东川汤丹铜矿复杂采空区群联合调查技术方法研究及应用

吕晓宏 尹 琼 沈忠义 余 璨3

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司；2.昆明冶金高等专科学校）

复杂采空区群的调查和探测一直属于世界性难题，同时井下采空区问题严重影响企业的安全生产［1-2］。在新中国成立初期，由于开采技术落后和生产方法简单，大多数矿山未对采空区进行规范整理和资料保存。而后，通过近几十年来的大规模开采，大部分矿山经过了多次整合和矿权重组，受到部分资料存在遗失和残矿资源再次回收等因素影响，多数原始资料与实际形态难以吻合。部分矿山通过民营和私自滥采，遗留下数量庞大的不明采空区，严重威胁着矿山生产安全。因此查明采空区空间分布范围、形态、规模、变形等全过程资料，对科学评价采空区的现状稳定性并预测发展趋势、治理措施、矿山安全生产以及资源安全回收再利用具有重要的意义。

1 采空区探测技术现状

目前，国内外对采空区的探测主要以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。美国等西方发达国家以物探方法为主。其中，美国以电法、电磁法、微重力法、地震法应用为主；日本以地震波法应用最为广泛；俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量等技术方法进行采空区探测；英、法等国家对地质雷达方法应用较好［3］。

近年来，国内在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面开展了大量的工作，采空区的探测成了工程地球物理的热点和难点问题，引起了地球物理学者的广泛关注，投入了各种各样的方法和技术。比较常见的有高密度电阻率法、音频大地电磁法、瞬变电磁法、低频地质雷达法、伽马放射性测量等方法。根据各个方法的特点，对采空区探测都有各自的适用条件和不足［4-8］。以上方法的精度仅能满足一般工程要求，不能严密、精确地显示采空区真实形态，且受采空区赋存深度的影响较大。

目前世界上较通用的采空区调查方案是利用物探方法确定采空区大致位置，再使用三维激光扫描仪对采空区进行三维数字化，进而达到科学调查和探测采空区的目的。尽管采空区探测技术在不断发展完善，但仍存在部分缺陷：

（1）常规物探技术受探测环境和条件的影响加大，造成探测成果与实际情况出入较大。

（2）三维激光扫描技术（含机器人三维激光扫描技术）仅能对可进入的采空区进行探测，对采空区现状不清、已变形或坍塌、内有障碍物或无法进入空区等情况，容易造成昂贵设备损坏或无法探测。

（3）对于开采历史长、管理不规范、部分资料缺失、分布范围大、现状不清晰、探测环境和条件差的地下复杂采空区，仅采用单一的物探或三维激光扫描进行探测，难以满足采空区探测的精度和质量要求，亟需建立地质、物探、采矿、测绘、探矿工程等多专业、多学科高度融合的采空区联合调查体系，并实现关键探测技术的突破。

2 复杂采空区群联合调查技术方法手段

鉴于采空区调查工作的复杂性和探测的高难度，根据调查工作要达到的目的和工作部署原则，以及各种技术方法、手段所能解决的主要问题，深入分析、总结形成地—物—测—采—工多学科联合调查技术方法体系，全面开展复杂采空区群的调查工作，拟选用如下技术方法和手段。

2.1 综合分析研究

资料收集整理是调查工作的基础和核心，其主要工作内容：

（1）收集矿区已有勘查、设计、实测地质资料及原有三维模型数据资料，研究已有资料记载的采空区的位置和特征，标注不明采空区或记录不详采空区大致情况。

（2）现场调查坑道和采空区的分布情况，记录各采空区可进入性。

（3）对相关知情人士进行走访调查，系统收集隐蔽采空区信息。

（4）根据已有资料和调查、走访收集的信息初步判断老采空区（封闭空区）可能存在的位置，综合其他信息确定物探测量的范围，制定钻孔及其他延伸工程施工、采空区仪器探测的具体实施方案。

（5）及时对获取的资料进行处理和综合分析，制定下一步工作的实施方案并明确各专业、各阶段需要开展的工作内容。

2.2 矿产地质调查

矿产地质调查虽然在采空区调查工作中属于辅助行为，但对于已形成的历史隐蔽采空区的空间展布特征及分布范围的判别有着重要意义。通过路线地质调查、钻孔和坑道编录以及各种编录资料的对比研究，查明矿体的产状、形态、赋存规律，结合采矿方法，可初步判定采空区的空间分布位置。

2.3 工程地质调查

工程地质调查是采空区调查工作的关键环节，直接影响到后续采空区稳定性评价结果的真实性和客观性。其主要目的是在地表和坑道开展水文、工程、环境地质现状以及采空区空间位置、形态规模、充填情况、顶板变形特征等调查工作，查明采空区及其引起的地表塌陷、开裂等地质灾害的特征。具体工作内容：

（1）地表工程地质调查。地表工程地质地质调查路线一般垂直岩层、构造线走向和沿地貌变化显著方向布置；对重要地质体、接触带、断层带、软弱夹层、地质灾害和不良地质现象发育地带、河谷、沟谷和地下水露头多的地方进行追索、观察和记录。

（2）采空区、坑道工程地质调查。自见矿部位开始分别按层位、岩性详细调查，重点调查岩石的结构、构造、风化程度、节理裂隙的性质、密度、充填情况、统计裂隙率、岩体完整破碎程度、岩石块度形状、大小、顶壁稳定程度、变形破坏情况及地下水活动情况。

（3）钻孔岩芯工程地质编录。详细观察和描述矿山已施工钻孔岩芯的岩性、颜色、结构、构造、硬度或状态、湿度、岩石风化程度和深度、裂隙性质、密度、充填情况、发育深度、统计裂隙率、岩芯形状、完整破碎程度，绘制地层岩芯柱状图，计算回次岩芯采取率，按钻进回次测定岩石质量指标（RQD），确定不同岩组RQD值的范围和平均值。

2.4 数字测绘

针对矿山早期露天开采、地表构建筑物设施以及采空区引起的地表塌陷、开裂等问题，开展地形测绘工作。同时采用三维激光探测系统开展坑道、采空区的测绘工作，精确查明采空区的形态以及垮塌情况，同时和矿山实测资料相互检验，准确分析采空区特征，为建立模型提供基础数据。

三维激光探测系统是一种基于3D激光探测技术的新型探测手段。该系统通过对目标整体或局部360°范围内自动扫描，进而得到完整、全面、连续、关联的点云数据，真实地描绘出目标整体结构及形态特性。通过三维模型建立和全面处理后获取目标物的几何内容，如长度、深度、体积、面积、目标结构形变、结构位移等。与传统的探测和测量方法相比，具有探测精确度高、安全高效、探测结果可视性好、不受采空区深度限制等特点。

2.5 地球物理探测

采用电法、电磁法、地质雷达等地球物理探测手段，对人员无法进入以及可能存在未知的采空区进行探测，大致查明其分布情况，同时与资料综合分析推断圈定的采空区进行对比验证。

2.6 钻探工程验证

钻探施工主要是针对已经封堵、垮塌的采空区进行揭露，以进一步查明采空区围岩的工程地质情况、确认采空区的变形破坏和垮塌充填情况。

具备条件时对钻孔采用孔内电视进行全孔壁扫描，以准确揭露岩性、地质构造、软弱夹层、裂隙发育情况。

2.7 采空区三维建模

利用三维地质建模技术，对综合整理、联合调查成果的资料数据进行三维可视化展示，建立地表模型、岩层模型、断层模型、矿体模型、块段模型、开拓工程模型和采空区模型等矿床三维地质模型，从三维角度揭示各地质体的空间分布和结构关系，直观、形象地展示采空区的空间位置、形态大小、分布特征。

2.8 采空区档案

根据所收集资料、调查成果、采空区三维地质模型等资料数据汇总，同时结合采场设计图、实测矿块图、采出矿量表、充填及封堵记录表、塌陷及变形观测表、实测成果等资料，从采场的分布位置、空间形态、资料来源、开采现状、岩性特征、水工环特征等方面建立采空区档案，同时还包括各中段采空区统计汇总表、单个采空区档案卡片以及相关附件材料，真实、准确地记录采空区相关特征参数，以便于矿山生产管理。

3 应用实例

3.1 项目区概况

东川汤丹铜矿位于昆明市13°方向，平距为130 km处，行政区划属云南省昆明市东川区汤丹镇管辖。经过长期开采，在其矿权内形成了大量的采空区。数量众多的采空区严重影响了矿山对矿产资源的综合利用和下步一体化开发工作的科学部署，也给矿山附近居民的日常生活、生命财产和矿山生产带来了严重的安全隐患。

为了切实贯彻执行国务院安委会办公室和云南省安全生产委员会办公室文件精神，加速推进矿区采空区事故隐患的治理工作，同时满足汤丹铜矿下步老区、新区“一体化”开发需要，矿山决定开展采空区调查工作。

3.2 调查技术方法应用

针对采空区分布特征，在详细收集可查阅历史及现有资料的基础上，技术人员确定了以地质、采矿、测绘、物探、水工环、钻探等多专业联合调查的技术方案，经过全面系统的调查，地球物理频率域电磁法扫面为2.0 km2，测线长度约为42.1 km，空区测深定点116个。完成5处地表塌陷区和8个生产中段438个地下采空区调查，其中三维激光扫描114个采空区，现场调查及封堵采空区45处，钻探工程验证11个采空区，4个钻孔采用钻孔电视进行全孔壁扫描。同时采集38件物理力学样品，开展地应力测量3处。矿区有112处采空区发生壁柱变形、顶底板垮塌及陷落情况。

3.3 取得成果

查明了矿区采空区的数量、规模、形态、空间分布等特征，采场及采空区共有438个（包含备采、在建、待建、正在回采的采场83个），采场体积为9 248 134 m3，存窿体积为3 294 548 m3，实际空区体积为5 953 586 m3。建立了采空区档案和矿床综合三维地质模型（图1、图2）。

4 结语

鉴于数量庞大、分布复杂的采空区现状，矿山今后需要优化开采方案，调整回采顺序和采场结构参数，合理布置井巷工程和支护方式，加强地压监测和管理，及时对采空区采取充填、崩落、封堵等方法进行综合治理［9-10］，加强安全生产管理，以确保安全生产。

由于很多金属矿山管理不规范、历史遗留问题较多，要解决复杂采空区群调查的关键技术问题，必须以矿产地质学、工程地质学、地球物理学、数字测绘以及钻探技术等多学科的基本理论与方法为依据，紧紧围绕采空区调查的相关技术要求，整合各学科在采空区调查方面的突出优势，才能更准确、客观、真实地查明复杂采空区群的特征，为矿山安全生产、安全管理及采空区稳定性分析、治理、监测等后续工作提供依据。