呂曉宏 尹 瓊 沈忠義 余 璨3

（1.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校）

復(fù)雜采空區(qū)群的調(diào)查和探測(cè)一直屬于世界性難題，同時(shí)井下采空區(qū)問(wèn)題嚴(yán)重影響企業(yè)的安全生產(chǎn)［1-2］。在新中國(guó)成立初期，由于開(kāi)采技術(shù)落后和生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單，大多數(shù)礦山未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行規(guī)范整理和資料保存。而后，通過(guò)近幾十年來(lái)的大規(guī)模開(kāi)采，大部分礦山經(jīng)過(guò)了多次整合和礦權(quán)重組，受到部分資料存在遺失和殘礦資源再次回收等因素影響，多數(shù)原始資料與實(shí)際形態(tài)難以吻合。部分礦山通過(guò)民營(yíng)和私自濫采，遺留下數(shù)量龐大的不明采空區(qū)，嚴(yán)重威脅著礦山生產(chǎn)安全。因此查明采空區(qū)空間分布范圍、形態(tài)、規(guī)模、變形等全過(guò)程資料，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)采空區(qū)的現(xiàn)狀穩(wěn)定性并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)、治理措施、礦山安全生產(chǎn)以及資源安全回收再利用具有重要的意義。

1 采空區(qū)探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)采空區(qū)的探測(cè)主要以采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測(cè)、水文試驗(yàn)等。美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家以物探方法為主。其中，美國(guó)以電法、電磁法、微重力法、地震法應(yīng)用為主；日本以地震波法應(yīng)用最為廣泛；俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、地震反射波法、井間電磁波透射、射氣測(cè)量等技術(shù)方法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)；英、法等國(guó)家對(duì)地質(zhì)雷達(dá)方法應(yīng)用較好［3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在利用地球物理勘探技術(shù)查明地下采空區(qū)方面開(kāi)展了大量的工作，采空區(qū)的探測(cè)成了工程地球物理的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，引起了地球物理學(xué)者的廣泛關(guān)注，投入了各種各樣的方法和技術(shù)。比較常見(jiàn)的有高密度電阻率法、音頻大地電磁法、瞬變電磁法、低頻地質(zhì)雷達(dá)法、伽馬放射性測(cè)量等方法。根據(jù)各個(gè)方法的特點(diǎn)，對(duì)采空區(qū)探測(cè)都有各自的適用條件和不足［4-8］。以上方法的精度僅能滿足一般工程要求，不能嚴(yán)密、精確地顯示采空區(qū)真實(shí)形態(tài)，且受采空區(qū)賦存深度的影響較大。

目前世界上較通用的采空區(qū)調(diào)查方案是利用物探方法確定采空區(qū)大致位置，再使用三維激光掃描儀對(duì)采空區(qū)進(jìn)行三維數(shù)字化，進(jìn)而達(dá)到科學(xué)調(diào)查和探測(cè)采空區(qū)的目的。盡管采空區(qū)探測(cè)技術(shù)在不斷發(fā)展完善，但仍存在部分缺陷：

（1）常規(guī)物探技術(shù)受探測(cè)環(huán)境和條件的影響加大，造成探測(cè)成果與實(shí)際情況出入較大。

（2）三維激光掃描技術(shù)（含機(jī)器人三維激光掃描技術(shù)）僅能對(duì)可進(jìn)入的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)采空區(qū)現(xiàn)狀不清、已變形或坍塌、內(nèi)有障礙物或無(wú)法進(jìn)入空區(qū)等情況，容易造成昂貴設(shè)備損壞或無(wú)法探測(cè)。

（3）對(duì)于開(kāi)采歷史長(zhǎng)、管理不規(guī)范、部分資料缺失、分布范圍大、現(xiàn)狀不清晰、探測(cè)環(huán)境和條件差的地下復(fù)雜采空區(qū)，僅采用單一的物探或三維激光掃描進(jìn)行探測(cè)，難以滿足采空區(qū)探測(cè)的精度和質(zhì)量要求，亟需建立地質(zhì)、物探、采礦、測(cè)繪、探礦工程等多專業(yè)、多學(xué)科高度融合的采空區(qū)聯(lián)合調(diào)查體系，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)的突破。

2 復(fù)雜采空區(qū)群聯(lián)合調(diào)查技術(shù)方法手段

鑒于采空區(qū)調(diào)查工作的復(fù)雜性和探測(cè)的高難度，根據(jù)調(diào)查工作要達(dá)到的目的和工作部署原則，以及各種技術(shù)方法、手段所能解決的主要問(wèn)題，深入分析、總結(jié)形成地—物—測(cè)—采—工多學(xué)科聯(lián)合調(diào)查技術(shù)方法體系，全面開(kāi)展復(fù)雜采空區(qū)群的調(diào)查工作，擬選用如下技術(shù)方法和手段。

2.1 綜合分析研究

資料收集整理是調(diào)查工作的基礎(chǔ)和核心，其主要工作內(nèi)容：

（1）收集礦區(qū)已有勘查、設(shè)計(jì)、實(shí)測(cè)地質(zhì)資料及原有三維模型數(shù)據(jù)資料，研究已有資料記載的采空區(qū)的位置和特征，標(biāo)注不明采空區(qū)或記錄不詳采空區(qū)大致情況。

（2）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查坑道和采空區(qū)的分布情況，記錄各采空區(qū)可進(jìn)入性。

（3）對(duì)相關(guān)知情人士進(jìn)行走訪調(diào)查，系統(tǒng)收集隱蔽采空區(qū)信息。

（4）根據(jù)已有資料和調(diào)查、走訪收集的信息初步判斷老采空區(qū)（封閉空區(qū)）可能存在的位置，綜合其他信息確定物探測(cè)量的范圍，制定鉆孔及其他延伸工程施工、采空區(qū)儀器探測(cè)的具體實(shí)施方案。

（5）及時(shí)對(duì)獲取的資料進(jìn)行處理和綜合分析，制定下一步工作的實(shí)施方案并明確各專業(yè)、各階段需要開(kāi)展的工作內(nèi)容。

2.2 礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查

礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查雖然在采空區(qū)調(diào)查工作中屬于輔助行為，但對(duì)于已形成的歷史隱蔽采空區(qū)的空間展布特征及分布范圍的判別有著重要意義。通過(guò)路線地質(zhì)調(diào)查、鉆孔和坑道編錄以及各種編錄資料的對(duì)比研究，查明礦體的產(chǎn)狀、形態(tài)、賦存規(guī)律，結(jié)合采礦方法，可初步判定采空區(qū)的空間分布位置。

2.3 工程地質(zhì)調(diào)查

工程地質(zhì)調(diào)查是采空區(qū)調(diào)查工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到后續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性和客觀性。其主要目的是在地表和坑道開(kāi)展水文、工程、環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀以及采空區(qū)空間位置、形態(tài)規(guī)模、充填情況、頂板變形特征等調(diào)查工作，查明采空區(qū)及其引起的地表塌陷、開(kāi)裂等地質(zhì)災(zāi)害的特征。具體工作內(nèi)容：

（1）地表工程地質(zhì)調(diào)查。地表工程地質(zhì)地質(zhì)調(diào)查路線一般垂直巖層、構(gòu)造線走向和沿地貌變化顯著方向布置；對(duì)重要地質(zhì)體、接觸帶、斷層帶、軟弱夾層、地質(zhì)災(zāi)害和不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育地帶、河谷、溝谷和地下水露頭多的地方進(jìn)行追索、觀察和記錄。

（2）采空區(qū)、坑道工程地質(zhì)調(diào)查。自見(jiàn)礦部位開(kāi)始分別按層位、巖性詳細(xì)調(diào)查，重點(diǎn)調(diào)查巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙的性質(zhì)、密度、充填情況、統(tǒng)計(jì)裂隙率、巖體完整破碎程度、巖石塊度形狀、大小、頂壁穩(wěn)定程度、變形破壞情況及地下水活動(dòng)情況。

（3）鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄。詳細(xì)觀察和描述礦山已施工鉆孔巖芯的巖性、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、硬度或狀態(tài)、濕度、巖石風(fēng)化程度和深度、裂隙性質(zhì)、密度、充填情況、發(fā)育深度、統(tǒng)計(jì)裂隙率、巖芯形狀、完整破碎程度，繪制地層巖芯柱狀圖，計(jì)算回次巖芯采取率，按鉆進(jìn)回次測(cè)定巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD），確定不同巖組RQD值的范圍和平均值。

2.4 數(shù)字測(cè)繪

針對(duì)礦山早期露天開(kāi)采、地表構(gòu)建筑物設(shè)施以及采空區(qū)引起的地表塌陷、開(kāi)裂等問(wèn)題，開(kāi)展地形測(cè)繪工作。同時(shí)采用三維激光探測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展坑道、采空區(qū)的測(cè)繪工作，精確查明采空區(qū)的形態(tài)以及垮塌情況，同時(shí)和礦山實(shí)測(cè)資料相互檢驗(yàn)，準(zhǔn)確分析采空區(qū)特征，為建立模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

三維激光探測(cè)系統(tǒng)是一種基于3D激光探測(cè)技術(shù)的新型探測(cè)手段。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)目標(biāo)整體或局部360°范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，進(jìn)而得到完整、全面、連續(xù)、關(guān)聯(lián)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，真實(shí)地描繪出目標(biāo)整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性。通過(guò)三維模型建立和全面處理后獲取目標(biāo)物的幾何內(nèi)容，如長(zhǎng)度、深度、體積、面積、目標(biāo)結(jié)構(gòu)形變、結(jié)構(gòu)位移等。與傳統(tǒng)的探測(cè)和測(cè)量方法相比，具有探測(cè)精確度高、安全高效、探測(cè)結(jié)果可視性好、不受采空區(qū)深度限制等特點(diǎn)。

2.5 地球物理探測(cè)

采用電法、電磁法、地質(zhì)雷達(dá)等地球物理探測(cè)手段，對(duì)人員無(wú)法進(jìn)入以及可能存在未知的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，大致查明其分布情況，同時(shí)與資料綜合分析推斷圈定的采空區(qū)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2.6 鉆探工程驗(yàn)證

鉆探施工主要是針對(duì)已經(jīng)封堵、垮塌的采空區(qū)進(jìn)行揭露，以進(jìn)一步查明采空區(qū)圍巖的工程地質(zhì)情況、確認(rèn)采空區(qū)的變形破壞和垮塌充填情況。

具備條件時(shí)對(duì)鉆孔采用孔內(nèi)電視進(jìn)行全孔壁掃描，以準(zhǔn)確揭露巖性、地質(zhì)構(gòu)造、軟弱夾層、裂隙發(fā)育情況。

2.7 采空區(qū)三維建模

利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，對(duì)綜合整理、聯(lián)合調(diào)查成果的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化展示，建立地表模型、巖層模型、斷層模型、礦體模型、塊段模型、開(kāi)拓工程模型和采空區(qū)模型等礦床三維地質(zhì)模型，從三維角度揭示各地質(zhì)體的空間分布和結(jié)構(gòu)關(guān)系，直觀、形象地展示采空區(qū)的空間位置、形態(tài)大小、分布特征。

2.8 采空區(qū)檔案

根據(jù)所收集資料、調(diào)查成果、采空區(qū)三維地質(zhì)模型等資料數(shù)據(jù)匯總，同時(shí)結(jié)合采場(chǎng)設(shè)計(jì)圖、實(shí)測(cè)礦塊圖、采出礦量表、充填及封堵記錄表、塌陷及變形觀測(cè)表、實(shí)測(cè)成果等資料，從采場(chǎng)的分布位置、空間形態(tài)、資料來(lái)源、開(kāi)采現(xiàn)狀、巖性特征、水工環(huán)特征等方面建立采空區(qū)檔案，同時(shí)還包括各中段采空區(qū)統(tǒng)計(jì)匯總表、單個(gè)采空區(qū)檔案卡片以及相關(guān)附件材料，真實(shí)、準(zhǔn)確地記錄采空區(qū)相關(guān)特征參數(shù)，以便于礦山生產(chǎn)管理。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目區(qū)概況

東川湯丹銅礦位于昆明市13°方向，平距為130 km處，行政區(qū)劃屬云南省昆明市東川區(qū)湯丹鎮(zhèn)管轄。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)采，在其礦權(quán)內(nèi)形成了大量的采空區(qū)。數(shù)量眾多的采空區(qū)嚴(yán)重影響了礦山對(duì)礦產(chǎn)資源的綜合利用和下步一體化開(kāi)發(fā)工作的科學(xué)部署，也給礦山附近居民的日常生活、生命財(cái)產(chǎn)和礦山生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。

為了切實(shí)貫徹執(zhí)行國(guó)務(wù)院安委會(huì)辦公室和云南省安全生產(chǎn)委員會(huì)辦公室文件精神，加速推進(jìn)礦區(qū)采空區(qū)事故隱患的治理工作，同時(shí)滿足湯丹銅礦下步老區(qū)、新區(qū)“一體化”開(kāi)發(fā)需要，礦山?jīng)Q定開(kāi)展采空區(qū)調(diào)查工作。

3.2 調(diào)查技術(shù)方法應(yīng)用

針對(duì)采空區(qū)分布特征，在詳細(xì)收集可查閱歷史及現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員確定了以地質(zhì)、采礦、測(cè)繪、物探、水工環(huán)、鉆探等多專業(yè)聯(lián)合調(diào)查的技術(shù)方案，經(jīng)過(guò)全面系統(tǒng)的調(diào)查，地球物理頻率域電磁法掃面為2.0 km2，測(cè)線長(zhǎng)度約為42.1 km，空區(qū)測(cè)深定點(diǎn)116個(gè)。完成5處地表塌陷區(qū)和8個(gè)生產(chǎn)中段438個(gè)地下采空區(qū)調(diào)查，其中三維激光掃描114個(gè)采空區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及封堵采空區(qū)45處，鉆探工程驗(yàn)證11個(gè)采空區(qū)，4個(gè)鉆孔采用鉆孔電視進(jìn)行全孔壁掃描。同時(shí)采集38件物理力學(xué)樣品，開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量3處。礦區(qū)有112處采空區(qū)發(fā)生壁柱變形、頂?shù)装蹇逅跋萋淝闆r。

3.3 取得成果

查明了礦區(qū)采空區(qū)的數(shù)量、規(guī)模、形態(tài)、空間分布等特征，采場(chǎng)及采空區(qū)共有438個(gè)（包含備采、在建、待建、正在回采的采場(chǎng)83個(gè)），采場(chǎng)體積為9 248 134 m3，存窿體積為3 294 548 m3，實(shí)際空區(qū)體積為5 953 586 m3。建立了采空區(qū)檔案和礦床綜合三維地質(zhì)模型（圖1、圖2）。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于數(shù)量龐大、分布復(fù)雜的采空區(qū)現(xiàn)狀，礦山今后需要優(yōu)化開(kāi)采方案，調(diào)整回采順序和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理布置井巷工程和支護(hù)方式，加強(qiáng)地壓監(jiān)測(cè)和管理，及時(shí)對(duì)采空區(qū)采取充填、崩落、封堵等方法進(jìn)行綜合治理［9-10］，加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理，以確保安全生產(chǎn)。

由于很多金屬礦山管理不規(guī)范、歷史遺留問(wèn)題較多，要解決復(fù)雜采空區(qū)群調(diào)查的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，必須以礦產(chǎn)地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、數(shù)字測(cè)繪以及鉆探技術(shù)等多學(xué)科的基本理論與方法為依據(jù)，緊緊圍繞采空區(qū)調(diào)查的相關(guān)技術(shù)要求，整合各學(xué)科在采空區(qū)調(diào)查方面的突出優(yōu)勢(shì)，才能更準(zhǔn)確、客觀、真實(shí)地查明復(fù)雜采空區(qū)群的特征，為礦山安全生產(chǎn)、安全管理及采空區(qū)穩(wěn)定性分析、治理、監(jiān)測(cè)等后續(xù)工作提供依據(jù)。