi)存在高壓電和大型機(jī)械設(shè)備,對(duì)瞬變電磁的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾,一些強(qiáng)干擾即使經(jīng)過后期處理也無法完全消除。這些干擾參與反演后可能會(huì)在視電阻率剖面圖上形成虛假異常,也可能會(huì)掩蓋目標(biāo)地質(zhì)體的異常使其無法在視電阻率剖面圖上呈現(xiàn)。受當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的限制,尚不能完全消除或彌補(bǔ)其影響。本次探測的受干擾區(qū)域在斷面圖中進(jìn)行了標(biāo)注。

圖3顯示在橫軸580～610 m、標(biāo)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(jù)視電阻率斷面圖推斷該空洞是由于4＃煤層采空區(qū)頂板冒落形成;在橫軸680～710 m、標(biāo)高＋1260 m上下存在一高阻異常,由于該位置現(xiàn)場有高壓電流,故推斷該異?？赡苡筛邏弘姼蓴_引起;在橫軸740～840 m、標(biāo)高＋1240 m上下存在一處高阻異常,根據(jù)地質(zhì)及采掘資料綜合推斷該異常由采空區(qū)引起。

東露天礦區(qū)煤層呈近水平分布,首采區(qū)4＃煤層底板標(biāo)高約為＋1240～＋1250 m,因此抽取了＋1240 m標(biāo)高的視電阻率平面圖,并布置于礦區(qū)平面圖中,如圖4所示,圖中圈定陰影區(qū)域?yàn)樗沧冸姶盘綔y區(qū)域,深色區(qū)域表示高阻異常區(qū)。探測區(qū)域內(nèi)存在多處高阻異常,＋1240 m標(biāo)高高阻異常區(qū)域主要集中在探測區(qū)域的中部,而該塊區(qū)域?yàn)闁|露天礦西工作幫,多臺(tái)重型電鏟、牙輪鉆機(jī)及930E卡車正在作業(yè),存在巨大安全隱患,因此后續(xù)鉆探和三維激光掃描精確探測迫在眉睫。

3.2 鉆探驗(yàn)證

經(jīng)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(qū)域,從而說明瞬變電磁技術(shù)在露天煤礦應(yīng)用具有較高的準(zhǔn)確性。

為了排除該礦工作幫物探異常、驗(yàn)證瞬變電磁成果的準(zhǔn)確性,同時(shí)為采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及治理等工作的及時(shí)開展提供先決條件,以瞬變電磁勘探成果為基礎(chǔ),結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)、采掘工程、鉆探、水文及采空區(qū)調(diào)查等資料,在異常區(qū)內(nèi)布置了多個(gè)驗(yàn)證鉆孔,驗(yàn)證孔揭露采空區(qū)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(yàn)證鉆孔布置的科學(xué)性。

圖4 ＋1240 m標(biāo)高視電阻率平面圖

圖5 東露天礦采空區(qū)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(chǔ)上開展的采空區(qū)探測,查明了東露天礦范圍內(nèi)多處采空區(qū)的形態(tài)、體積、走向等參數(shù),其最大特點(diǎn)是直觀、精確、快速,直接指導(dǎo)露天礦現(xiàn)場的爆破設(shè)計(jì)或充填設(shè)計(jì),提高了爆破和充填效果,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

經(jīng)過三維激光掃描,共精確定位了多個(gè)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?？涨环植既鐖D5所示,圖中圈定區(qū)域?yàn)樗沧冸姶磐茢嗖煽諈^(qū),黑色塊狀區(qū)域?yàn)槿S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(qū)。

以圖5中6號(hào)掃描空腔為例進(jìn)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?shù)装宕垢咂骄s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(jìn)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(diǎn);然而引入三維激光掃描后,僅僅需要一個(gè)鉆孔便實(shí)現(xiàn)了空腔的可視化,準(zhǔn)確地確定了空腔的邊界條件、體積參數(shù),同時(shí)也形象、直觀地指導(dǎo)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(hào)空腔體三維模型

3.4 綜合探測技術(shù)應(yīng)用效果分析

該綜合探測技術(shù)從探測范圍上實(shí)現(xiàn)了由瞬變電磁的面式探測到三維激光掃描的點(diǎn)式探測,探測精度上更是實(shí)現(xiàn)了由粗至細(xì)。礦方根據(jù)探測成果,及時(shí)地進(jìn)行爆破或充填設(shè)計(jì),提高了爆破與充填效果,保證了現(xiàn)場作業(yè)人員及大型設(shè)備的安全,安全效益顯著。

4 結(jié)論

采用瞬變電磁法、鉆探探測和三維激光掃描相結(jié)合的綜合探測技術(shù)對(duì)平朔東露天礦群采空區(qū)進(jìn)行探測研究,依次查明了礦區(qū)內(nèi)群采空區(qū)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(shí)時(shí)、高效地指導(dǎo)了礦方生產(chǎn);同時(shí)為礦方排除了采空區(qū)安全隱患,安全效益顯著。該綜合探測技術(shù)在平朔東露天礦取得了成功應(yīng)用,成功經(jīng)驗(yàn)值得國內(nèi)外類似礦山廣泛借鑒。

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(責(zé)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(qū)治理、邊坡工程等研究。