隱伏采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)精度影響研究

彭府華

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

0 引 言

由于受前期地下無(wú)序開(kāi)采影響，導(dǎo)致目前我國(guó)有許多露天礦山存在地下隱伏采空區(qū)，如洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦、金堆城汝陽(yáng)公司東溝鉬礦、廣東大寶山礦、鞍鋼弓長(zhǎng)嶺礦、太原袁家村鐵礦等。這些采空區(qū)空間位置和形態(tài)分布不明，給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。因此，如何實(shí)現(xiàn)隱伏采空區(qū)的精確探測(cè)是實(shí)現(xiàn)這類礦山安全生產(chǎn)的前提和關(guān)鍵[1-4]。目前國(guó)內(nèi)外常用地球物理方法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，比如探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、常規(guī)電法、淺層地震法、微重力法、高密度電法等，這類方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中普遍存在探測(cè)準(zhǔn)確性低等問(wèn)題[5-12]。筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的采空區(qū)探測(cè)方法，通過(guò)在礦山多年的實(shí)踐，總結(jié)了一種基于彈性波CT—鉆孔探測(cè)—三維激光掃描技術(shù)的綜合探測(cè)方法。該方法的總體思路為：首先在目標(biāo)區(qū)域按一定的鉆孔網(wǎng)度進(jìn)行鉆孔探測(cè)，然后利用施工的鉆孔對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行采空區(qū)彈性波CT 初步探測(cè)，根據(jù)探測(cè)的結(jié)果，對(duì)疑似采空區(qū)區(qū)域再進(jìn)行三維激光掃描精確探測(cè)。該方法具有探測(cè)精度高、探測(cè)成本低等優(yōu)點(diǎn)[13]。

該綜合探測(cè)方法成功應(yīng)用的前提是需要保證第一步采空區(qū)初探的準(zhǔn)確性，即通過(guò)彈性波CT 探測(cè)判斷目標(biāo)區(qū)域是否存在采空區(qū)。因此，研究采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)精度成為該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的重要技術(shù)問(wèn)題。影響采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)精度的因素較多，本研究對(duì)采空區(qū)與探測(cè)鉆孔網(wǎng)度大小關(guān)系、采空區(qū)與探測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)位置關(guān)系兩個(gè)主要影響因素進(jìn)行研究，為該綜合探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 尺寸比影響模擬研究

為了研究采空區(qū)大小、探測(cè)鉆孔網(wǎng)度與彈性波CT 探測(cè)精度之間的關(guān)系，本研究定義了尺寸比K這一概念，即采空區(qū)跨度與探測(cè)鉆孔跨度的比值。

式中：K 為尺寸比；L 為采空區(qū)跨度，m；D 為探測(cè)鉆孔跨度，m。

通過(guò)建立彈性波CT 正演模型，計(jì)算了不同尺寸比K 下采空區(qū)探測(cè)精度，鉆孔跨度在20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m 和80 m 情況下，尺寸比分別為1/5、1/4、1/3、1/2 和3/4 下彈性波CT 成像精度。

假定目標(biāo)勘探區(qū)域?yàn)椴煌叽缦碌木匦螀^(qū)域，且為各向同性，在該區(qū)域中傳播的路徑為彎曲射線。建立該區(qū)域波速為V1=5 000 m/s，按照不同尺寸比在模型中間位置分別設(shè)定采空區(qū)（波速異常體區(qū)域），波速為V2=2 000 m/s。采用的觀測(cè)系統(tǒng)為左側(cè)安插震源激發(fā)點(diǎn)，間距為1 m，右側(cè)安插信號(hào)接收點(diǎn)，間距為1 m。為了評(píng)判采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)精度，本研究采用最大波速差來(lái)衡量采空區(qū)探測(cè)精度，原則上波速差越大，對(duì)采空區(qū)的探測(cè)精度越高。因此，為了保證采空區(qū)探測(cè)精度，需要保證波速差達(dá)到一定值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)波速差值達(dá)到1 000 m/s 及以上時(shí)，采空區(qū)探測(cè)精度較好，可滿足工程實(shí)際要求。

圖1 尺寸比示意圖Fig.1 Schematic diagram of size ration

圖2 為鉆孔跨度20 m 不同尺寸比下采空區(qū)成像結(jié)果。表1 為不同鉆孔跨度不同尺寸比下采空區(qū)成像最大波速差模擬計(jì)算結(jié)果。圖3 為不同尺寸比下采空區(qū)成像平均最大波速差擬合結(jié)果。從模擬結(jié)果可以看出，尺寸為1/5 時(shí)，最大波速差為500～600 m/s；尺寸比為1/4 時(shí)，最大波速差為700～800 m/s左右；尺寸比為1/3 時(shí)，最大波速差為1000～1700m/s；尺寸比為1/2 時(shí)，最大波速差為2 500～2 900 m/s；尺寸比為3/4 時(shí)，最大波速差為2 500～2 800 m/s。CT 成像最大波速差與尺寸比成二次多項(xiàng)式關(guān)系，在峰值前，最大波速差隨尺寸比增大而增大。在尺寸比為1/3 及以上時(shí)，采空區(qū)CT 成像最大波速差達(dá)到1 000 m/s 以上，此時(shí)采空區(qū)探測(cè)精度較高。

圖2 鉆孔跨度20 m 不同尺寸比下采空區(qū)成像結(jié)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結(jié)果Tab.1 The results of maximum wave velocity difference of different size ratios

圖3 不同尺寸比平均最大波速擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of average maximum wave velocities with different size ratios

2 相對(duì)位置影響模擬研究

采空區(qū)與探測(cè)區(qū)域的相對(duì)位置關(guān)系也是影響探測(cè)精度的主要因素之一，這是由于觀測(cè)系統(tǒng)中射線的密度不均勻?qū)е碌模渚€密度越高的區(qū)域其探測(cè)精度越高，見(jiàn)圖4。為了進(jìn)一步量化評(píng)估相對(duì)位置對(duì)采空區(qū)探測(cè)精度影響，將觀測(cè)系統(tǒng)劃分為9 個(gè)區(qū)域，如圖5 所示。

圖4 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of observation system

圖5 相對(duì)位置劃分Fig.5 Relative position division

通過(guò)建立正演模型，計(jì)算不同位置采空區(qū)探測(cè)精度。建立20m×20m 的目標(biāo)區(qū)域，波速為V1=5000m/s，在模型不同位置分別設(shè)定大小為4 m×4 m 的采空區(qū)（波速異常體區(qū)域），波速為V2=2 000 m/s。采用的觀測(cè)系統(tǒng)為左側(cè)安插震源激發(fā)點(diǎn)，間距為1 m，右側(cè)安插信號(hào)接收點(diǎn)，間距為1 m。圖6 為不同采空區(qū)位置下波速成像結(jié)果?？梢钥闯觯笥蚁嗤恢糜?jì)算的最大波速差基本相同，說(shuō)明左右相同位置下采空區(qū)探測(cè)精度相同；中間列位置計(jì)算出的最大波速差與左右列相同位置相比明顯更低，處于中上和中下位置采空區(qū)計(jì)算最大波速差最小，探測(cè)精度最低。

圖6 不同位置探測(cè)精度Fig.6 Detection accuracy of different positions

3 工程試驗(yàn)研究

該礦區(qū)開(kāi)采前期為個(gè)體民采，主要采用地下開(kāi)采方式，留下了大量的地下不明采空區(qū)。在對(duì)礦山整合之后逐步轉(zhuǎn)化為露天開(kāi)采方式，為典型的地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采礦山。由于大規(guī)模采空區(qū)群存在于當(dāng)前生產(chǎn)的露天境界內(nèi)，且前期個(gè)體民采資料缺失，導(dǎo)致無(wú)法掌握采空區(qū)的分布位置和分布形態(tài)，嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)，給礦山施工的人員和設(shè)備帶來(lái)了極大的安全威脅。本研究以該礦692 m 平臺(tái)采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)工業(yè)試驗(yàn)為例，采用不同尺寸比對(duì)692 m平臺(tái)下方采空區(qū)進(jìn)行彈性波CT 探測(cè)試驗(yàn)。

692 m 平臺(tái)下方采空區(qū)賦存標(biāo)高640～658 m，在采空區(qū)側(cè)邊布置了4 個(gè)探測(cè)鉆孔，孔深均為55 m。利用兩個(gè)鉆孔作為一組試驗(yàn)，一個(gè)鉆孔發(fā)射信號(hào)，另一個(gè)鉆孔接收信號(hào)，共試驗(yàn)了3 個(gè)斷面（1-2、1-3 和1-4 斷面），3 個(gè)斷面鉆孔間水平距離分別為55 m，59 m 和88 m，采空區(qū)與鉆孔位置見(jiàn)圖7 所示。選擇鉆孔1 作為彈性波接收鉆孔，接收鉆孔內(nèi)布置24 通道接收傳感器，每個(gè)傳感器間隔1 m，鉆孔2、3和4 作為電火花震源發(fā)射鉆孔。震源間隔1 m 發(fā)射一次彈性波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直至將信號(hào)全部采集完畢。圖8 為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集照片，圖9 為現(xiàn)場(chǎng)采集到的典型波形數(shù)據(jù)。

圖7 采空區(qū)與鉆孔位置平面圖Fig.7 Plan of goaf and borehole location

圖8 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集照片F(xiàn)ig.8 Photos of field data acquisition

圖9 現(xiàn)場(chǎng)采集的典型波形數(shù)據(jù)Fig.9 Typical waveform data collected on site

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，圖10 為各探測(cè)斷面波速反演結(jié)果，斷面1-2 深度640～655 m處存在明顯低波速的區(qū)域（紫色區(qū)域，最大波速差為1 899 m/s），由此判斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)區(qū)域，和實(shí)際采空區(qū)位置基本重疊，說(shuō)明本次探測(cè)精度較高。斷面1-3 深度640～655m 處存在明顯低波速的區(qū)域（紫色區(qū)域，最大波速差為1 168 m/s），由此判斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)區(qū)域，實(shí)際采空區(qū)位置在掃描結(jié)果采空區(qū)范圍內(nèi)，可以判斷掃描區(qū)域存在采空區(qū)，探測(cè)精度較高。斷面1-4 存在兩個(gè)低波速的區(qū)域，一個(gè)為上部紫色區(qū)域，最大波速差為974 m/s，另一個(gè)為下部藍(lán)紫色區(qū)域，最大波速差為731 m/s。上部低波速區(qū)域是由于上部巖體相對(duì)破碎導(dǎo)致，下部低波速區(qū)域是由采空區(qū)導(dǎo)致，但是下部采空區(qū)區(qū)域最大波速比上部破碎巖體最大波速還小，且下部探測(cè)出的采空區(qū)區(qū)域輪廓和實(shí)際比較差距較大，說(shuō)明1-4 斷面采空區(qū)的探測(cè)精度較低。

圖10 成像計(jì)算Fig.10 Imaging calculation

數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，尺寸比在1/3 及以上時(shí)，采空區(qū)CT 成像最大波速差達(dá)到1 000 m/s以上，探測(cè)精度較好。同時(shí)，本次工業(yè)試驗(yàn)采空區(qū)與觀測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)位置為基本中下，根據(jù)對(duì)相對(duì)位置影響結(jié)果模擬表明，相對(duì)位置為中下時(shí)，探測(cè)精度與其他相對(duì)位置相比更低。因此，在實(shí)際采空區(qū)探測(cè)中可以確定彈性波CT 探測(cè)鉆孔布置方式，即在采空區(qū)和觀測(cè)系統(tǒng)相對(duì)位置未知情況下，鉆孔布置網(wǎng)度不宜大于采空區(qū)跨度的3 倍。

4 結(jié) 論

（1）采空區(qū)CT 探測(cè)精度尺寸比影響研究結(jié)果表明，采空區(qū)成像最大波速差與尺寸比成二次多項(xiàng)式關(guān)系。在峰值前，采空區(qū)探測(cè)精度隨尺寸比增大而增大，在尺寸比為1/3 及以上時(shí)，采空區(qū)CT 成像最大波速差達(dá)到1 000 m/s 以上，此時(shí)采空區(qū)探測(cè)精度較高。

（2）采空區(qū)CT 探測(cè)精度相對(duì)位置影響研究結(jié)果表明，左右列相同位置下采空區(qū)探測(cè)精度相同，中間列位置反演出的最大波速差與左右列相同位置相比明顯更低，處于中上和中下位置采空區(qū)計(jì)算最大波速差最小，探測(cè)精度最低。

（3）在實(shí)際采空區(qū)探測(cè)中，為保證隱伏采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)精度，在采空區(qū)和觀測(cè)系統(tǒng)相對(duì)位置未知情況下，鉆孔布置網(wǎng)度不宜大于采空區(qū)跨度的3 倍。

（4）本研究成果為隱伏采空區(qū)彈性波CT 探測(cè)工業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，但是對(duì)探測(cè)精度的其他影響因素還沒(méi)有深入探討，比如采空區(qū)和觀測(cè)系統(tǒng)形狀影響等。因此，在后續(xù)的應(yīng)用過(guò)程中還需要持續(xù)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究。