CN112034530A - 一种房柱式采空区勘查系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种房柱式采空区勘查系统及方法。本发明首先对房柱式采空区形成和赋存特征进行详细调研，然后利用地面物探精细成像技术圈定房柱式采空区分布范围，为首个钻孔提供靶区，指导钻探快速揭露采空区。再通过高精度孔中窥视、孔中三维激光扫描和三维声呐扫描技术实现煤矿房柱式采空区精准勘查。本方法的优点是集成了地、孔探查技术的各自优势，通过地面物探精细成像技术指导钻探快速揭露房柱式采空区，采用高精度孔中扫描技术实现了房柱式采空区边界、开采具体参数、顶板及围岩稳定性、积水情况要素的高精度勘查；同时钻孔布设依据充分，没有无效工作量，节约了钻探工程量和钻探成本。

Description

一种房柱式采空区勘查系统及方法

技术领域

本发明属于矿井隐伏灾害勘查领域，具体是涉及一种房柱式采空区精准勘查系统及方法。

背景技术

房柱式采煤法是柱式采煤体系的一种，采煤时划分若干个煤房与煤柱 (留有规则的不连续的煤柱)，回采工作在煤房中进行，开采阶段煤房和煤柱交替布置，煤柱不进行回收。煤层开采结束后留下不同形状的房柱式采空区，形成了隐蔽致灾地质因素，如“采空区、积水区、顶底板、残留煤柱、冲击压力等”等，严重影响着煤矿安全生产。要防范或治理以上致灾因素，就需要精准勘查采空区具体边界、顶板及围岩稳定性、积水情况等参数，以保证煤矿安全生产。但是，现有技术中的常规勘查方法(物探、钻探、化探等)对房柱式采空区均无法实现精准勘查，其中的物探方法探测采空区主要分为地震类方法和电磁类方法，均是基于采空区与围岩介质的物性差异。房柱式采空区通常埋深较浅，地震勘探受浅地表低速带影响，使得勘探信噪比和分辨率降低；再者房柱式采空区规模较小，结构复杂，对地震横向分辨率要求较高，常规的观测系统不能对房柱式采空区边界进行有效识别。电磁类方法在常规技术条件下很难对规模小的采空异常体进行有效识别，再者电磁法勘探均受“体积效应”影响，无法对采空区具体边界进行圈定。当前的物探方法只能做到定性解释，无法对采空区具体边界、顶板及围岩稳定性、积水情况进行精准定量。钻探因施工成本高、单孔获取的信息量有限，受孔斜等因素影响，无法对房柱式采空区具体边界等要素进行精准勘查。化探主要通过水化学分析来判别水样来源于采空区积水还是地层水，对周围是否存在采空区进行判断。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有技术所存在的“无法对房柱式采空区实现精准勘查”的技术问题，提出了一种房柱式采空区勘查系统及方法。该系统方法在调研基础上进行地面物探精细探查，根据地面物探精细勘探成果圈定采空区分布范围，为勘查区域首孔提供最佳靶区，指导钻探快速揭露采空区，后通过孔中高精度三维激光/声呐探测成果确定接续钻孔具体孔位，通过连续追踪、依次推进的方式查清整个区域，实现对房柱式采空区的边界、开采具体参数、顶板及围岩稳定性、积水情况要素进行精准勘查。

为了达到发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种房柱式采空区勘查方法，包括：

首孔孔位确定步骤，基于历史开采数据调研结果进行地面物探精细勘探，根据地面物探精细勘探结果确定勘查区的首孔孔位；

地孔电磁探测步骤，若首孔打到煤柱则采用地-孔瞬变电磁法探测采空区分布延伸情况；

采空区探测步骤，若首孔揭露采空区则利用孔中窥视仪观测采空区是否积水；若采空区内部积水小于预设阈值则采用孔中高精度三维激光扫描技术进行探测，若采空区内部积水大于预设阈值小于满积水，则采用孔中高精度三维激光和三维声呐共同扫描，若采空区内部满积水，则采用孔中高精度三维声呐扫描。

优选的，上述的一种房柱式采空区勘查方法，包括：所述首孔孔位确定步骤中，所述历史开采数据包括：地质、水文、钻探、开采历史、采掘概况、房柱式采空区结构和埋深信息。

优选的，上述的一种房柱式采空区勘查方法，包括：地孔电磁探测步骤中，地面铺设矩形发射回线，边长一般为目的层深度的1.5倍，孔中进行磁场三分量数据采集，采集点间隔为2m，在目的层深度附近或信号变化处加密到1m。

优选的，上述的一种房柱式采空区勘查方法，所述采空区探测步骤中，以1°的扫描间距、200点/秒的扫描速度进行垂直方向和水平方向360°无盲区扫描获取云数据，通过对云数据进行处理获得地下采空区边界、顶板、底板、煤柱及采空延伸情况，确定接续钻孔的位置。

通过以上描述可知，本发明相对于现有技术具备以下优点：

1、本发明通过地面物探精细勘查技术，为钻探首孔提供最佳靶区，解决了快速揭露规模小、结构复杂房柱式采空区的技术难题，后采用孔中高精度三维激光/声呐探测技术，实现对房柱式采空区的精准勘查。该系统及方法集成了地、孔探查技术的各自优势、扬长补短，实现了1+1大于2的效果。在地面物探精细勘查技术基础上，极大地减少现有勘查技术中钻探揭露房柱式采空区的盲目性和不确定性，提高了钻探命中率；地面物探结合孔中高精度扫描技术有效解决了常规勘探方法探测煤矿房柱式采空区精度及能力不足的问题。

2、本发明通过孔中高精度探测方法，对房柱式采空区的边界、开采具体参数、顶板及围岩的稳定性、积水情况要素进行精准勘查。

3、根据单孔的高精度采空区三维模型成果，可直观展示房柱式采空区局部结构特征和延伸趋势，沿采空区延伸方向、单孔扫描最大“视距”处在空区中轴位置布设下一钻孔，通过连续追踪布孔、依次推进的勘查技术思路，达到动态勘查、信息化探测。

4、房柱式采空区在三维高精度扫描成果的“精确制导”下，钻探布孔合理、针对性强，没有无效工作量，节约了钻探工程量和钻探成本。

附图说明

为了对本申请进行进一步的说明，提出一部分说明书附图加以说明，本申请的示意性实例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为浅埋房柱式采空区精准勘查系统及方法的探测流程示意图；

图2为勘探区域地面瞬变电磁测线精细处理成果图；

图3为首孔孔中窥视结果；

图4为单孔三维激光扫描结果图；

图5为所有钻孔三维激光扫描结果图；

其中，图2中CK1-1为首钻孔位布置位置，图5中数值为距离值。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下说明涉及到有关本发明的实施例很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下列举的技术细节之外场合，只要不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

本实施例，在调研基础上进行地面物探精细探查，根据地面物探精细处理解释成果确定勘查区域的首孔坐标；后进行打钻，孔深要确保到达目的层；若打到煤柱，则采用地-孔瞬变电磁法进一步探测采空区的分布延伸情况，若揭露采空区，则利用孔中窥视仪观测采空区是否积水及积水情况；根据窥视仪观测结果确定下一步探测方法，当采空区不积水或积水小于预设阈值 (1m)，则采用孔中三维激光扫描；当采空区积水大于预设阈值小于满积水，则采用孔中激光和声呐共同扫描；当采空区满积水，则采用孔中声呐扫描；根据孔中高精度探测结果确定接续钻孔具体孔位，通过连续追踪、依次推进的方式查清整个区域。该系统集成了地、孔探查技术，以上技术紧密配合能、取长补短，实现对房柱式采空区的边界、开采具体参数、顶板及围岩稳定性、积水情况等要素进行精准勘查。本发明提出的房柱式采空区勘查系统及方法填补了房柱式采空区勘查领域的空白，为房柱式采空区高精度勘查工作提供了技术支持。

参考图1，浅埋房柱式采空区高精度勘查系统及方法的探测流程如下；

1、首先调查勘查区域内及周边地区的地质、水文、钻探、开采历史、采掘概况等内容，了解勘查区域内房柱式采空区大致深度及结构特征等信息；

2、在调研结果基础上进行地面物探精细勘探，通过地面物探资料精细成果确定勘查区的首个钻孔孔位；

3、钻探到目的层深度后进行终孔及固井工作，防止塌孔影响后续探测工作；

4、若首孔打到煤柱则采用地-孔三分量瞬变电磁法进一步探测房柱式采空区分布情况，以确定下一孔孔位；在地面铺设矩形发射回线，边长一般与目的层深度相当，孔中进行磁场三分量数据采集，采集点间隔为2m，在目的层深度附近或信号变化处加密到1m，后续进行处理、解释工作，确定下一孔孔位；

5、首孔揭露采空区，利用孔中窥视仪观测采空区顶板上方孔壁完整情况、裂缝发育程度、采空区是否积水以及积水深度，通过孔壁完整情况、裂缝发育程度，评估采空区顶板、围岩的稳定性，跟据观测得到的采空区是否积水以及积水深度信息，选取采用高精度孔中三维激光扫描技术还是孔中三维声呐扫描技术或两种技术组合方式来完成房柱式采空区精准勘查；

6、若采空区内部没有积水或积水小于预设阈值(1m)则采用孔中三维激光扫描技术对采空区边界、顶板冒落等情况进行探测，可以1°的扫描间距、200点/秒的扫描速度进行垂直方向和水平方向360°无盲区扫描获取云数据，通过对云数据进行处理获得地下采空区顶板、煤柱及采空延伸情况。根据顶板、煤柱的形态对采空区的稳定性进行进一步评估；沿房柱式采空区延伸方向、单孔扫描最大“视距”处的空区中轴位置，确定为下一孔的孔位(若追踪至勘探区边界处，可根据已查清房柱式采空区内部结构转至到左、右两侧未扫描的通道中继续追踪)。

7、若采空区积水，积水大于预设阈值(1m)，但小于满积水则采用孔中激光和孔中声呐共同扫描，确定接续钻孔的位置；声呐扫描方式采用多深度、多角度立体探测。经对两种原始数据进行处理获取地下采空区边界、顶板及煤柱情况，可直观展现房柱式采空区展布形态和结构特征，根据顶板及煤柱的完整情况对采空区的稳定性做进一步评估，接续钻孔布孔原则和三维激光扫描技术一样。

8、若采空区满积水，则采用孔中声呐进行多深度、多角度立体扫描，确定接续钻孔的位置。

9、现场实行动态勘查、信息化探测，对房柱式采空区进行连续追踪、依次推进，查清整个区域。

实例1：

根据上述流程，选取陕北某煤矿浅埋房柱式采空区进行精细探测。

首先由收集的资料可知，2^-2煤层已整体被采动，采煤方式为房柱式。

然后进行地面瞬变电磁精细处理，图2为横跨勘查区域的110线反演电阻率断面图(部分)，地表较为平坦。由图2可见，探测深度范围内正常地层纵向电阻率值总体上呈“低一高一低”的变化趋势(断面中电阻率为取对数值)，与实际地层的电性特征吻合。横向上在2^-2煤层附近电性变化很不均匀，电阻率呈高、低相间、不连续特征。2^-2煤层附近电性不均一因与2^-2煤层房柱式采空区有关，48～50号测点间处电阻率等值线扭曲、变形突出，呈明显的低阻异常特征，推断为2^-2煤层采空引起。该位置为精查区域首孔孔位选取的最为理想的位置，依据场地施工条件，最后确定精查一区首个钻孔(CK1-1钻孔)孔位定位靠近49号的位置。首孔CK1-1钻孔钻进至深度 90m时发生掉钻，掉钻2.3m，揭露2^-2煤房柱式采空区。

成孔后进行孔中窥视，窥视结果如图3，CK1-1钻孔窥视结果为孔壁完好、有滴水，采空积水小于预设阈值(1m)，因此采用孔中三维激光扫描。根据动态布置钻孔的方式，根据三维激光扫描探测结果确定后续孔位，后续钻孔均揭露采空区且采空区未有大量积水，因此全部钻孔采用孔中三维激光扫描，将所有孔中三维激光扫描成果置于一起，展示房柱采空区的煤柱、采空空腔等空间展布形态、几何参数，走向、方位情况。点云图上含水平扫描和垂直扫描两种方式(见图4所示)。其中三维激光扫描共实施6个(CK1-1 至CK1-6)，CK1-7钻孔是成果验证孔。整体成果可以直观展现2条纵置采煤通道，3个已被控制的煤柱，通道两侧亦发现多个煤壁，房柱采空呈“品”字型特征(见图5所示)。

通过综合成果对煤柱、房仓及纵置通道的参数分别进行了统计，并对采空顶板特征进行三维立体展示与描述。其中煤柱长6.34～9.28m，平均7.81m；宽8.37～9.54m，平均8.96m。房仓宽6.15～8.38m，平均7.27m。探测高度 2.2～3.05m，平均2.63m。纵置通道宽5.66～9.78m，平均7.72m；探测高度 2.38～3.14m，平均2.76m。煤柱及房仓参数接近调查结果中采7m留8m的采煤方式，通道的宽度与调查宽度5.5m有一定偏差，采空空腔的探测高度较调查采高3.8m偏小，因顶板冒落造成。

通过应用上述探测体系与方法，达到了对陕北某煤矿浅埋房柱式采空区进行精细探测的目的，对采空区的边界、开采具体参数、顶板及围岩的稳定性、积水情况等参数达到了精准掌握。

以上根据实施例对本发明做出了详细描述，然而，所描述是示例性的，本发明不仅仅限于实施例中，本领域技术人员完全能够根据本发明而对其做出各种形式的替换或变更，在不脱离本发明宗旨和精神的前提下，凡是对本发明做出的各种变更及修饰均为本发明所涵盖的内容，均落入所附权利要求的范围之内。

Claims (4)

1.一种房柱式采空区勘查方法，其特征在于，包括：

首孔孔位确定步骤，基于历史开采数据调研结果进行地面物探精细勘探，根据地面物探精细勘探结果确定勘查区的首孔孔位；

地孔电磁探测步骤，若首孔打到煤柱则采用地-孔瞬变电磁法探测采空区分布延伸情况；

采空区探测步骤，若首孔揭露采空区则利用孔中窥视仪观测采空区是否积水；若采空区内部积水小于预设阈值则采用孔中高精度三维激光扫描技术进行探测，若采空区内部积水大于预设阈值小于满积水，则采用孔中高精度三维激光和三维声呐共同扫描，若采空区内部满积水，则采用孔中高精度三维声呐扫描。

2.根据权利要求1所述的一种房柱式采空区勘查方法，其特征在于，包括：所述首孔孔位确定步骤中，所述历史开采数据包括：地质、水文、钻探、开采历史、采掘概况、房柱式采空区结构和埋深信息。

3.根据权利要求1所述的一种房柱式采空区勘查方法，其特征在于，包括：地孔电磁探测步骤中，地面铺设矩形发射回线，边长一般为目的层深度的1.5倍，孔中进行磁场三分量数据采集，采集点间隔为2m，在目的层深度附近或信号变化处加密到1m。

4.根据权利要求1所述的一种房柱式采空区勘查方法，其特征在于，所述采空区探测步骤中，以1°的扫描间距、200点/秒的扫描速度进行垂直方向和水平方向360°无盲区扫描获取云数据，通过对云数据进行处理获得地下采空区边界、顶板、底板、煤柱及采空延伸情况，确定接续钻孔的位置。

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