用于地下转露天开采隐伏采空区的探测方法与流程

本发明涉及矿山安全技术领域，尤其涉及一种用于地下转露天开采隐伏采空区的探测方法。

背景技术：

受前期无序开采影响，导致我国许多矿山地下采空区具有隐伏性强、空间分布不明等特征。这些地下隐伏采空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题，尤其对地下转露天开采的矿山影响很大，如河南栾川钼矿、广东大宝山矿、鞍钢弓长岭矿、太原袁家村铁矿等许多矿山都存在大量的地下隐伏采空区。由于对地下采空区空间分布不明确，导致对采空区顶板冒落塌陷情况难以掌控，对露天开采带来了严重的安全隐患。因此，如何对地下转露天开采隐伏采空区的分布特征进行探测是保证这类矿山安全生产的前提和关键技术难题。

对于隐伏采空区的探测，目前主要采用工程探测法和地球物理探测法两大类。工程探测法是利用钻机对疑似采空区的区域实施高密度钻孔，一般同时会结合三维激光扫描技术对探测到的采空区进行分布形态扫描，为采空区处理提供准确数据。该方法探测结果较为准确，但是成本较高，一般多用于对已经初步圈定采空区的确认。地球物理探测方法具有安全性好、成本低、探测工作条件好等特点，但是探测效果受实际地形、地质条件和岩体介质物理力学性质的限制和影响，对于隐伏采空区分布形态的精确探测效果相对较差，一般多用于隐伏采空区的初步探测和疑似采空区区域的圈定，目前常用的方法主要有常规电法、浅层地震法、微重力法、探地雷达法、瞬变电磁法、高密度电法、弹性波ct技术等。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可以实现采空区分布位置和形态精确探测的用于地下转露天开采隐伏采空区的探测方法。

本发明提供的这种用于地下转露天开采隐伏采空区的探测方法，包括如下步骤：

s1、在隐伏采空区建立弹性波ct系统；

s2、采用弹性波ct系统对隐伏采空区进行初步探测，确定是否存在采空区及圈定疑似采空区的大致分布区域；

s3、采用三维激光扫描系统对圈定的疑似采空区进行精确探测，确定采空区的准确位置及分布形态。

在所述步骤s1中，弹性波ct系统的建立过程如下：

s11、在地面上布置网格状的钻孔；

s12、选择任意两个钻孔作为震源发射钻孔和信号接收钻孔；

s13、在震源发射钻孔和信号接收钻孔内按相同的间距布置震源和接收器，将震源、接收器和数据采集器连接好后，构建弹性波ct系统。

在步骤s11中，钻孔在地面的露天台阶上按照36m*36m的网度进行分布，单个钻孔深度36m，相邻钻孔间组成观测线跨度为36m的弹性波ct系统，对角钻孔间组成观测线跨度为51m的弹性波ct系统。

在步骤s13中，震源发射钻孔内每间隔1m激发一次震源，信号接收钻孔内每间隔1m布置一个检波器串。

所述步骤s2的具体操作过程如下：

s21、激发震源，通过接收器接收震源信号，采用数据采集器对接收器接收的信号进行采集，完成钻孔间区域岩体弹性波ct数据的采集；

s22、对采集的弹性波ct数据进行数据校对、初值拾取、计算模型建立和反演成像，给出数据分析结果；

s23、根据数据分析结果确定是否存在疑似为采空区的低波速异常区域并圈定低波速异常区域的大致分布区域。

所述步骤s3的具体操作过程如下：对圈定的低波速异常区域再次进行三维激光扫描，最终确定采空区的准确分布位置和形态。

在步骤s21中，激发震源的具体过程如下：现场将弹性波ct系统连接好后，开始对电火花震源进行充电，电压达到预定值后激发震源，激发一次后将震源位置上升或下降1m，再次激发震源，循环操作直至全部采集完毕。

本发明结合工程探测法和地球物理探测法各自的优势，可探测出隐伏采空区的精确位置和形态，具备安全性好、探测精度高、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明中弹性波ct系统钻孔布置示意图。

图2为本发明中弹性波ct系统结构示意图。

图3为本发明中弹性波ct数据分析示意图。

图4为采空区三维激光扫描示意图。

图5采空区三维激光扫描结果示意图。

图6为本发明中弹性波ct波速模型。

图7为本发明中三维激光扫描原理示意图。

具体实施方式

本发明这种用于地下转露天开采隐伏采空区的探测方法，包括如下步骤：

s1、在隐伏采空区建立弹性波ct系统

s11、在地面上钻取n个呈网格状布置的钻孔；

s12、选择任意两个钻孔作为震源发射钻孔和信号接收钻孔；

s13、在震源发射钻孔和信号接收钻孔内按相同的间距布置震源和接收器，将震源、接收器和数据采集器连接好后，构建弹性波ct系统；

s2、采用弹性波ct系统对隐伏采空区进行初步探测，确定是否存在采空区及圈定疑似采空区的大致分布区域

s21、激发震源，通过接收器接收震源信号，采用数据采集器对接收器接收的信号进行采集，完成钻孔间区域岩体弹性波ct数据的采集；

s22、对采集的弹性波ct数据进行数据校对、初值拾取、计算模型建立和反演成像，给出数据分析结果；

s23、根据数据分析结果确定是否存在疑似为采空区的低波速异常区域并圈定低波速异常区域的大致分布区域；

s3、采用三维激光扫描系统对圈定的疑似采空区进行精确探测，确定采空区的准确位置及分布形态

对圈定的低波速异常区域再次进行三维激光扫描，最终确定采空区的准确分布位置和形态。

从图1可以看出，在本发明的的步骤s11中，钻孔有四个，四个钻孔在地面的露天台阶上按照36m*36m的网度进行分布，单个钻孔深度36m，相邻钻孔间组成观测线1跨度为36m的弹性波ct系统，对角钻孔间组成观测线2跨度为51m的弹性波ct系统。

在本发明的步骤s13中，震源发射钻孔内每间隔1m激发一次震源，信号接收钻孔内每间隔1m布置一个检波器串。

弹性波ct系统主要包括震源、接收器、数据采集器和数据分析软件。弹性波ct系统要求震源能量大、重复性好、计时精确，并且发射的震动信号频带宽、高频成份丰富，这些要求比较难以完全满足，根据不同的任务要求，可选用空气枪、电火花、炸药、雷管束、超磁致伸缩、专用可控震源等，目前最常用的是电火花震源。接收器一般采用压电陶瓷传感器，压电陶瓷具有高灵敏度、宽频带、大动态范围、相位一致性好、谐波失真小、耦合性好稳定性好、寿命长、抗干扰能力强等特性。为了提高效率，常采用等间距的检波器串同时接收。数据采集器常用12道或24道地震仪或类似的多道工程探测仪。如图2所示，在本发明中，弹性波ct系统的震源采用电火花震源，数据采集器采用24道地震仪。

在本发明的步骤s21中，激发震源的具体过程如下：如图2所示，在现场将弹性波ct系统连接好后，开始对电火花震源进行充电，电压达到预定值后激发震源，激发一次后将震源位置上升或下降1m，再次激发震源，循环操作直至全部采集完毕。

在本发明的步骤s22中，对数据是否完整、重复及错误进行校对；如图3左半图所示，校对后开始初值拾取，可采用手动、半自动、全自动三种拾取方式，一般先选择全自动拾取，再进行手动拾取调整；计算模型建立包括网格划分、速度模型确定、迭代算法及收敛条件确定，完成后进行反演成像计算，如图3右半图所示，为典型的弹性波ct反演结果，可以看出存在低波速异常区域，该区域基本可以判断存在采空区。

在本发明中，三维激光扫描系统采用c-als采空区三维激光自动扫描系统，如图4所示，该系统可以将激光的扫描头通过钻孔进入到空区内部进行扫描，扫描控制仪内置导航模块，可测量空区内扫描头的位置和方向。扫描控制仪可以360°全方位无盲区扫描，设计的水平和垂直扫描方式可以确保对采空区整个空间的扫描，如图5所示，通过自带的软件可以得到采空区的三维模型，并可以和cad、3dimine和surpac等常用数字矿山软件进行对接。

透射型波速ct成像原理如图6所示，假设弹性波在二维空间上的波速分布为v(x,z)，那么沿射线l的走时为：

如图6所示，s为震源，r为接收点，1、2、…16为网格编号，从震源到接收点发出的第i条射线穿过第j个网格的长度用li,j表示。

若将二维平面划分成网格，每一小网格的速度为vj(j＝1,2,3,…,n＝m×n)，那么沿着射线l的的走时可以写为：

其中xj是网格j的慢度值，cij为第j个像元对走时yi的贡献，亦即第i条射线在第j个像元上的射线长度，如果有n个像元，m条射线，那么它可以表示为：

cx＝y(3)

其中c为m×n的矩阵，每个元素为cij，x＝(x1,x2,…,xn)，y＝(y1,y2,…,yn)。对方程组进行求解，得到测区内各节点慢度分布，最后得到速度分布图像。

三维激光扫描技术是建立在激光测距原理基础上，扫描过程中，从三维激光扫描仪的扫描头发出一束激光脉冲，发射的激光到达空区边界后反射回仪器可记录激光到达时间t，同时激光扫描仪可以任意旋转激光脉冲横向扫描角度值β和纵向扫描角度值α。通过建立坐标系统，由此可以得到目标点p点的坐标计算公式。

如图7所示，激光发射点o距离目标点p的距离l为：

，式中：c为激光在大气中的传播速度；t为激光发射后到达目标点反射返回的传播时间；

待测目标点的坐标为：

，式中：l为激光发射点距离待测目标点的距离；α为激光纵向扫描角度值；β为激光横向扫描角度值。