房柱式采空区高精度勘查技术

马炳镇，牛建立，白铭波，周竹峰

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719000）

近年来，煤炭工业发展规划提出要求安全保障能力得到显著提高。围绕“煤田高精度勘探”开展地质条件、隐伏地质体精细描述与资源精细评价研究，以提升煤矿采区灾害地质要素的探查精度和能力，实现精细化勘探为煤炭科技发展提供基础保障，对避免或减少安全事故具有重要意义。

神府矿区存在较多的“房柱式”或“残柱式”采空区。其采煤时划分若干个煤房与煤柱，开采阶段煤房和煤柱交替布置。煤层开采结束后留下不同形状的房柱式采空区，形成了诸多隐蔽致灾地质因素，如采空区、积水区、顶底板、残留煤柱、冲击压力等，严重影响着煤矿后续的安全生产[1]。要防范或治理以上致灾因素，就需要高精度勘查采空区具体边界、顶板及围岩稳定性、积水量等参数，以保证煤矿安全生产。采空区勘查常用的方法有调查访问、物探、化探和钻探等[2]，以勘查采空区分布范围、积水状况等。不少机构、专家学者对隐蔽采空区勘查做了大量工作，张俊英等[3]采用地表踏勘、物探、钻探等手段对榆林市地方煤矿采空区进行综合勘查，较为准确地获得采空区的大致位置、分布范围情况；薛国强等[4]综述了地震法、瞬变电磁法、高密度电法、微动法、放射性法和探地雷达法等地球物理方法的煤矿采空区勘探中发展概况，提出从有效性和综合性方面提高识别采空区的准确性，有针对性地对隐蔽采空区勘查方法进行多样化研究。由于早期煤矿房柱式开采缺乏科学规划和有效管理，导致许多隐形老采空区采掘情况不清，常规的物探（三维地震、瞬变电磁法、高密直流电法等）、化探及钻探无法准确确定其采空边界及残留煤柱、采空区的具体参数，不能对复杂采空区进行高精度勘查。要实现房柱式采空区精准勘查，必须采用新方法技术。为此，先对房柱式采空区形成和赋存特征进行调研，然后利用地面物探精细成像技术圈定房柱式采空区分布范围[5-8]，为首个钻孔提供靶区，指导钻探快速揭露采空区；最后通过高精度孔中三维激光扫描技术[9-12]，以连续追踪方式实现煤矿房柱式采空区高精度勘查。

1 工程概况

神府矿区韩家湾煤矿属侏罗系煤田，其煤层沉积稳定，埋深较浅、产状平缓。建矿初期先对符合采掘条件的二盘区2-2煤层进行了全盘区开采（该煤层厚度平均为4.39 m，埋深约150 m，煤层结构单一，开采条件优越），但上部的1-2煤层未采动。根据调查、收集资料得知，该矿2-2煤层开采时间为2004—2009 年，生产能力为60 万t/a，采用相对规则的小面依次推进采煤，采掘方式为房柱式，房柱式开采区段如图1。

图1 房柱式开采区段Fig.1 Room and pillar mining section

2-2煤层设计采高3.8 m，留采比近1∶1（采7 m留8 m）。其上覆1-2煤层平均厚度2 m，储量大、开采价值极高，韩家湾煤矿拟开采二盘区1-2煤层，其与2-2煤层的平均间距24.7 m。为此，开采2 盘区1-2煤层面临“蹬空开采”问题。因下伏2-2煤开采历时较长，房柱式开采参数、采空区顶板及围岩稳定性、2-2煤层顶底板岩石力学参数、采空区积水情况等均需精确查明，在二盘区内选取2 个重点区块进行研究，为1-2煤层安全“蹬空开采”技术研究提供依据。

2 大定源瞬变电磁法精细勘探技术

2.1 技术方法

瞬变电磁法精细勘查施工采用大定源装置，发射框边长为240 m×240 m，在框中心内区4/9 面积进行信号采集，大回线源装置形式示意图如图2。

图2 大回线源装置形式示意图Fig.2 Schematic diagram of large loop source device

资料处理中首先考虑了测点偏移距，以消除边框效应影响；其次，利用已知地质信息及先验信息作为约束条件对数据进行反演，反演算法中目标函数由数据拟合项和约束项2 部分组成，其反演结果是两者均达到极小值时的共同解，较大程度避免了反演过程中易陷入局部极小的缺陷，降低了反演的多解性，提高了反演解释精度和可靠性。异常提取采用趋势面分析技术，消除背景场不均一性的影响，突出弱异常，提高瞬变电磁法勘探能力和精度。

2.2 探测效果

反演前后断面图对比如图3。

图3 反演前后断面图对比Fig.3 Cross section comparison before and after inversion

图3（a）为时间道-视电阻率拟断面图，早期为高阻，随观测时间的增加视电阻率逐渐降低，由早到晚电性呈“高-低”的变化趋势，在水平距离900～1 200 m、时间道10～30 之间存有明显的低阻异常，呈圈闭状分布，等值线整体变化较为平缓。图3（b）为反演电阻率断面图，横向上电性变化很不均匀，电阻率呈高、低相间不连续特征，其与2-2煤层房柱式采空区赋存特点有关，可看出横向分辨率明显提高。48～50 号测点间处电阻率等值线发生扭曲、变形，呈明显的低阻异常特征，相比原始时间道断面低阻异常规模明显减小，利于钻探孔位靶区选取。依据场地施工条件，首孔（CK1-1 钻孔）孔位定位49 号测点。首孔钻进至90 m 时深度掉钻，掉钻2.8 m，指导钻探快速揭露房柱式采空区，为高精度激光扫描进入采空区提供通道。

3 孔中三维激光扫描技术

3.1 工作原理

扫描点坐标计算原理如图4。

图4 扫描点坐标计算原理Fig.4 Calculation principle of scanning point

三维激光扫描仪发射1 个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P 与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。x 轴在横向扫描面内，y 轴在横向扫描面内与x 轴垂直，z 轴与横向扫描面垂直，获取P 的坐标。

如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每1 个扫描点的三维坐标。可通过钻孔将探头下放至空腔内部，自动以360°无盲区的视角对空区进行三维扫描，取得高密度的“点云”数据，所得结果为三维可视的空腔内部。

三维激光扫描系统具有水平扫描和垂直扫描2种方式，适应于不同环境条件下的采空区探查。系统可通过最小65 mm 的孔洞入采空区内部进行扫描，精度误差5 cm，最小角度分辨率0.1°，扫描速度为200 点/s，C-ALS 三维激光扫工作示意如图5。

图5 C-ALS 三维激光扫工作示意Fig.5 C-ALS 3D laser scanning

3.2 单孔扫描成果和连续追踪勘查技术

单孔激光扫描三视点云图如图6。

图6 单孔激光扫描三视点云图Fig.6 Three view cloud images of single hole laser scanning

由水平扫描和垂直扫描2 种方式（以不同点云颜色来示意）得到，2 种扫描方式利于更高精度扫描采空及煤柱的细节特征，从横、纵2 个方向的点云数据点立体展示房柱采空区的煤柱、煤壁、采空顶板、空腔等的空间展布形态特征。可看出钻孔位于2-2煤采空区纵置通道中心处，纵置通道两翼均为采煤房仓开口。扫描得到采煤纵置通道宽分别为6.68、9.36 m，空腔高为4.12 m。空腔的顶板较为平整，没有垮落、冒顶现象，顶板稳定性较好；煤柱侧壁笔直，没有出现片帮、垮落现象，保存相对较为完好。

根据单孔三维扫描成果，可直观展示房柱式采空区局部结构特征和延伸趋势，沿采空区延伸方向、单孔扫描最大“视距”处在空区中轴位置布设下1 个钻孔，通过连续追踪布孔、依次推进的勘查技术思路，达到动态勘查、信息化探测。

3.3 综合钻孔扫描成果

精查2 区三维激光扫描共实施4 个钻孔（CK2-2、CK2-3、CK2-4、CK2-6），综合钻孔激光扫描点云图如图7。精查2 区采空参数统计表见表1。

图7 综合钻孔激光扫描点云图Fig.7 Laser scanning point cloud of comprehensive drilling

表1 精查2 区采空参数统计表Table 1 Statistics of goaf parameters in zone 2

由表1 可以看出，煤柱及房仓参数接近采7 m留8 m 的采留比，通道的宽度与调查宽度5.5 m 有一定偏差，采空空腔的探测高度接近调查采高3.8 m。其采空顶板完好，未有明显冒顶迹象。

对二区所有孔中三维激光扫描成果予以成像显示，生成的精查2 区激光扫描成像结果如图8。图8中彩色的实体为采空空腔的空间展布形态，可从空腔内部可看出采空空腔顶、底板均较为平整，变化平缓；煤柱相间分布，煤壁完整性较好，顶板没有垮落，完整程度较好。

图8 精查2 区激光扫描成像结果Fig.8 Laser scanning imaging results of zone 2

4 结 语

通过地面物探精细勘查技术，为钻探首孔提供最佳靶区，解决了快速揭露规模小、结构复杂房柱式采空区的技术难题；采用孔中高精度三维激光扫描技术，实现对房柱式采空区的高精度勘查。此次高精度勘查集成了地面和孔中探查技术的各自优势，在地面物探精细勘查技术基础上，减少了现有勘查技术中钻探揭露房柱式采空区的盲目性和不确定性，提高了钻探命中率；地面物探结合孔中高精度扫描技术有效解决了常规勘探方法探测煤矿房柱式采空区精度及能力不足的问题；通过孔中高精度探测方法，可对房柱式采空区边界、开采具体参数、顶板及围岩稳定性、积水情况要素进行高精度勘查；从探查成果来看，该高精度技术方法的有效、可行，可在类似的房柱采空区探查中推广应用。