某鐵礦隱伏水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)*

宮國慧 王志猛 賈三石 付建飛

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司井采分公司；2.東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

一定時(shí)期內(nèi)的礦產(chǎn)資源無序開采會(huì)在地表以下數(shù)百米空間內(nèi)遺留大量不明采空區(qū)，這些采空區(qū)改變了周圍巖土體的力學(xué)性質(zhì)，極易在后期大規(guī)模整合開采擾動(dòng)中發(fā)生突然塌陷、冒落和突發(fā)涌水等次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦山的生產(chǎn)安全［1-2］。不明采空區(qū)探測成為已知礦集區(qū)規(guī)模化、安全高效開采必須解決的一個(gè)技術(shù)難題。為此，除常見的人工調(diào)查外，當(dāng)前多采用常規(guī)的物探、鉆探等多種技術(shù)手段開展采空區(qū)探測研究工作，并取得了顯著效果，在一定程度上避免了采空區(qū)有關(guān)安全事故的發(fā)生［3-4］。值得一提的是，物探方法高效快捷且成本低，但容易受到外界環(huán)境干擾且存在多解性，得到的采空區(qū)地球物理異常結(jié)果不唯一；而鉆探技術(shù)雖然可信度高，但往往是一孔之見且成本高，并難以圈定采空區(qū)準(zhǔn)確范圍。這些技術(shù)方法雖然在解決采空區(qū)超前預(yù)警方面作用巨大——避免了進(jìn)入采空分布區(qū)誘發(fā)安全事故，但在采空區(qū)安全處理方面卻無法提供采空區(qū)準(zhǔn)確的空間分布參數(shù)。此種情況下，高精尖的測量技術(shù)引入采空區(qū)精準(zhǔn)探測勢在必行，這些技術(shù)有助于查明采空區(qū)的規(guī)模大小、埋深和發(fā)育現(xiàn)狀，進(jìn)行安全評價(jià)，以合理規(guī)劃開采礦山的生產(chǎn)進(jìn)度和有關(guān)的采空區(qū)安全處理工作。

而對于現(xiàn)代測量技術(shù)在采空區(qū)精準(zhǔn)探測與開采安全評價(jià)方面的應(yīng)用，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量理論研究和實(shí)踐應(yīng)用研究工作，因采空區(qū)內(nèi)部充填介質(zhì)類型的不同，分別集中在三維激光測量和水下聲吶測量2種技術(shù)方面。三維激光以其直觀、高效和簡單，是國外近些年主要應(yīng)用的采空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)方法，主要用于充滿空氣的采空區(qū)測量，并在不斷完善和提高［5-6］。國外方面，Miller等［7］于1992年首次在桿件上安裝激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)對開挖空區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)探測；國內(nèi)方面，過江等［8］于2006年提出了以3D激光探測技術(shù)為基礎(chǔ)的空區(qū)探測新技術(shù)（掃描孔直徑250 mm）；賈三石等［1］于2019年首次在鞍本地區(qū)BIF型鐵礦采用鉆孔式三維激光探測技術(shù)，準(zhǔn)確探測了超大型采空區(qū)（掃描孔直徑大于50 mm即可），而李杰林等［9］在2020年首次在云南大紅山鐵礦進(jìn)行了無人機(jī)三維激光掃描探測復(fù)雜形態(tài)采空區(qū)。對于水下聲吶的采空區(qū)測量技術(shù)，主要用于充滿水的采空區(qū)測量，楊兆林等［3］和張德輝等［10］分別于2021年和2020年，在呂梁地區(qū)和鞍本地區(qū)的露天鐵礦充水型采空區(qū)進(jìn)行了掃描探測研究。上述研究多集中于單一充水型或充氣型采空區(qū)的探測研究，在水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)探測方面則是一個(gè)研究應(yīng)用空白，而水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)是井下金屬礦山開采必須面臨的探測技術(shù)難題，特別是對其含水量規(guī)模和形態(tài)的精準(zhǔn)探測，對狹窄有限空間內(nèi)的井下礦山突發(fā)涌水和安全充填處理至關(guān)重要，這在大規(guī)模的井下鐵礦開采過程中表現(xiàn)的尤為突出。鑒于此，本項(xiàng)目以開采歷史悠久的鞍本地區(qū)典型井下鐵礦為研究對象，以三維激光和水下聲吶探測技術(shù)理論為指導(dǎo)，選取水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)開展探測應(yīng)用研究，準(zhǔn)確查明水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)空間位置、埋深和規(guī)模大小，為井下鐵礦的安全開采提供理論支撐和技術(shù)保障。

1 采空區(qū)充填介質(zhì)類型劃分及精準(zhǔn)探測技術(shù)優(yōu)選

基于不同的標(biāo)準(zhǔn)，采空區(qū)可以有多種類型劃分，如基于開采時(shí)間、開采礦產(chǎn)資源類型、采空區(qū)規(guī)模、采空區(qū)埋藏深度和賦存狀態(tài)等的分類。而如果從探測的角度出發(fā)，考慮到主要的物性特征，對于金屬礦山來說，采空區(qū)從充填介質(zhì)類型劃分最合理［11］。金屬礦山，特別是鐵礦屬于硬巖區(qū)的礦山，其開采后形成的空間基本長期保持一定空間形狀不變，除非在強(qiáng)烈開采擾動(dòng)下發(fā)生冒落和變形破壞。因此，對于其開采后的充填介質(zhì)，應(yīng)屬于流動(dòng)性的介質(zhì)，自然界中此類介質(zhì)主要有兩大類，一類是液態(tài)水為主要成分的水溶液，一類是空氣為主要成分的氣體。上述兩大類不同充填介質(zhì)可以形成兩類采空區(qū)，即充氣型采空區(qū)和充水型采空區(qū)。

對于充氣型采空區(qū)，可選用先進(jìn)的激光測量技術(shù)，考慮到礦山狹窄的探測空間和有限測量設(shè)備放置空間［12］，本項(xiàng)目選用鉆孔式的三維激光測量技術(shù)。而對于充水型采空區(qū)，可以采用水下聲吶測量技術(shù)［13］，但限于礦山有限的測量空間和設(shè)備放置空間，選用小直徑侵入式水下聲吶測量技術(shù)。而在實(shí)際礦山開采應(yīng)用研究中，由于礦山抽排水導(dǎo)致的潛水面動(dòng)態(tài)變化，就形成了一個(gè)新類型采空區(qū)，其內(nèi)含水量和含氣量隨著礦山動(dòng)態(tài)潛水面的變化發(fā)生持續(xù)性的緩慢改變，這類采空區(qū)就是充氣型和充水型采空區(qū)的過渡類型，本研究稱之為水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)。對于水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的探測，需要充分發(fā)揮三維激光和水下聲吶探測技術(shù)的優(yōu)勢，優(yōu)化組合，形成水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)方法。

2 水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)基本原理

相較于傳統(tǒng)的鉆探技術(shù)和常規(guī)的地球物理勘探方法［14-15］，三維激光和水下聲吶探測具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于礦山環(huán)境采空區(qū)的精細(xì)探測，二者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境下的水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的精準(zhǔn)探測。

2.1 三維激光探測技術(shù)基本原理

在采空區(qū)精準(zhǔn)探測方面，三維激光探測技術(shù)主要采用脈沖測距法（TOF），這是一種高速激光測時(shí)和測距技術(shù)，其測距可在100 m以上，數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣速率在1 000點(diǎn)/s以上，短時(shí)間可以獲取目標(biāo)體點(diǎn)云坐標(biāo)。而其獲取目標(biāo)體點(diǎn)云坐標(biāo)的原理為依據(jù)內(nèi)部精密測量系統(tǒng)獲取發(fā)射出去的激光光束的水平角度α和垂直方向角度θ，后由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時(shí)間計(jì)算得到掃描點(diǎn)到儀器的距離值L，可從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度，對掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配。具體對于采樣的點(diǎn)云坐標(biāo)來說，屬于系統(tǒng)局部坐標(biāo)，可以三維激光掃描儀的內(nèi)部坐標(biāo)為原點(diǎn)，一般X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸常為掃描儀掃描方向，Z軸為垂直方向（圖1），最終計(jì)算可得到掃描目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)（X P、Y P、Z P），計(jì)算公式如下［1］。

式中，c為光速，m/s；Δt為激光信號往返之間的時(shí)間差，s。

2.2 水下聲吶探測技術(shù)基本原理

水下聲吶是利用聲波對水下或水面的目標(biāo)體進(jìn)行定位、跟蹤和識別的一種技術(shù)設(shè)備。具體到本研究所用的水下聲吶是一種鉆孔式的測腔三維聲吶探測儀，其內(nèi)置聲吶系統(tǒng)，通過發(fā)射聲波探測水下目標(biāo)體，同時(shí)接受目標(biāo)體在水中反射回來的聲波信號來進(jìn)行測距［10］（圖2）。測量過程中，接收回來的聲波信號被轉(zhuǎn)換為相對坐標(biāo)數(shù)據(jù)記錄下來，后通過相關(guān)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到測量目標(biāo)體的三維點(diǎn)云坐標(biāo)。

3 水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)的方法和裝置

3.1 采空區(qū)三維激光探測技術(shù)的方法和裝置

水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)充氣部分的三維激光探測所用設(shè)備為英國進(jìn)口的C-ALS型激光測距儀，這是一種專門針對資源開采行業(yè)中有限作業(yè)面使用的3D激光探測技術(shù)設(shè)備。上述設(shè)備可以通過直徑大于50 mm的地表鉆孔，放置到采空區(qū)區(qū)內(nèi)，開展三維激光掃描測量，又被稱之為鉆孔式三維激光掃描儀。在實(shí)際探測中，首先根據(jù)不同采空區(qū)所在的場地條件，架設(shè)三維激光掃描探測設(shè)備；其次計(jì)算初始空間坐標(biāo)輸入測量系統(tǒng)；最后將C-ALS型激光測距儀的掃描探頭通過地表鉆孔放入空區(qū)內(nèi)，它就可以根據(jù)程序設(shè)定開始上下180°、水平360°旋轉(zhuǎn)，以對目標(biāo)體的進(jìn)行無縫掃描，且可連續(xù)不斷收集距離和角度數(shù)據(jù)。在空區(qū)掃描探測過程中，探頭可在一個(gè)平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)掃描，每掃完一周后，探頭按照預(yù)設(shè)輸入的參數(shù)抬升一個(gè)固定角度（1°～3°），以完成下一個(gè)平面的掃描測量工作，如此連續(xù)循環(huán)直至完成整個(gè)空區(qū)掃描。C-ALS型激光測距儀的測量范圍為0.5～150 m，精度為±5 cm，水平和垂直旋轉(zhuǎn)角度精度達(dá)到0.2°，分辨率達(dá)0.1°，每秒可掃240個(gè)點(diǎn)。

3.2 采空區(qū)水下聲吶探測技術(shù)的方法和裝置

水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)充水部分的三維水下聲吶測量設(shè)備為美國進(jìn)口的Cavern SurveyorⅣ，該三維聲吶探測儀是一種數(shù)字化超聲探測設(shè)備，最大測量半徑為200 m，測量精度可達(dá)厘米級，主要用于對注滿液體的地下空區(qū)進(jìn)行真實(shí)三維測量描述。Cavern SurveyorⅣ聲吶系統(tǒng)直徑為7.2 cm，完全符合常規(guī)潛孔鉆驗(yàn)證鉆孔孔徑規(guī)格，可以通過絞車下放聲吶測量系統(tǒng)，最大下放深度達(dá)千米，其最大工作溫度為70℃，容許工作壓力為30 MPa。聲吶測量探頭采用一對聲吶發(fā)射接收傳感器，用于測距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，內(nèi)部陀螺姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)保證探頭姿態(tài)穩(wěn)定，電子方位羅盤給定正確方位，水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可驅(qū)動(dòng)探頭水平旋轉(zhuǎn)360°，垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)探頭向上或向下偏轉(zhuǎn)1°，聲速設(shè)定功能可以保證不同液體介質(zhì)測量精度，壓力平衡機(jī)構(gòu)可以確保內(nèi)外壓力一致來保證驅(qū)動(dòng)精度，而溫壓傳感器可以獲取液體壓力和溫度，以保障探頭工作在合適溫度。

4 鐵礦隱伏水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)精準(zhǔn)探測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例研究

4.1 精準(zhǔn)探測技術(shù)應(yīng)用研究區(qū)現(xiàn)狀

大地構(gòu)造位置上，水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)精準(zhǔn)探測應(yīng)用研究區(qū)位于華北克拉通北緣，地理位置上具體為鞍本地區(qū)的BIF型鐵礦成礦帶內(nèi)，探測研究對象為典型的BIF型（又稱鞍山式）富鐵礦床內(nèi)的采空區(qū)。地層上，鞍山式典型富鐵礦床的賦礦地層主要為太古界鞍山群茨溝組變質(zhì)巖系，其地層由老到新主要由下部角閃巖層、下含鐵層、中部鈉長變粒巖、上含鐵層和硅質(zhì)巖層組成。構(gòu)造上，探測區(qū)內(nèi)NW向反S型褶皺帶控制了鐵礦帶的分布，而區(qū)域性的NE向寒嶺和偏嶺斷裂控制了鐵礦帶的南北邊界，其內(nèi)次一級的NE向斷裂則將鐵礦帶分割成若干個(gè)鐵礦床。本探測研究的主要對象為井下鐵礦，也是本區(qū)富鐵礦的典型代表。

探測應(yīng)用研究區(qū)內(nèi)的井下鐵礦是由典型的BIF型富鐵礦體組成，礦體厚大且富，以致在地表以下數(shù)百米空間內(nèi)既存在日偽時(shí)期采富棄貧遺留的采場式和巷道式老舊采空區(qū)，又存在鐵礦山整合開發(fā)以前無序開采和亂采亂挖形成的呈群呈層分布的不明采空區(qū)。上述采空區(qū)形狀不規(guī)則且分布無規(guī)律，絕大部分處在地表潛水面以下，多數(shù)處于充滿水的狀態(tài)。但經(jīng)過井下鐵礦的抽排水工作，很多采空區(qū)的規(guī)模和充水量難以精確測量，成了一個(gè)安全隱患，特別是巷道開拓過程中遇到的采空區(qū)，多數(shù)為水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)。這些復(fù)合充填型采空區(qū)若不精確探明和及時(shí)處理，極易在采礦擾動(dòng)下誘發(fā)各類涌水和突水安全事故。結(jié)合前期的地質(zhì)、地球物理和鉆探驗(yàn)證成果，選擇一處驗(yàn)證存在的水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)開展精準(zhǔn)探測研究，查明采空區(qū)的規(guī)模大小、空間分布和含水量，為安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)三維激光和水下聲吶探測

對于水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的充氣部分，主要采用鉆孔式三維激光掃描測量采集點(diǎn)云坐標(biāo)，具體可由3步完成。首先做數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備，備好電源和進(jìn)行設(shè)備自檢，檢測探測空間溫度和初始坐標(biāo)輸入；其次是正確放置三維激光掃描探頭進(jìn)入測量空間，并固定好設(shè)備；最后確定掃描測量方式、掃描速度和掃描過程，開始采集采空區(qū)表面點(diǎn)云坐標(biāo)。本次共采集水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)充氣部分空區(qū)表面點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)131 309個(gè)（圖3）。

對于水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的充水部分，主要采用水下聲吶測量設(shè)備采集數(shù)據(jù)，以收集充水部分采空區(qū)表面點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，共采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)476個(gè)。通過對比充水和充氣部分的采集數(shù)據(jù)量和點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間分布圖可知，探測的水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)經(jīng)過礦山開采過程中的不斷抽排水，其含水量大幅度減少。

通過對三維激光和水下聲吶探測的采空區(qū)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)合成分析得出，采空區(qū)厚度為17.20 m，地表投影影響安全面積達(dá)2 007.70 m2，而其中的水—?dú)膺^渡界面約在海拔-6.0 m處。

4.3 水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)虛擬實(shí)體重建和應(yīng)用成果分析

為了使水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)三維激光和水下聲吶精準(zhǔn)探測成果進(jìn)一步可視化、直觀化和形象化，且可使人們對采空區(qū)的規(guī)模和危害程度有直觀感覺，本研究對獲得的水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)表面點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間的網(wǎng)格化處理和數(shù)據(jù)變換，后進(jìn)行形體渲染和表面渲染，以構(gòu)建井下鐵礦深部采區(qū)水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的三維虛擬實(shí)體模型（圖4），同時(shí)采用塊體法，計(jì)算得出整個(gè)采空區(qū)的體積達(dá)30 568.0 m3。

通過上述探測應(yīng)用研究，利用三維激光和水下聲吶的探測技術(shù)理論和方法，可以定量實(shí)現(xiàn)狹窄探測環(huán)境下的不明采空區(qū)規(guī)模、大小和空間分布的精準(zhǔn)探測，這一方面可以避免人為進(jìn)入采空區(qū)調(diào)查的危險(xiǎn)性、鉆探的“一孔之見”和物探的不確定性，另一方面可以提供準(zhǔn)確的采空區(qū)空間分布參數(shù)，這為采空區(qū)的定量安全評價(jià)和無害化處理提供了數(shù)據(jù)支撐。從更深的層次說，上述2種方法的無縫結(jié)合，可以定量評價(jià)水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的含水量和含氣量，可以有效避免采礦活動(dòng)擾動(dòng)產(chǎn)生的突發(fā)塌陷和涌水事故，這對井下鐵礦的安全生產(chǎn)具有超前預(yù)警的作用。

5 結(jié)論

（1）井下鐵礦采空區(qū)依據(jù)充填介質(zhì)的不同可以分為充氣型和充水型采空區(qū)兩大類，且在二者之間還存在一種過渡型空區(qū)類型——水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)。

（2）三維激光和水下聲吶技術(shù)結(jié)合可以快速、高效和準(zhǔn)確的查明不明水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的規(guī)模、大小、形狀、分布和邊界等定量的空間特征參數(shù)，使科學(xué)安全評價(jià)和處理采空區(qū)成為可能。

（3）通過構(gòu)建水—?dú)鈴?fù)合充填型采空區(qū)的三維虛擬實(shí)體模型，使采空區(qū)形象化、直觀化和可視化，可以超前預(yù)警采空區(qū)有關(guān)的次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，為礦山的開采設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)支撐。