西藏巨龍知不拉礦區(qū)Ⅰ-1礦體采空區(qū)綜合探測應(yīng)用研究

賴淵平 林春平 張 馳 劉建東

（1.西藏巨龍銅業(yè)有限公司；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司）

采空區(qū)根據(jù)其形成方式可以分為2 類，一類是按照統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計有序回采而形成的，通常這種采空區(qū)的分布位置、空區(qū)邊界以及大小均能在圖紙上準(zhǔn)確標(biāo)出；另外一類是由于民間掠奪式開采留下的大量不規(guī)則采空區(qū)，這一類采空區(qū)通常表現(xiàn)為空間上多數(shù)呈現(xiàn)重疊現(xiàn)象，且無規(guī)律可循［1-2］。對于分布位置相對明確的采空區(qū)而言，通常處理起來比較簡單，且能夠依據(jù)空區(qū)分布情況開展后續(xù)回采設(shè)計，并不會對礦山管理及安全生產(chǎn)造成太大影響；對于不規(guī)則采空區(qū)，由于其分布情況不明，嚴(yán)重影響到礦山生產(chǎn)安全，特別是一些在露天礦山邊坡臺階下盜采形成的采空區(qū)，在礦山實施正常回采的過程中出現(xiàn)了人員及設(shè)備跌落采空區(qū)的重大安全事故，造成人員及財產(chǎn)損失，影響礦山正常生產(chǎn)［3-4］。

針對上述礦山生產(chǎn)過程中面臨的采空區(qū)隱患，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)及礦山企業(yè)分別從空區(qū)形成機(jī)制、空區(qū)探測儀器等方面開展了研究工作。目前，采空區(qū)的探測主要以采礦情況調(diào)研、地球物理勘探［5-8］、工程鉆探等為主［9-10］，但由于工程巖體結(jié)構(gòu)的特殊性以及不明采空區(qū)分布的復(fù)雜性，導(dǎo)致單純依靠上述方法很難準(zhǔn)確確定采空區(qū)的完整邊界，甚至出現(xiàn)了探測結(jié)果誤導(dǎo)礦山生產(chǎn)管理的情況。因此，選擇一種功能強(qiáng)大、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的探測方法，是當(dāng)前階段礦山在處理采空區(qū)問題時需要解決的首要問題。

三維激光掃描技術(shù)［11-13］是近年來快速發(fā)展的一種新興技術(shù)，其在礦山測量中得到了很好的應(yīng)用，尤其是相關(guān)的三維激光掃描產(chǎn)品層出不窮，其憑借非接觸、高效率、遠(yuǎn)距離以及高精度的特點，特別適用于空洞結(jié)構(gòu)三維形態(tài)的測量工作，在通視條件下可準(zhǔn)確構(gòu)建采空區(qū)的三維邊界形態(tài)，較好地彌補(bǔ)常規(guī)探測方式在探測效果方面存在的不足。

本研究針對西藏巨龍銅礦知不拉礦區(qū)Ⅰ-1 礦體采空區(qū)探測問題，通過采用綜合物探與三維激光掃描探測相結(jié)合的方式，對露天采場下部采空區(qū)的分布情況進(jìn)行探測，為下一步礦山管理及安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 礦區(qū)概況

西藏巨龍銅礦知不拉礦區(qū)位于墨竹工卡縣城南西34.5 km處，岡底斯山脈東余脈郭喀拉日居北麓，海拔高度為5 050～5 594 m，相對高差為444 m，開采高程范圍為5 280～5 380 m。其中Ⅰ-1號礦體呈近東西向展布于礦區(qū)中部，呈似層狀、大脈狀產(chǎn)出，具膨大狹縮現(xiàn)象。礦體走向為283°～103°，傾向為10°～15°，傾角為66°～85°。礦體單工程厚度為0.86～20.17 m，平均厚3.87 m。I-1 號礦體截止探測工作實施前，實際開采底界為5 346 m 水平，形成采空區(qū)高度約為28 m，主要分布于5～17 勘探線，開采長度約為256 m，具體如圖1所示。

2 勘查方法簡介

知不拉礦區(qū)I-1 號礦體所在區(qū)域地層主要為灰?guī)r、綠簾石榴石矽卡巖等，主要蝕變類型為硅化、矽卡巖化，井下空區(qū)主要為原有礦體被開挖后形成的采空巷道，在巷道頂板保存完整時，巷道以不充水或充水的空洞形式保存下來，巷道與周圍地層的地球物理特征發(fā)生了顯著變化。基于以上巖層特點，為了較為準(zhǔn)確確定采空區(qū)的具體位置，首先采用物理勘探的方式確定采空區(qū)的大致分布位置，再通過鉆鑿探測孔的方式驗證采空區(qū)位置，同時下放專業(yè)的掃描設(shè)備，從而達(dá)到精確探測采空區(qū)空間形態(tài)的目的。為此，本研究首先選用適用于灰?guī)r及矽卡巖巖性特質(zhì)，且能夠滿足井下坑道探測需要的地質(zhì)雷達(dá)探測設(shè)備和瞬變電磁探測設(shè)備，確定井下坑道及采空區(qū)的大致分布位置，然后采用C-ALS 三維激光掃描測量系統(tǒng)對采空區(qū)進(jìn)行掃描，構(gòu)建采空區(qū)三維實體模型。

2.1 Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用發(fā)射天線將高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質(zhì)反射后，再由接收天線接收的探測設(shè)備。本研究采用拉脫維亞Zond-12e 型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測，采用38 MHz 組合非屏蔽天線，間距1 m，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整記錄時間、疊加次數(shù)以及采樣率等。

2.2 HPTEM-08型瞬變電磁系統(tǒng)

HPTEM-08 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)采用等值反磁通法消除收發(fā)線圈之間的耦合，利用對偶中心耦合原理提高橫向分辨率，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的微線圈對偶磁源、高靈敏磁感應(yīng)接收傳感器、高速24位采集卡以及高密度測量技術(shù)實現(xiàn)淺層高精度瞬變電磁勘探。HPTEM-08 型高精度瞬變電磁儀的勘探深度和發(fā)送頻率有關(guān)，勘探深度越深，所要求的發(fā)送頻率越小，反之，則發(fā)送頻率越大。疊加次數(shù)的選擇則主要與當(dāng)?shù)氐脑肼曀接嘘P(guān)，理論上疊加次數(shù)越大，采集到的衰減曲線信號信噪比越高。

2.3 C-ALS三維激光掃描測量系統(tǒng)

C-ALS 三維激光掃描測量系統(tǒng)是通過鉆孔將掃描系統(tǒng)深入采空區(qū)的內(nèi)部，從而完成采空區(qū)掃描探測工作，通過掃描探測點云來逼近目標(biāo)的完整原形及矢量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行目標(biāo)的三維重建。然后通過全面的后處理可獲取復(fù)雜形體的幾何內(nèi)容，如距離、面積、體積、目標(biāo)結(jié)構(gòu)形變、結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系等。

3 采空區(qū)及坑道地表勘探

3.1 測線及樁號設(shè)計

根據(jù)知不拉礦區(qū)前期開采留存的技術(shù)資料，Ⅰ-1 號礦體原主要采用淺孔留礦法，空區(qū)形狀與現(xiàn)有地質(zhì)資料符合度相對較高，空區(qū)高度以及空區(qū)的位置與現(xiàn)存圖紙材料有部分偏差。由于現(xiàn)場坡度大，無法形成探測平臺，因此結(jié)合知不拉礦區(qū)地表實際情況，選定推測采空區(qū)所在區(qū)域范圍的東南側(cè)開展物探工作，一方面輔助確定地下坑道的展布位置，另一方面結(jié)合采礦工藝特點確定采空區(qū)的大致方位，為確定空區(qū)探測孔的鉆鑿位置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于上述工作原則，現(xiàn)場地質(zhì)雷達(dá)探測方式實際設(shè)置測點個數(shù)共計1 874 個，測線長度約為620 m；瞬變電磁探測方式設(shè)置測點個數(shù)200個，實際測線長度為620 m。

3.2 物探現(xiàn)場實施

根據(jù)預(yù)先設(shè)計的物探控制點，地質(zhì)雷達(dá)探測法按照3 號測線、5～8 號測線以及10 號測線，每間隔0.5 m 布置測點，9 號測線、11～15 號測線每間隔0.25 m 布置測點；瞬變電磁法按照3 號測線、6～12 號測線每間隔5 m 布置測點，5 號測線按照每間隔3 m 布置測點，13～15號測線每間隔2 m布置測點，具體如圖2所示。

3.3 物探結(jié)果分析

基于現(xiàn)場開展的物探測量工作，得到了各條測線的地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁法探測結(jié)果，圖3 展示了7號測線的探測效果圖，其中，圖3（a）中橫坐標(biāo)表示該測線上相對起始點的直線距離，縱坐標(biāo)表示相對各個樁點的垂直深度；圖3（b）橫坐標(biāo)表示該測線上相對起始點的直線距離，縱坐標(biāo)表示空區(qū)實際賦存標(biāo)高。

由圖7 可知，7 號測線1 號、2 號和3 號區(qū)域電磁波發(fā)生震蕩，反射極強(qiáng)，疊加干涉現(xiàn)象嚴(yán)重，振幅增強(qiáng)，波組難以區(qū)分，多次波明顯，具有較為明顯的采空區(qū)巷道洞反射特征，且結(jié)合瞬變電磁探測結(jié)果對應(yīng)區(qū)域分布高阻異常，因此推斷上述異常區(qū)域存在采空巷道或者較大裂隙垮塌。同樣地，分析其他測線得到異常區(qū)域的具體位置統(tǒng)計如表1所示。

3.4 地下坑道推斷模型構(gòu)建

綜合上述地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁的異常位置分布，以異常位置為中心，根據(jù)常規(guī)巷道的掘進(jìn)尺寸分別向兩側(cè)延伸2 m，得到如圖4所示的知不拉礦區(qū)I-1號礦體隱伏采空區(qū)周邊的巷道展布平面圖。

4 空區(qū)三維激光掃描

根據(jù)上述物探確定的地下坑道分布情況并結(jié)合礦體走向及開拓工程布置情況，推測采空區(qū)分布區(qū)域應(yīng)該在坑道的北部，基于此，設(shè)計地表探測孔通達(dá)礦體，一方面用于驗證物探結(jié)果，另一方面用于下放三維激光掃描測量系統(tǒng)，以達(dá)到精確探測采空區(qū)的目的。

4.1 探測孔設(shè)計

根據(jù)上述物探探測結(jié)果，結(jié)合礦山實際鉆探實施條件，在探測坑道一側(cè)開拓工程布置區(qū)域設(shè)計探測孔9 個，分別為TK-1、TK-2、TK-3、TK-4、TK-5、TK-6、TK-6'、TK-7、TK-7'。

4.2 現(xiàn)場掃描實施

根據(jù)預(yù)先設(shè)計的探測孔位置，依次鉆鑿發(fā)現(xiàn)TK-1 鉆進(jìn)12 m 后底部全部為堆積礦渣，無法進(jìn)行，TK-2 孔鉆進(jìn)31 m 后發(fā)現(xiàn)空區(qū)，TK-3 孔鉆進(jìn)26 m 后發(fā)現(xiàn)空區(qū)，TK-4 孔鉆進(jìn)31 m 后發(fā)現(xiàn)空區(qū)，TK-5、TK-6、TK-6'、TK-7、TK-7'均未發(fā)現(xiàn)空區(qū)，因此對TK-2，TK-3，TK-4進(jìn)行三維激光掃描。

4.3 掃描結(jié)果分析

根據(jù)上述實施的掃描工作，得到如圖5 所示的采空區(qū)三維模型，這里將物探得到的坑道模型與掃描模型進(jìn)行了復(fù)合。

根據(jù)構(gòu)建的采空區(qū)三維模型，分別沿TK-3 和TK-4、TK-2和TK-4截取剖面，如圖6所示。

根據(jù)空區(qū)探測的結(jié)果可知，空區(qū)頂板高度東高西低，最高處位于空區(qū)東部，高程為5 361 m，距離地表23 m，最低位于空區(qū)西部，距離地表38 m，空區(qū)高度為10～26 m；空區(qū)底板標(biāo)高起伏不大，高程約為5 336 m，空區(qū)寬度為17 m；根據(jù)目前空區(qū)探測情況，空區(qū)形狀與礦體形狀契合度很高，對于礦山后期制定詳細(xì)的空區(qū)治理措施及礦山安全至關(guān)重要。

5 結(jié)論

（1）采用地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁綜合物探方法確定了井下坑道的大致位置及分布情況，為開展精準(zhǔn)的采空區(qū)探測及后期安全作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

（2）采用三維激光掃描方式對探測到的采空區(qū)進(jìn)行了精確掃描，建立了采空區(qū)三維實體模型，統(tǒng)計了采空區(qū)頂?shù)装鍢?biāo)高、長度及寬度信息，為礦山后期制定合理的采空區(qū)處理方案提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。