三維電法及激光掃描技術(shù)在礦房空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

王福全 王立杰 王社光 張素娜 耿帥 楊航

（河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

近年來(lái)，大直徑深孔鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法具有回采率及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的采場(chǎng)，同時(shí)受其開(kāi)采擾動(dòng)的影響，回采過(guò)程中存在較大的冒落風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致形成異常的礦房空區(qū)，給礦房空區(qū)探測(cè)帶來(lái)困難。近年來(lái)，廣大學(xué)者在采空區(qū)探測(cè)方面做了大量研究工作，高宇平等［1-2］將二維成像高密度電法用于煤礦采空區(qū)和巷道異常區(qū)等探測(cè)；張振勇等［3-4］等將三維成像高密度電法用于煤礦及金屬礦山采空區(qū)、含水采空區(qū)、巖溶塌陷區(qū)探測(cè)；戰(zhàn)凱等［5-6］等將三維激光掃描技術(shù)用于井下采空區(qū)探測(cè)。本研究以地質(zhì)條件復(fù)雜、冒落風(fēng)險(xiǎn)大且沒(méi)有作業(yè)空間的大直徑深孔礦房為工程背景，以礦房頂部中段沿脈及穿脈巷道為作業(yè)面，先采用三維高密度直流電法同時(shí)對(duì)多個(gè)礦房空區(qū)進(jìn)行篩查探測(cè)，進(jìn)而對(duì)礦房空區(qū)是否存在冒落做出判識(shí)；對(duì)存在異常的礦房及時(shí)采取管控措施進(jìn)行處理，對(duì)無(wú)異常的空區(qū)進(jìn)一步采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，獲得精準(zhǔn)的單體礦房空區(qū)三維模型，為下一步礦房空區(qū)充填治理提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程概況

某鐵礦井下5#S1、7#S1、9#S1 試驗(yàn)礦房均為大直徑深孔礦房，礦房長(zhǎng)50～60 m，寬18 m，高60 m，其底部出礦結(jié)構(gòu)位于-230 m 中段，頂部鑿巖硐室位于-170 m 中段，目前3 個(gè)礦房均已回采完成。為及時(shí)探明深孔礦房空區(qū)的位置形態(tài)及是否存在冒落風(fēng)險(xiǎn)，獲得準(zhǔn)確的礦房空區(qū)信息，制定合理有效的采空區(qū)充填治理方案及后續(xù)殘存資源回收，有效防范坍塌事故，保障礦山安全生產(chǎn)，亟需對(duì)礦房空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。因深孔礦房尺寸較大且四周沒(méi)有施工可利用的作業(yè)面，只有礦房底部的進(jìn)路端口和頂部的鑿巖硐室端口。三維直流電法可利用各開(kāi)采中段沿脈主巷及穿脈巷道作為工作面進(jìn)行探測(cè)，故先在礦房頂部-170 m 中段采用三維高密度電法同時(shí)對(duì)多個(gè)礦房空區(qū)進(jìn)行篩查探測(cè)，然后對(duì)無(wú)異常的礦房空區(qū)進(jìn)一步采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。

2 三維電法異常礦房空區(qū)排查探測(cè)

由于空區(qū)圍巖的成層性規(guī)律已破壞，地下水外流，空氣涌入，導(dǎo)致空區(qū)圍巖導(dǎo)電性能大大降低，呈現(xiàn)高阻異常響應(yīng)；空區(qū)上方巖石由于下部缺少支護(hù)，導(dǎo)致上方圍巖發(fā)生松動(dòng)及彎曲，致使上方圍巖裂隙發(fā)育，導(dǎo)電能力大大降低，松動(dòng)圍巖區(qū)也會(huì)呈現(xiàn)高電阻率。上述為三維直流電法開(kāi)展探測(cè)頂板空區(qū)及圍巖松動(dòng)區(qū)提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。故采用三維電法對(duì)異常礦房空區(qū)進(jìn)行排查探測(cè)。

2.1 技術(shù)方案

使用WDJD-3 型多功能數(shù)字直流激電儀、三極AMN 與MNB 裝置進(jìn)行異常礦房空區(qū)排查探測(cè)，在-170 m 沿脈巷道內(nèi)按照單位電極距10 m 布置電極，每60根電極設(shè)置1個(gè)測(cè)量站；每完成300 m 測(cè)量，將后300 m 電纜向前鋪設(shè)300 m，依次類推，如表1 所示。共實(shí)施3 個(gè)測(cè)站，布設(shè)電極180 根，共采集數(shù)據(jù)點(diǎn)3 364個(gè)。

2.2 質(zhì)量評(píng)述精度

按均方相對(duì)誤差值進(jìn)行評(píng)價(jià)本次三維電法的探測(cè)精度。視電阻率均方相對(duì)誤差m按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，m為視電阻率均方相對(duì)誤差；ρsi為第i點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；ρ'si為第i點(diǎn)系統(tǒng)檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)；si為ρsi與ρ'si的平均值；n為參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)以所取點(diǎn)數(shù)進(jìn)行探測(cè)所獲得的結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理原理

數(shù)據(jù)處理主要包括原始數(shù)據(jù)預(yù)處理與反演計(jì)算兩大部分。預(yù)處理主要涉及刪除突變點(diǎn)或干擾點(diǎn)、數(shù)據(jù)光滑、數(shù)據(jù)濾波等；反演計(jì)算主要采用圓滑約束最小二乘法實(shí)現(xiàn)。具體處理步驟如下：

（1）刪除突變點(diǎn)。將視電阻率值明顯大于或小于臨近點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除（通常是由電極接地電阻過(guò)大或工業(yè)游散電流干擾造成的）。此外，還可使用Gaussian Low-pass濾波壓制高頻噪聲。

（2）數(shù)據(jù)濾波。井下機(jī)電設(shè)備的干擾導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)容易受隨機(jī)噪聲的影響，為了消除這些隨機(jī)噪聲，通常采用Gaussian Low-pass（3×3），alpha=4 濾波壓制高頻噪聲。視噪聲強(qiáng)度調(diào)整濾波參數(shù)，不宜過(guò)大或過(guò)小。

（3）反演計(jì)算。反演方法為圓滑約束最小二乘法，并采用3DRES 軟件進(jìn)行反演計(jì)算。依前述，反演RMS誤差設(shè)定為5%。按照處理流程圖1反復(fù)執(zhí)行反演運(yùn)算，當(dāng)滿足此誤差精度時(shí)終止反演。

2.4 三維數(shù)據(jù)編繪

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述處理流程后，反演得到三維數(shù)據(jù)體，導(dǎo)入Golden Software Surfer 三維軟件進(jìn)行三維可視化處理，繪制成不同位置的三維切片圖，在切片圖的基礎(chǔ)上繪制整個(gè)水平的三維數(shù)據(jù)體。其三維坐標(biāo)：以-170 m 水平下方巷道最大位置作切線，以左側(cè)巷道最外側(cè)作切線，兩切線相交為原點(diǎn)O，向右方位為X方向，向上方向?yàn)閅方向，將各實(shí)測(cè)電極坐標(biāo)點(diǎn)投影到X、Y坐標(biāo)軸上，則可得到各電極坐標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)-170 m 水平不同距離繪制不同方向的切片圖及垂直巷道方向的垂直切片圖，可反映空區(qū)分布情況。

2.5 探測(cè)結(jié)果解析

在充分收集工作區(qū)域水文地質(zhì)資料和進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用綜合處理與解譯技術(shù)，以進(jìn)一步提高解釋的可靠性，減少多解性。

2.5.1 探測(cè)結(jié)果解釋

根據(jù)三維直流電法探測(cè)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)、水文資料和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，按前述三維數(shù)據(jù)編繪方法繪制-170 m 水平以上0，20，40，60，80，120 m 不同高度水平切片圖，詳見(jiàn)圖2；-170 m 水平三維數(shù)據(jù)體，見(jiàn)圖3。在此基礎(chǔ)上，得出-170 m 水平的高阻異常區(qū)分布圖，見(jiàn)圖4。根據(jù)上述三維數(shù)據(jù)體及各切片的電阻率相對(duì)大小和空間展布規(guī)律，可知礦房空區(qū)頂板上方低阻異常區(qū)主要分布在X=0～80 m及X=380～450 m 的范圍內(nèi)，而高阻異常區(qū)主要分布在數(shù)據(jù)體的中部，具體分布在Y=0 m 側(cè)巷道內(nèi)200～250 m和Y=200 m 側(cè)250～300 m 處，中間位置的高阻體在以上兩者之間呈現(xiàn)斜對(duì)稱分布。

2.5.2 探測(cè)結(jié)果綜合分析

為準(zhǔn)確識(shí)別-170 m 水平巷道位置與電阻率對(duì)應(yīng)關(guān)系，將-170 m 水平巷道位置圖疊加至-170 m 水平高阻異常區(qū)分布圖中，得到礦房采空區(qū)異常區(qū)解釋圖，見(jiàn)圖5。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采動(dòng)及圍巖的地質(zhì)條件，由圖5可判斷3個(gè)礦房空區(qū)初步篩查結(jié)果，礦房空區(qū)異常區(qū)域主要集中在7#S1 開(kāi)采附近，位于X方向200～250 m，異常區(qū)發(fā)育高度約5 m，該異常區(qū)可推斷為空區(qū)分布范圍；5#S1 礦房-170 m 以上部分區(qū)域呈現(xiàn)高阻異常響應(yīng)，存在部分異?？諈^(qū)；9#S1 礦房-170 m 以上未出現(xiàn)高阻異常。

3 無(wú)人機(jī)三維激光掃描精準(zhǔn)探測(cè)

對(duì)無(wú)異常的9#S1 礦房空區(qū)采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，獲得精準(zhǔn)的單體礦房空區(qū)三維模型，為下一步礦房空區(qū)充填治理提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

利用深孔礦房頂部-170 m 中段鑿巖硐室進(jìn)口與礦房底部出礦進(jìn)路口，采用澳利亞Hovermap AL2 三維激光掃描儀進(jìn)行空區(qū)數(shù)據(jù)采集，采用一體化無(wú)人機(jī)，激光掃描頻率為30 萬(wàn)點(diǎn)/s，采集后使用配套的EMESENT 軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)結(jié)算工作，使用3DReshaper進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及建立空區(qū)模型。

9#S1礦房空區(qū)、底部結(jié)構(gòu)及周邊巷道共采集點(diǎn)云36 914 760個(gè)，將Hovermap AL2采集到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Emesent 軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)算，并將各站數(shù)據(jù)拼接為一個(gè)整體；然后在3D Reshaper中刪除設(shè)備、人員等噪音點(diǎn)，保留需要的特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)附上實(shí)際坐標(biāo)，并按一定間距抽稀數(shù)據(jù)并導(dǎo)出為dxf 格式；將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，通過(guò)3D Reshaper 建立空區(qū)模型。圖6 為9#S1 礦房空區(qū)三維模型，可看出，9#S1礦房底部結(jié)構(gòu)及鑿巖硐室成型較穩(wěn)定，頂部及側(cè)幫均未出現(xiàn)坍塌，與三維高密度電法探測(cè)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、有坍塌風(fēng)險(xiǎn)且沒(méi)有作業(yè)空間的大直徑深孔礦房，可先采用三維高密度直流電法同時(shí)對(duì)多個(gè)礦房空區(qū)是否存在異常進(jìn)行篩查探測(cè)，然后對(duì)無(wú)異常的空區(qū)采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)與驗(yàn)證，獲得精準(zhǔn)的單體礦房空區(qū)三維模型，為下一步礦房空區(qū)充填治理提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）在深孔礦房頂部階段沿脈巷布置環(huán)形封閉的若干道電極，利用三維高密度直流電法采集數(shù)據(jù)，基于光滑約束的最小二乘法原則，采用3DRES 軟件進(jìn)行反演計(jì)算分析，能準(zhǔn)確獲得不同高度的礦房頂板和垂直切片圖、三維數(shù)據(jù)體，進(jìn)而對(duì)礦房空區(qū)異常情況做出篩查判識(shí)。

（3）采用無(wú)人機(jī)三維激光掃描儀進(jìn)行空區(qū)數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證，使用EMESENT 軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)結(jié)算，使用3D Reshaper進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理并建立精準(zhǔn)的空區(qū)三維模型，可為空區(qū)充填治理提供理論依據(jù)。