西藏巨龍知不拉礦區Ⅰ-1礦體采空區綜合探測應用研究

賴淵平 林春平 張 馳 劉建東

（1.西藏巨龍銅業有限公司；2.礦冶科技集團有限公司）

采空區根據其形成方式可以分為2 類，一類是按照統一規劃設計有序回采而形成的，通常這種采空區的分布位置、空區邊界以及大小均能在圖紙上準確標出；另外一類是由于民間掠奪式開采留下的大量不規則采空區，這一類采空區通常表現為空間上多數呈現重疊現象，且無規律可循［1-2］。對于分布位置相對明確的采空區而言，通常處理起來比較簡單，且能夠依據空區分布情況開展后續回采設計，并不會對礦山管理及安全生產造成太大影響；對于不規則采空區，由于其分布情況不明，嚴重影響到礦山生產安全，特別是一些在露天礦山邊坡臺階下盜采形成的采空區，在礦山實施正常回采的過程中出現了人員及設備跌落采空區的重大安全事故，造成人員及財產損失，影響礦山正常生產［3-4］。

針對上述礦山生產過程中面臨的采空區隱患，國內外很多科研機構及礦山企業分別從空區形成機制、空區探測儀器等方面開展了研究工作。目前，采空區的探測主要以采礦情況調研、地球物理勘探［5-8］、工程鉆探等為主［9-10］，但由于工程巖體結構的特殊性以及不明采空區分布的復雜性，導致單純依靠上述方法很難準確確定采空區的完整邊界，甚至出現了探測結果誤導礦山生產管理的情況。因此，選擇一種功能強大、技術可靠、經濟合理的探測方法，是當前階段礦山在處理采空區問題時需要解決的首要問題。

三維激光掃描技術［11-13］是近年來快速發展的一種新興技術，其在礦山測量中得到了很好的應用，尤其是相關的三維激光掃描產品層出不窮，其憑借非接觸、高效率、遠距離以及高精度的特點，特別適用于空洞結構三維形態的測量工作，在通視條件下可準確構建采空區的三維邊界形態，較好地彌補常規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Ⅰ-1 礦體采空區探測問題，通過采用綜合物探與三維激光掃描探測相結合的方式，對露天采場下部采空區的分布情況進行探測，為下一步礦山管理及安全生產奠定基礎。

1 礦區概況

西藏巨龍銅礦知不拉礦區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中部，呈似層狀、大脈狀產出，具膨大狹縮現象。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I-1 號礦體所在區域地層主要為灰巖、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生了顯著變化。基于以上巖層特點，為了較為準確確定采空區的具體位置，首先采用物理勘探的方式確定采空區的大致分布位置，再通過鉆鑿探測孔的方式驗證采空區位置，同時下放專業的掃描設備，從而達到精確探測采空區空間形態的目的。為此，本研究首先選用適用于灰巖及矽卡巖巖性特質，且能夠滿足井下坑道探測需要的地質雷達探測設備和瞬變電磁探測設備，確定井下坑道及采空區的大致分布位置，然后采用C-ALS 三維激光掃描測量系統對采空區進行掃描，構建采空區三維實體模型。

2.1 Zond-12e型地質雷達系統

地質雷達是一種利用發射天線將高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質反射后，再由接收天線接收的探測設備。本研究采用拉脫維亞Zond-12e 型地質雷達進行探測，采用38 MHz 組合非屏蔽天線，間距1 m，根據現場實際情況調整記錄時間、疊加次數以及采樣率等。

2.2 HPTEM-08型瞬變電磁系統

HPTEM-08 型高精度瞬變電磁系統采用等值反磁通法消除收發線圈之間的耦合，利用對偶中心耦合原理提高橫向分辨率，采用統一標準的微線圈對偶磁源、高靈敏磁感應接收傳感器、高速24位采集卡以及高密度測量技術實現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送頻率有關，勘探深度越深，所要求的發送頻率越小，反之，則發送頻率越大。疊加次數的選擇則主要與當地的噪聲水平有關，理論上疊加次數越大，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

C-ALS 三維激光掃描測量系統是通過鉆孔將掃描系統深入采空區的內部，從而完成采空區掃描探測工作，通過掃描探測點云來逼近目標的完整原形及矢量化數據結構，可進行目標的三維重建。然后通過全面的后處理可獲取復雜形體的幾何內容，如距離、面積、體積、目標結構形變、結構位移及變化關系等。

3 采空區及坑道地表勘探

3.1 測線及樁號設計

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

3.2 物探現場實施

根據預先設計的物探控制點，地質雷達探測法按照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 物探結果分析

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

由圖7 可知，7 號測線1 號、2 號和3 號區域電磁波發生震蕩，反射極強，疊加干涉現象嚴重，振幅增強，波組難以區分，多次波明顯，具有較為明顯的采空區巷道洞反射特征，且結合瞬變電磁探測結果對應區域分布高阻異常，因此推斷上述異常區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域的具體位置統計如表1所示。

3.4 地下坑道推斷模型構建

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

4 空區三維激光掃描

根據上述物探確定的地下坑道分布情況并結合礦體走向及開拓工程布置情況，推測采空區分布區域應該在坑道的北部，基于此，設計地表探測孔通達礦體，一方面用于驗證物探結果，另一方面用于下放三維激光掃描測量系統，以達到精確探測采空區的目的。

4.1 探測孔設計

根據上述物探探測結果，結合礦山實際鉆探實施條件，在探測坑道一側開拓工程布置區域設計探測孔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 現場掃描實施

根據預先設計的探測孔位置，依次鉆鑿發現TK-1 鉆進12 m 后底部全部為堆積礦渣，無法進行，TK-2 孔鉆進31 m 后發現空區，TK-3 孔鉆進26 m 后發現空區，TK-4 孔鉆進31 m 后發現空區，TK-5、TK-6、TK-6'、TK-7、TK-7'均未發現空區，因此對TK-2，TK-3，TK-4進行三維激光掃描。

4.3 掃描結果分析

根據上述實施的掃描工作，得到如圖5 所示的采空區三維模型，這里將物探得到的坑道模型與掃描模型進行了復合。

根據構建的采空區三維模型，分別沿TK-3 和TK-4、TK-2和TK-4截取剖面，如圖6所示。

根據空區探測的結果可知，空區頂板高度東高西低，最高處位于空區東部，高程為5 361 m，距離地表23 m，最低位于空區西部，距離地表38 m，空區高度為10～26 m；空區底板標高起伏不大，高程約為5 336 m，空區寬度為17 m；根據目前空區探測情況，空區形狀與礦體形狀契合度很高，對于礦山后期制定詳細的空區治理措施及礦山安全至關重要。

5 結論

（1）采用地質雷達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，為開展精準的采空區探測及后期安全作業奠定了基礎。

（2）采用三維激光掃描方式對探測到的采空區進行了精確掃描，建立了采空區三維實體模型，統計了采空區頂底板標高、長度及寬度信息，為礦山后期制定合理的采空區處理方案提供了準確的數據。