地下采空区综合探测技术研究与应用

余乐文 战 凯 张 达

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083；3.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628)

采用空场采矿法形成的大量采空区严重威胁着矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产，易造成冒落、地表塌陷等灾害[1-2]。由于技术手段、历史遗留等原因，大多采空区未进行有效的处理，由于采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、稳定性难以预测等特点，因此，准确地探测地下采空区位置和三维形态异常重要。

某矿山露天开采范围内存在数量众多、形态各异、位置不明的自采空区及民采空区，对露天开采作业安全及最终边坡的稳定构成了影响，亟需开展浅部采空区群综合探测工作。针对采空区群探测，本文提出了一种基于地面物理探测—三维激光扫描综合探测方法，探测出采空区精确位置和形状。

1 项目概况

据矿山现有资料可知，露天开采的对象为8号勘探线以北、143 m中段以上的Ⅱ、Ⅲ号脉残矿及低品位矿石，因此，探测目标为确定103 m中段以上露采范围内的井下空区群的分布、形态、大小等特征信息。由于地面塌陷的原因，上部中段的大部分空区进不去，未垮塌可进入的空区数有限，因此分步骤实施：一是未知采空区群地面地球物理探测工作，根据物探反演结果、各中段平面图、勘探线剖面图圈定采空区位置；二是基于三维激光扫描技术精确探测采空区形态、大小及分布等信息。

1.1 地面地球物理探测方法

目前采空区地球物理探测方法主要包括常规电阻率法、浅层地震法、微重力法、探地雷达法、瞬变电磁法、高密度电法等[3-6]。瞬变电磁法具有以下三点优势：一是该方法是二次场即纯异常场，克服了复杂的一次场补偿问题，同时受地形影响小，探测效果更明显，原始数据的保真度更高；二是该方法是时域方法，对于导电围岩和导电覆盖层的分辨能力优于频域方法；三是该方法操作简单、效率高，适合勘探工作的需要。本文采用瞬变电磁法初步探测未知采空区群。瞬变电磁法是采用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场的间歇期间(断电后)，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化情况。由于是在没有一次场背景的情形下观测纯二次场异常，因而测量数据更可靠，工作原理如图1所示。

图1 瞬变电磁法(TEM)工作原理Fig.1 The principle of transient electromagnetic method(TEM)

1.2 三维激光探测方法

三维激光扫描技术具有非接触、高精度、高效率、测距远等优势，已广泛应用于矿山地下空间探测领域。目前，国内矿山地下空间探测产品主要包括加拿大CMS系统和矿冶科技集团有限公司自主研发的BLSS-PE三维激光扫描测量系统等[7-10]。本文采用自主研发的BLSS-PE三维激光扫描测量系统测量采空区精确形态，该系统如图2所示。

图2 BLSS-PE系统组成Fig.2 The composition of BLSS-PE

BLSS-PE三维激光扫描测量系统包括扫描主机、控制器、延长杆和三维激光扫描与分析软件系统，通过激光发射到接收之间的时间差来计算测量距离，空间任意P点坐标的计算公式如下：

(1)

距离S计算方程为：

(2)

式中，α—每个激光脉冲横向扫描角度观测值，θ—纵向扫描角度观测值，c—激光在大气中的传播速度，t—激光在待测距离上的往返传播时间，如图3所示。

图3 计算原理Fig.3 Calculation principle

2 试验应用

瞬变电磁法的数据处理步骤包括滤波、时深转换以及绘制参数图件等[11]。通过瞬变电磁法对露天坑区域采空区进行探测，查明了有效探测空间范围内的地质异常区域，通过与有限的原始资料进行比较分析，推断并解释了探测范围内的采空区异常。该方法探测采空区在三维软件中进行实体模型重建，如图4所示。

图4 瞬变电磁法探测结果Fig.4 TEM detection results

采用BLSS-PE三维激光扫描测量系统对183 m中段、143 m中段、103 m中段进行精确探测，对三维点云数据进行去噪、抽稀、特征点识别、点云配准等步骤，采空区点云模型如图5所示。

图5 三维激光扫描结果Fig.5 3D laser scanning results

通过瞬变电磁法，对露天开采范围内103 m中段以上的地下空间进行探测，采用三维建模软件对探测结果进行展示，如图6所示。红色图例为223 m中段以上采空区群，绿色图例为103～223 m中段之间的采空区群，紫色图例为103 m中段以上贯通的采空区群。黄色图例为3D激光扫描测量得到的采空区三维形态和位置。

图6 采空区群分布模型图Fig.6 Distribution model of cavity group

采用瞬变电磁法和三维激光扫描法对地下空间进行综合探测，共测得223 m中段以上的采空区34个，体积为895 869.623 m3；223～103 m中段的采空区87个，体积为489 287.126 m3，与设计资料相符。试验结果表明，瞬变电磁—三维激光扫描综合探测法可为地下采空区群探测提供有效手段。

3 结论

1)根据露采范围内地质地形、岩层电性、勘测深度等因素，结合地表地球物理勘测试验，确定了采用瞬变电磁法勘测、采空区异常解释原则及物探工作参数，对223 m中段以上采空区进行地球物理勘测；查明了露天开采范围内103 m中段以上采空区的空间分布情况。

2)通过综合探测技术共得到大小空区数121个，总体积达1 385 156.749 m3，为后期矿山安全开采提供数据支撑。瞬变电磁—三维激光扫描综合探测法可有效探测地下采空区群形态。