隐伏采空区弹性波CT 探测精度影响研究

2021-09-02彭府华

中国钨业 2021年2期

彭府华

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙 410012）

0 引言

由于受前期地下无序开采影响，导致目前我国有许多露天矿山存在地下隐伏采空区，如洛钼集团三道庄露天矿、金堆城汝阳公司东沟钼矿、广东大宝山矿、鞍钢弓长岭矿、太原袁家村铁矿等。这些采空区空间位置和形态分布不明，给矿山安全生产带来了严重的安全隐患。因此，如何实现隐伏采空区的精确探测是实现这类矿山安全生产的前提和关键[1-4]。目前国内外常用地球物理方法进行采空区探测，比如探地雷达法、瞬变电磁法、常规电法、浅层地震法、微重力法、高密度电法等，这类方法在实际应用过程中普遍存在探测准确性低等问题[5-12]。笔者结合国内外现有的采空区探测方法，通过在矿山多年的实践，总结了一种基于弹性波CT—钻孔探测—三维激光扫描技术的综合探测方法。该方法的总体思路为：首先在目标区域按一定的钻孔网度进行钻孔探测，然后利用施工的钻孔对目标区域进行采空区弹性波CT 初步探测，根据探测的结果，对疑似采空区区域再进行三维激光扫描精确探测。该方法具有探测精度高、探测成本低等优点[13]。

该综合探测方法成功应用的前提是需要保证第一步采空区初探的准确性，即通过弹性波CT 探测判断目标区域是否存在采空区。因此，研究采空区弹性波CT 探测精度成为该技术应用过程中的重要技术问题。影响采空区弹性波CT 探测精度的因素较多，本研究对采空区与探测钻孔网度大小关系、采空区与探测观测系统位置关系两个主要影响因素进行研究，为该综合探测技术的现场应用提供理论基础。

1 尺寸比影响模拟研究

为了研究采空区大小、探测钻孔网度与弹性波CT 探测精度之间的关系，本研究定义了尺寸比K这一概念，即采空区跨度与探测钻孔跨度的比值。

式中：K 为尺寸比；L 为采空区跨度，m；D 为探测钻孔跨度，m。

通过建立弹性波CT 正演模型，计算了不同尺寸比K 下采空区探测精度，钻孔跨度在20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m 和80 m 情况下，尺寸比分别为1/5、1/4、1/3、1/2 和3/4 下弹性波CT 成像精度。

假定目标勘探区域为不同尺寸下的矩形区域，且为各向同性，在该区域中传播的路径为弯曲射线。建立该区域波速为V1=5 000 m/s，按照不同尺寸比在模型中间位置分别设定采空区（波速异常体区域），波速为V2=2 000 m/s。采用的观测系统为左侧安插震源激发点，间距为1 m，右侧安插信号接收点，间距为1 m。为了评判采空区弹性波CT 探测精度，本研究采用最大波速差来衡量采空区探测精度，原则上波速差越大，对采空区的探测精度越高。因此，为了保证采空区探测精度，需要保证波速差达到一定值，根据现场长期经验总结，当波速差值达到1 000 m/s 及以上时，采空区探测精度较好，可满足工程实际要求。

图1 尺寸比示意图Fig.1 Schematic diagram of size ration

图2 为钻孔跨度20 m 不同尺寸比下采空区成像结果。表1 为不同钻孔跨度不同尺寸比下采空区成像最大波速差模拟计算结果。图3 为不同尺寸比下采空区成像平均最大波速差拟合结果。从模拟结果可以看出，尺寸为1/5 时，最大波速差为500～600 m/s；尺寸比为1/4 时，最大波速差为700～800 m/s左右；尺寸比为1/3 时，最大波速差为1000～1700m/s；尺寸比为1/2 时，最大波速差为2 500～2 900 m/s；尺寸比为3/4 时，最大波速差为2 500～2 800 m/s。CT 成像最大波速差与尺寸比成二次多项式关系，在峰值前，最大波速差随尺寸比增大而增大。在尺寸比为1/3 及以上时，采空区CT 成像最大波速差达到1 000 m/s 以上，此时采空区探测精度较高。

图2 钻孔跨度20 m 不同尺寸比下采空区成像结果Fig.2 Detection results of different size ratio with borehole span of 20 m

表1 不同尺寸比最大波速差结果Tab.1 The results of maximum wave velocity difference of different size ratios

图3 不同尺寸比平均最大波速拟合结果Fig.3 Fitting results of average maximum wave velocities with different size ratios

2 相对位置影响模拟研究

采空区与探测区域的相对位置关系也是影响探测精度的主要因素之一，这是由于观测系统中射线的密度不均匀导致的，射线密度越高的区域其探测精度越高，见图4。为了进一步量化评估相对位置对采空区探测精度影响，将观测系统划分为9 个区域，如图5 所示。

图4 观测系统示意图Fig.4 Schematic diagram of observation system

图5 相对位置划分Fig.5 Relative position division

通过建立正演模型，计算不同位置采空区探测精度。建立20m×20m 的目标区域，波速为V1=5000m/s，在模型不同位置分别设定大小为4 m×4 m 的采空区（波速异常体区域），波速为V2=2 000 m/s。采用的观测系统为左侧安插震源激发点，间距为1 m，右侧安插信号接收点，间距为1 m。图6 为不同采空区位置下波速成像结果。可以看出，左右相同位置计算的最大波速差基本相同，说明左右相同位置下采空区探测精度相同；中间列位置计算出的最大波速差与左右列相同位置相比明显更低，处于中上和中下位置采空区计算最大波速差最小，探测精度最低。

图6 不同位置探测精度Fig.6 Detection accuracy of different positions

3 工程试验研究

该矿区开采前期为个体民采，主要采用地下开采方式，留下了大量的地下不明采空区。在对矿山整合之后逐步转化为露天开采方式，为典型的地下转露天开采矿山。由于大规模采空区群存在于当前生产的露天境界内，且前期个体民采资料缺失，导致无法掌握采空区的分布位置和分布形态，严重影响了矿山的正常生产，给矿山施工的人员和设备带来了极大的安全威胁。本研究以该矿692 m 平台采空区弹性波CT 探测工业试验为例，采用不同尺寸比对692 m平台下方采空区进行弹性波CT 探测试验。

692 m 平台下方采空区赋存标高640～658 m，在采空区侧边布置了4 个探测钻孔，孔深均为55 m。利用两个钻孔作为一组试验，一个钻孔发射信号，另一个钻孔接收信号，共试验了3 个断面（1-2、1-3 和1-4 断面），3 个断面钻孔间水平距离分别为55 m，59 m 和88 m，采空区与钻孔位置见图7 所示。选择钻孔1 作为弹性波接收钻孔，接收钻孔内布置24 通道接收传感器，每个传感器间隔1 m，钻孔2、3和4 作为电火花震源发射钻孔。震源间隔1 m 发射一次弹性波进行数据采集，直至将信号全部采集完毕。图8 为现场数据采集照片，图9 为现场采集到的典型波形数据。

图7 采空区与钻孔位置平面图Fig.7 Plan of goaf and borehole location

图8 现场数据采集照片Fig.8 Photos of field data acquisition

图9 现场采集的典型波形数据Fig.9 Typical waveform data collected on site

对现场采集到的数据进行处理分析，图10 为各探测断面波速反演结果，断面1-2 深度640～655 m处存在明显低波速的区域（紫色区域，最大波速差为1 899 m/s），由此判断该区域为采空区区域，和实际采空区位置基本重叠，说明本次探测精度较高。断面1-3 深度640～655m 处存在明显低波速的区域（紫色区域，最大波速差为1 168 m/s），由此判断该区域为采空区区域，实际采空区位置在扫描结果采空区范围内，可以判断扫描区域存在采空区，探测精度较高。断面1-4 存在两个低波速的区域，一个为上部紫色区域，最大波速差为974 m/s，另一个为下部蓝紫色区域，最大波速差为731 m/s。上部低波速区域是由于上部岩体相对破碎导致，下部低波速区域是由采空区导致，但是下部采空区区域最大波速比上部破碎岩体最大波速还小，且下部探测出的采空区区域轮廓和实际比较差距较大，说明1-4 断面采空区的探测精度较低。

图10 成像计算Fig.10 Imaging calculation

数值模拟和现场试验结果表明，尺寸比在1/3 及以上时，采空区CT 成像最大波速差达到1 000 m/s以上，探测精度较好。同时，本次工业试验采空区与观测系统的相对位置为基本中下，根据对相对位置影响结果模拟表明，相对位置为中下时，探测精度与其他相对位置相比更低。因此，在实际采空区探测中可以确定弹性波CT 探测钻孔布置方式，即在采空区和观测系统相对位置未知情况下，钻孔布置网度不宜大于采空区跨度的3 倍。