DOI ：10.3969/j.issn.1009-0622.2020.04.002
彭府华
（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南长沙410012）摘要：隐伏采空区是影响地下转露天安全开采关键问题，因此如何对其进行有效的探测是重中之重。研究针对地
下转露天开采隐伏采空区探测技术难题，提出一种基于弹性波CT-钻孔探测-三维激光扫描技术的综合探测方法。叙述了弹性波CT 技术和三维激光扫描技术基本原理，详细介绍了综合探测方法及工程应用过程。通过构建弹性波CT 观测系统、现场数据采集、弹性波CT 反演成像分析及异常区域三维激光扫描，实现了隐伏采空区分布位置和形态的精确探测。 关键词：隐伏采空区；探测；弹性波CT ；三维激光扫描中图分类号：TD854
文献标识码：A
收稿日期：2020-07-23
作者简介：彭府华（1987-），男，江西井冈山人，工程师，主要从事矿山工程岩体灾害防治研究工作。
受前期无序开采影响，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[1-4]。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，对露天开采人员和设备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。
目前国内外主要采用工程钻探探测方法和地球物理探测方法对隐伏采空区进行探测。工程钻探探测法是利用钻机对疑似采空区的区域实施钻孔，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。工程钻探探测方法具有探测精度高的优点，但是同时探测过程需要施工高密度钻孔，导致探测成本高，因此这种方法一般用于对已经初步圈定的采空区进行精确探测。常用的隐伏采空区探测的地球物理探测方法有电法、瞬变电磁法、浅层地震法、探地雷达
法、弹性波CT 法等。这种探测方法无需施工大量钻孔，探测成本相对更低，但是受地层介质等因素影响，探
测精度往往较低，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[5-9]。
研究结合工程探测法和地球物理探测法各自的优势，提出一种基于弹性波CT-钻孔探测-三维激光扫描技术的综合探测方法，可探测出隐伏采空区的精确位置和形态。能为矿山隐伏采空区的探测提供技术支撑和方法指导。
1弹性波CT 技术
计算机层析成像（Computed Tomography ，简称
“CT ”）是一种利用在物体周边所获取的某种物理量的一维投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，构建物体二维或三维图像的技术。目前工程CT 技术主要包括弹性波CT 、电磁波CT 、电阻率CT 等种类，一般应用在工程地质勘查、建筑物无损检测等领域，其中在地下断层与岩溶探测、混凝土质量检测、大坝安全检测、防渗墙质量检测中取得了良好的应用效果。从成像所利用的波形可以分为反射CT 、透射CT 和衍射CT 。从成像所用的物理量可以分为波速CT 和吸收CT ，波速CT 反演
的物理量为波速，吸收CT 反演的物理量为吸收系数。本研究采用的是弹性波透射过程的波速CT [10]。
第4期
1.1弹性波CT 技术原理
透射型波速CT 成像原理如图1所示[11]，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 的走时如式（1）所示。
（1）
图1弹性波CT 波速模型Fig.1Elastic wave CT wave velocity model 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l i ，j 表示。
若将二维平面划分成网格，每一小网格的速度为V j （j =1，2，3，…，n =M ×N ），那么沿着射线l 的走时如式（2）所示。
（2）
式中：x j 是网格j 的慢度值；c ij 为第j 个像元对y i 走时的贡献，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，那么它可以表示为如式（3）所示。
CX =Y （3）式中：C 为m ×n 的矩阵，每个元素为c ij ，X =（x 1，x 2，
…，x n ），Y =（y 1，y 2，…，y n ）。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。1.2
弹性波CT 系统
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等。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、高频成分丰富，这些要求比较难以完全满足，根据不同的任务要求，可选用、电火花、、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，见图2。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（图3）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。
图2电火花震源
Fig.2Spark source
图3
检波器
Fig.3Detector
2三维激光扫描技术
三维激光扫描技术利用的是激光测距原理，假
设激光仪从发射点O 到遇到采空区边界点P 后反射回到激光仪所用的时间为T ，激光在空气中的传播速度为c ，由此可计算出激光仪到采空区边界的距离L ，计算公式如式（4）所示[12]。
（4）
激光束纵向角度值为α、横向角度值为β，如图
4所示构建坐标系，采空区边界目标点P 点的坐标如式（5）所示。
y i =
l
∫
dl
V （x ，z ）
i =1，2，3…m
y i =N
∑c ij x j
j=1，2，3，…，
m
L =12
cT
123
4567
813
14
15
16
S
R
9101112l i ，9
l i ，10
l i ，7
l i ，4
彭府华院地下转露天开采隐伏采空区综合探测技术应用研究11
第35
卷
图4三维激光扫描原理示意图
Fig.4Schematic diagram of 3D laser scanning principle
（5）
3
工程实践
3.1
工程背景
河南某钼业公司矿区开采前期为个体民采，主
要采用地下开采方式，留下了大量的地下不明采空区。在对矿山控股整合之后逐步转为露天开采方式，为典型的地下转露天开采矿山。由于大规模采空区存在于当前生产的露天境界内，且前期个体民采资料缺失，导致无法掌握采空区的分布位置和分布形态，严重影响了矿山的正常生产，给矿山施工的人员和设备带来了极大的安全威胁。
矿区赋矿岩石主要为英安岩、安山岩、安山质火山角砾岩和闪长细晶岩等，矿体属于缓倾斜厚大矿体，走向北西方向，总体产状平缓，倾角10°左右，矿体平均厚度约120m 。目前采用露天开采方式，台阶高度12m 。
由于露天台阶下方存在不明采空区，为保障生产作业安全，矿山前期采用钻孔探测的方式进行采空区探测，钻孔平面布置网度24m ×24m ，钻孔深度36m ，
每下降一个台阶布置一次探测钻孔。这种探测方式存在两个问题，一是钻孔施工量大，工程投资大；二是钻孔探测存在相对较大的采空区探测盲区。
为了解决采空区探测存在的问题，通过在矿山现场长期应用研究，摸索出一种基于弹性波CT-钻孔探测-三维激光扫描技术的综合探测方法，经过现场多次工业试验及近一年的应用实践表明这一综合探测方法具有探测盲区小、探测精度高和成本低的优点，适用于地下转露天开采隐伏采空区的精确探测。
3.2典型工业试验
研究以692m 平台采空区探测工业试验为例，
692m 平台下方存在采空区，采用弹性波CT-钻孔探测-三维激光扫描综合探测技术对目标区域进行探测，将探测结果和采空区实际赋存情况进行对比，以验证该技术的可行性。
692m 平台下方采空区赋存标高640～658m ，跨度约20m 。为了试验综合探测方法的探测效果，在采空区侧边布置了2个探测钻孔（钻孔1和钻孔
2）
，钻孔水平距离54m ，钻孔深度55m ，采空区与钻孔位置见图5，现场数据采集照片如图6所示。图5
采空区与钻孔位置平面图
Fig.5Planar graph of goaf and borehole location
图6现场数据采集照片
Fig.6Field data collection
选择钻孔1作为弹性波接收钻孔，钻孔2作为电火花震源发射钻孔。震源间隔1m 发射一次弹性波进行数据采集，直至将信号全部采集完毕，表1为发射位置10m 处采集到的数据，图7为采集到的波形。
对采集的数据进行到时拾取、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，图8为波速反演计算结果。
弹性波CT 计算结果显示：探测区域深度640～
655m 处存在明显低波速的区域
（紫区域，波速＜3300m/s ，最大波速差为1900m/s ），由此判断该区域为采空区区域。
Z
P
L αβ
O
X
Y
X Y Z
⎧⎩
⏐
⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐⎫⎭⏐⏐⏐⏐⏐⎬⏐⏐⏐⏐⏐=L sin αcos β
L sin αsin β
L cos α
⎧⎩
⏐⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐⎫⎭
⏐⏐⏐⏐⏐⎬⏐⏐⏐⏐⏐716
704
钻孔1
692680
钻孔3
钻孔2
12
第4期
表1
弹性波CT 采集数据
Tab.1Elastic wave CT data
图7弹性波CT 采集波形Fig.7The waveform acquired by elastic wave CT
46
82212141618202426283032343638404244464850
（m ）（ms ）8.010.012.014.016.0
序号发射深度/m
接收深度/m
DD LM0558射线长度/m 走时/ms 序号发射深度/m
接收深度/m
射线长度/m 走时/ms 1
10
4
54.267
碳化稻壳
13.39
25
10
2857.123
13.242
10
5
54.177
12.86
26
102957.45713.243
10
6
54.105
12.75
27
1030
57.80613.344
10
7太阳能淋浴器
54.052
13.34
28
10
31
58.17
13.445
10
8
54.017
12.82
29
1032
58.54913.566
10
9
54.001
12.7230103358.94313.667101054.00412.5831103459.35113.788101154.02512.5832103559.77314.169
101254.06412.5633103660.20814.2210
10
13
54.122
12.28
34
热轧镀锌
10
3760.65714.3811
10
14
54.198
12.12
35
10
38
61.119
14.4212
10
15
54.292
12.0436
10
3961.594
14.4413
10
16
54.405
12.0437
104062.08114.3214
10
17
54.536
12.1
38
1041
62.58114.5
15
10
18
54.685
12.2839
10
42
63.092
14.5616
10
19
54.852
12.2
40
1043
63.61514.7417
10
20
55.036
12.2241
104464.14914.9418
10
21
55.238
12.22
42
10
4564.69415.1419
10
22
55.457
12.22
43
10
46
65.2515.3420
10
23
55.693
保健牙刷12.22
44
10
4765.81715.3421
10
24
55.946
12.36
45
104866.39415.4622
10
25
56.216
12.34
46
1049
66.98
15.5823
10
26
56.502
12.52
47
3d打印机制作10
50
67.577
15.724
10
27
56.804
12.58
4810
5168.183
15.82
彭府华院地下转露天开采隐伏采空区综合探测技术应用研究
1013
第35
卷
为了进一步确定采空区的赋存位置和分布形态，在弹性波CT 确定的疑似采空区区域布置一个钻孔，如图5所示钻孔3。利用三维激光扫描仪对疑似采空区进行精确探测，如图9～图12所示。
图9采空区三维激光扫描示意图
Fig.9Sketch of 3D laser scanning
图10采空区三维激光扫描结果
Fig.10Scanning results of goaf by 3D laser
图11
采空区三维激光探测结果平面图
Fig.11Planar graph of goaf by 3D laser
图12采空区三维激光探测结果剖面图
Fig.12Sectional drawing of goaf by 3D laser
图8波速反演成像计算结果
Fig.8Wave velocity inversion imaging calculation
results
扫描控制仪
钻孔
连接杆
扫描头
采空区
680
692704
716
钻孔1
钻孔2
钻孔3
632
642652662672682
692632642
652662672
6826920
10
20
3040
50
60
距离/m
640
6456506556606656706756806850
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
640
6456506556606656706756806850
5
10
15
20
253035
40
45
50
距离/m
49244848477246964620454444684392431642404164408840123930386037843708363235563480340433283252317631003025
际边界
采空区实际边
界完全重合
采空区658m
640m
14
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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