三维电法及激光扫描技术在矿房空区探测中的应用

王福全 王立杰 王社光 张素娜 耿帅 杨航

（河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司）

近年来，大直径深孔凿岩阶段空场嗣后充填采矿法具有回采率及生产效率高等优点，所以得到越来越广泛的应用。对于地质条件复杂的采场，同时受其开采扰动的影响，回采过程中存在较大的冒落风险，导致形成异常的矿房空区，给矿房空区探测带来困难。近年来，广大学者在采空区探测方面做了大量研究工作，高宇平等［1-2］将二维成像高密度电法用于煤矿采空区和巷道异常区等探测；张振勇等［3-4］等将三维成像高密度电法用于煤矿及金属矿山采空区、含水采空区、岩溶塌陷区探测；战凯等［5-6］等将三维激光扫描技术用于井下采空区探测。本研究以地质条件复杂、冒落风险大且没有作业空间的大直径深孔矿房为工程背景，以矿房顶部中段沿脉及穿脉巷道为作业面，先采用三维高密度直流电法同时对多个矿房空区进行筛查探测，进而对矿房空区是否存在冒落做出判识；对存在异常的矿房及时采取管控措施进行处理，对无异常的空区进一步采用无人机三维激光扫描技术进行精准探测，获得精准的单体矿房空区三维模型，为下一步矿房空区充填治理提供准确的基础数据。

1 工程概况

某铁矿井下5#S1、7#S1、9#S1 试验矿房均为大直径深孔矿房，矿房长50～60 m，宽18 m，高60 m，其底部出矿结构位于-230 m 中段，顶部凿岩硐室位于-170 m 中段，目前3 个矿房均已回采完成。为及时探明深孔矿房空区的位置形态及是否存在冒落风险，获得准确的矿房空区信息，制定合理有效的采空区充填治理方案及后续残存资源回收，有效防范坍塌事故，保障矿山安全生产，亟需对矿房空区进行探测。因深孔矿房尺寸较大且四周没有施工可利用的作业面，只有矿房底部的进路端口和顶部的凿岩硐室端口。三维直流电法可利用各开采中段沿脉主巷及穿脉巷道作为工作面进行探测，故先在矿房顶部-170 m 中段采用三维高密度电法同时对多个矿房空区进行筛查探测，然后对无异常的矿房空区进一步采用无人机三维激光扫描技术进行精准探测。

2 三维电法异常矿房空区排查探测

由于空区围岩的成层性规律已破坏，地下水外流，空气涌入，导致空区围岩导电性能大大降低，呈现高阻异常响应；空区上方岩石由于下部缺少支护，导致上方围岩发生松动及弯曲，致使上方围岩裂隙发育，导电能力大大降低，松动围岩区也会呈现高电阻率。上述为三维直流电法开展探测顶板空区及围岩松动区提供了良好的地球物理基础。故采用三维电法对异常矿房空区进行排查探测。

2.1 技术方案

使用WDJD-3 型多功能数字直流激电仪、三极AMN 与MNB 装置进行异常矿房空区排查探测，在-170 m 沿脉巷道内按照单位电极距10 m 布置电极，每60根电极设置1个测量站；每完成300 m 测量，将后300 m 电缆向前铺设300 m，依次类推，如表1 所示。共实施3 个测站，布设电极180 根，共采集数据点3 364个。

2.2 质量评述精度

按均方相对误差值进行评价本次三维电法的探测精度。视电阻率均方相对误差m按照式（1）进行计算：

式中，m为视电阻率均方相对误差；ρsi为第i点原始观测数据；ρ'si为第i点系统检查观测数据；si为ρsi与ρ'si的平均值；n为参加统计计算的测点数。

计算结果见表2，可见以所取点数进行探测所获得的结果满足规范要求。

2.3 数据处理原理

数据处理主要包括原始数据预处理与反演计算两大部分。预处理主要涉及删除突变点或干扰点、数据光滑、数据滤波等；反演计算主要采用圆滑约束最小二乘法实现。具体处理步骤如下：

（1）删除突变点。将视电阻率值明显大于或小于临近点的数据点删除（通常是由电极接地电阻过大或工业游散电流干扰造成的）。此外，还可使用Gaussian Low-pass滤波压制高频噪声。

（2）数据滤波。井下机电设备的干扰导致采集数据容易受随机噪声的影响，为了消除这些随机噪声，通常采用Gaussian Low-pass（3×3），alpha=4 滤波压制高频噪声。视噪声强度调整滤波参数，不宜过大或过小。

（3）反演计算。反演方法为圆滑约束最小二乘法，并采用3DRES 软件进行反演计算。依前述，反演RMS误差设定为5%。按照处理流程图1反复执行反演运算，当满足此误差精度时终止反演。

2.4 三维数据编绘

实测数据经过上述处理流程后，反演得到三维数据体，导入Golden Software Surfer 三维软件进行三维可视化处理，绘制成不同位置的三维切片图，在切片图的基础上绘制整个水平的三维数据体。其三维坐标：以-170 m 水平下方巷道最大位置作切线，以左侧巷道最外侧作切线，两切线相交为原点O，向右方位为X方向，向上方向为Y方向，将各实测电极坐标点投影到X、Y坐标轴上，则可得到各电极坐标点。根据-170 m 水平不同距离绘制不同方向的切片图及垂直巷道方向的垂直切片图，可反映空区分布情况。

2.5 探测结果解析

在充分收集工作区域水文地质资料和进行地质调查的基础上，运用综合处理与解译技术，以进一步提高解释的可靠性，减少多解性。

2.5.1 探测结果解释

根据三维直流电法探测结果，结合相关的地质、水文资料和现场探测条件，按前述三维数据编绘方法绘制-170 m 水平以上0，20，40，60，80，120 m 不同高度水平切片图，详见图2；-170 m 水平三维数据体，见图3。在此基础上，得出-170 m 水平的高阻异常区分布图，见图4。根据上述三维数据体及各切片的电阻率相对大小和空间展布规律，可知矿房空区顶板上方低阻异常区主要分布在X=0～80 m及X=380～450 m 的范围内，而高阻异常区主要分布在数据体的中部，具体分布在Y=0 m 侧巷道内200～250 m和Y=200 m 侧250～300 m 处，中间位置的高阻体在以上两者之间呈现斜对称分布。

2.5.2 探测结果综合分析

为准确识别-170 m 水平巷道位置与电阻率对应关系，将-170 m 水平巷道位置图叠加至-170 m 水平高阻异常区分布图中，得到矿房采空区异常区解释图，见图5。结合现场采动及围岩的地质条件，由图5可判断3个矿房空区初步筛查结果，矿房空区异常区域主要集中在7#S1 开采附近，位于X方向200～250 m，异常区发育高度约5 m，该异常区可推断为空区分布范围；5#S1 矿房-170 m 以上部分区域呈现高阻异常响应，存在部分异常空区；9#S1 矿房-170 m 以上未出现高阻异常。

3 无人机三维激光扫描精准探测

对无异常的9#S1 矿房空区采用无人机三维激光扫描技术进行精准探测，获得精准的单体矿房空区三维模型，为下一步矿房空区充填治理提供准确的基础数据。

利用深孔矿房顶部-170 m 中段凿岩硐室进口与矿房底部出矿进路口，采用澳利亚Hovermap AL2 三维激光扫描仪进行空区数据采集，采用一体化无人机，激光扫描频率为30 万点/s，采集后使用配套的EMESENT 软件进行原始数据结算工作，使用3DReshaper进行点云数据处理及建立空区模型。

9#S1矿房空区、底部结构及周边巷道共采集点云36 914 760个，将Hovermap AL2采集到的原始数据导入Emesent 软件中进行数据结算，并将各站数据拼接为一个整体；然后在3D Reshaper中删除设备、人员等噪音点，保留需要的特征点，根据特征点附上实际坐标，并按一定间距抽稀数据并导出为dxf 格式；将处理好的点云数据网格化，通过3D Reshaper 建立空区模型。图6 为9#S1 矿房空区三维模型，可看出，9#S1矿房底部结构及凿岩硐室成型较稳定，顶部及侧帮均未出现坍塌，与三维高密度电法探测结果基本吻合。

4 结论

（1）对于地质条件复杂、有坍塌风险且没有作业空间的大直径深孔矿房，可先采用三维高密度直流电法同时对多个矿房空区是否存在异常进行筛查探测，然后对无异常的空区采用无人机三维激光扫描技术进行精准探测与验证，获得精准的单体矿房空区三维模型，为下一步矿房空区充填治理提供准确的基础数据。

（2）在深孔矿房顶部阶段沿脉巷布置环形封闭的若干道电极，利用三维高密度直流电法采集数据，基于光滑约束的最小二乘法原则，采用3DRES 软件进行反演计算分析，能准确获得不同高度的矿房顶板和垂直切片图、三维数据体，进而对矿房空区异常情况做出筛查判识。

（3）采用无人机三维激光扫描仪进行空区数据采集验证，使用EMESENT 软件进行原始数据结算，使用3D Reshaper进行点云数据处理并建立精准的空区三维模型，可为空区充填治理提供理论依据。