地下转露天矿山复杂采空区探测工程实践

谭卓英 钟 文 胡天寿 冯 萧

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083; 3.江西铜业股份有限公司永平铜矿，江西上饶334506;4.江西理工大学工程研究院，江西赣州341000)

露天开采相比于地下开采具有许多明显的优势。例如，矿石开采能力大、矿石回收率高、工作安全系数高、施工作业环境好等［1］。近年来，随着采矿生产力水平的不断提高，国内外大部分具备相应条件的矿山都实施了地下转露天开采。尽管该类矿山总体上数量不多，但在矿石储量、开采条件等因素允许的情况下尽早转变为露天开采对于促进当今地下开采矿山企业的高能效、低能耗、可持续性发展来说具有积极的战略意义［2-4］。然而在地下转露天开采矿山的区域内必然存在着大量形态各异、成因复杂的采空区，这些采空区由于若干年的荒废变得更加难以标定和探测，时刻威胁露天矿山的正常生产，给露天开采人员及设备带来极大的安全隐患。因此，在众多采空区探测方法中找到一种更加适用于地下转露天矿山复杂采空区探测的技术方法具有重要的现实和长远意义。本文主要介绍利用探地雷达(GPR)对地下转露天开采境界内的浅地表复杂采空区进行探测的技术方法及其地质效果。

1 采空区的分类及其探测技术

1.1 采空区的分类

在矿山领域，采空区分类形式有很多，从采空区的成因和演化的角度出发可以将其分为4类［5-6］。

(1)规划开采形成的采空区。该类采空区主要是指新中国成立以后，正规矿山企业合理规划开采所形成的采空区，其特点是有较为详细的采场、巷道及相关辅助设施的设计图纸资料，采空区的位置和形态可以很容易地在图纸上标定出来。

(2)古代开采和非法盗采形成的采空区。从已发掘的古代采矿遗址来看，我国的采矿历史可以追溯到宋代甚至更早，大量的古代开采活动在推动生产力水平前进的同时也遗留下许多未知的采空区。非法盗采则是从古至今都无法杜绝的民间采矿形式，粗放式的采矿工艺不仅对有限的矿产资源造成了极大的浪费，其形成的采空区也为今后的正规开采埋下了安全隐患。这2种采空区俗称老窿，其特点是基本没有标定采空区所需参考资料，有必要对其进行采空区探测与处理。

(3)充填不充分或充填体沉降形成的采空区。在对采空区进行充填处理时，无论是何种充填材料，都难以做到充分充填采空区，再加上充填体长时间的沉降，顶板和围岩在外部人工或自然因素的干扰下发生2次破碎，使充填不充分区域扩大化、复杂化，形成采空区。该类采空区的特点是规模一般较小，空区内往往夹杂2次破碎充填物，通过现有资料能够判断大概的位置和形态。

(4)2次垮塌形成的采空区。在早期地下开采过程中存在这一些未经处理、规模较大的采空区，这些采空区原本可以标定，但由于长期受到降雨入渗、爆破震动、人工扰动和应力释放等外部因素的影响发生了2次垮塌，原采空区周边的岩体产生了大规模的破坏，相当于形成一个体积更大、形态更为复杂的采空区。该类采空区虽然不多见，但其破坏力极强，应当进行适当的排查。

通过对以上4类采空区类型和特点进行归纳分析可知，规划开采形成的采空区易于标定和控制，不会对于地下转露天矿山的日常生产造成太大影响;古代开采和非法盗采形成的采空区、充填不充分或充填体沉降形成的采空区以及2次垮塌形成的采空区，由于形态复杂且位置不明，对安全生产构成威胁，需要进行合理有效的采空区探测工作。

1.2 采空区探测方法

目前，用于探测地下采空区的技术方法日新月异，但归纳起来还是隶属于钻探方法和地球物理方法这两个大类。钻探方法的特点是形象直观，但容易造成以孔代区、以偏概全，尤其是对于古代开采、民间非法盗采且废弃多年的复杂采空区探测精度难以掌控。地球物理方法最大的特点就是一次性探测区域大，所以在空区探测领域发展迅速。其中，具有代表性的地球物理方法包括高密度电法、地震类方法、GPR等。高密度电法对水较为敏感，所以在判断采空区含水量时优势明显，但总体探测精度不高;地震类方法主要应用于埋深较大的采空区，对于浅部及中深部采空区探测有一定的局限性;GPR法则适用于埋深较浅的采空区，其具有操作方便简单、图像清晰直观、解译通俗易懂、成本经济高效等优点，非常适合地下转露天矿山复杂采空区的探测普查工程［3］。

2 GPR法的基本原理

GPR的探测方式是采用单个固定形式的反射/接收天线组合，通过在地表移动该天线组合实现对地下区域的反射或透射探测。其工作原理可以简单概括为发射器将高频电磁波转化为一系列宽频带短脉冲，通过发射天线T穿透地表射入地下，在透射过地下各种岩土体介质或采空区后再反射回地表被接收天线R接收，形成闭合回路。其工作原理如图1所示。探地雷达的脉冲波双程走时可以表示为

式中，t为高频电磁波的双程走时;z为反射体与探测地表之间的距离;v为地下岩土体介质中的波速;x为发射与接收天线之间的距离［4］。

图1 GPR基本原理示意Fig.1 GPR detection p rincip les

如果已知地下岩土体介质中的波速v，则可以将探测过程记录的精确时间t代入(1)式求出反射体与探测地表之间的距离［5］。高频电磁波在地下岩土体介质中传播时，其强度和波形将会因为透射介质不同的电性质及几何形态而呈现出特有的形态［7］。因此，根据双程走时t、波幅以及波形等数据资料，就可以推断出探测区域地下岩土体介质的大致结构(包括采空区的基本位置、形态)。通常输出的雷达数据图是以脉冲反射波波形的方式保存，以黑、白2种颜色分别表示波形的正、负峰，也可以通过灰阶或彩色来展现，最终在轴向剖面以波形图等灰度图或等色线图的形式即可较为直观地表现出地下各种不同的岩土体介质反射面［8-9］。GPR探测采空区基本原理如图2所示。

图2 GPR探测采空区基本原理示意Fig.2 The p rincip les of goaf detection GPR

3 工程实例

银山九区铜硫金露天矿是国内较为有代表性的地下转露天矿山。在露天开采境界内的边坡下赋存一定数量的未充填或废石充填不充分的规划性采空区，包括有标高+72m中段采空区、+22m中段采空区、－33 m中段采空区及－88 m中段采空区等，其中可能有个别未充填空区已经演化发展为大型2次垮塌采空区。另外在露天采场北东边坡还存在少量位置不详的古代开采和民间非法盗采所形成的采空区(老窿)。以上这些采空区经过长时间的演化，具有复杂的形态特征，对安全生产构成了极大威胁，需要对其开展适当的普查和详查工作。

3.1 GPR现场探测技术方法

本次复杂采空区探测工程所采用的仪器为IDS公司生产的RIS－K2型探地雷达，其性能指标如表1所示。根据露天矿区已掌握的历史资料分析了可能赋存的复杂采空区域，着重选取了5个控制测点，其中，测点1位于北边坡+120 m平台;测点2位于东边坡+72 m平台;测点3位于北部运岩公路附近的+96 m平台;测点4与测点5分别位于北部运岩公路的南段和北段。测点分布如图3所示，测点3测线布置如图4所示。

表1 RIS－K 2型探地雷达性能指标一览Table1 Ground penetrating radar(GPR) performance index of RIS-K 2

图3 采空区探测GPR测点分布Fig.3 Surveying points of goaf detection GPR

图4 测点3的测线布置Fig.4 Line layout of point 3

3.2 数据采集处理与图像解译

本次数据采集处理采用RIS－K2专用软件，该软件能够对所接收高频电磁波进行自动修复、过滤以及F－K滤波和反褶积处理，从而输出高信噪比的雷达走时剖面图，大大提高了有用信号识别的效率，为后续的图像解译工作奠定基础［5］。

GPR图像资料解译的基本原则是真实、全面、准确。首先是将软件处理后得到雷达走时剖面图转换为探地雷达剖面图(波形图和灰度图)，再根据反射波组在图像中呈现出的波形与灰度特性，加以同相轴定位追踪，从而推断出异常反射波组的岩土介质信息，并依据多组剖面解译信息建立起整个探测区域的空间探测结果［5-6］。以下以测点3为例进行解释说明。

测点3位于北部运岩公路附近的+96 m平台。图4为测点3的测线布置图，其中横向测线在边坡平台上平行分布，共3条，间距为3 m;而纵向测线则垂直横向测线布置，共8条，间距同样为3 m。

横向测线探测资料如图5、图6和图7所示，通过分析可以看出，电磁波在正常类连续介质中有着能量逐渐衰减、波幅较小等规律，而+96 m平台下4 m到18 m的范围内电磁波波形杂乱，波幅变化异常，由此推测该处可能存在破碎带或老窿充填区;平台下28 m以下部分突然出现了双曲线形态的强反射回波信号特征，这是穹形顶空洞在GPR波形图上出现的典型特征［7］，据此可推测该处可能存在采空区，宽度至少有4.5 m，另外从空区的分界线分析判断有可能是巷道空区或2次垮塌形成的采空区。纵向测线探测资料图8和图9所示，通过分析可以看出，+96 m平台下4 m到18 m的范围内存在大量的破碎充填物;平台下28 m以下存在巷道空区或2次垮塌形成的采空区，其位置与横向测线所测得的位置高度吻合。通过综合分析横向测线和纵向测线的灰度图及波形图，就能够基本确定采空区的位置及其形态。

图5 Z1横向测线GPR灰度图和波形图Fig.5 GPR grayscale and waveform of horizontal line Z1

图6 Z2横向测线GPR灰度图和波形图Fig.6 GPR grayscale and waveform of horizontal line Z2

图7 Z3横向测线GPR灰度图和波形图Fig.7 GPR grayscale and waveform of horizontal line Z3

图8 H1～H3横向测线GPR灰度图和波形图Fig.8 GPR grayscale and waveform of vertical line H 1～H 3

图9 H4～H8横向测线GPR灰度图和波形模拟图Fig.9 GPR grayscale and waveform of vertical line H 4～H 8

在探测现场能看到一些意外揭露且已经延伸至地表的采空区，如图10所示。这些采空区大多夹杂着碎石，虽然位置较为隐蔽，宽度也不大，但从其空间位置、揭露标高以及延展方向来看，基本上能和本次探测的结果联系起来，从而进一步证明了本次采空区探测工程的可靠性。

本次现场探测的5个测点结果具体归纳如下:测点1，探测地点位于北边坡+120 m平台，采空区距探测地表高度约为17 m，且在距探测地表3 m处有1条岩(土)体分层，采空区内含有大量的充填物，且上部较破碎。测点2，探测地点位于东边坡的+72 m平台，探测深度范围内未发现明显空区，距探测地表2 m左右有少量破碎岩(土)体，基本不构成安全隐患。测点3，探测地点位于靠近北部运岩公路北边坡的+96 m平台，空区距探测地表高度约为28 m，+96 m平台下4m到18 m的范围内存在破碎层或破碎带，空区拱顶位于+96 m平台与+108 m平台之间，并且空区宽度至少有4.5 m。测点4，探测地点位于靠近北部运岩公路南段，距探测地表高度20～27 m的范围内存在3个巷道空区或2次应力释放空区，空区宽度为3 m左右。测点5，探测地点位于北部运岩公路北段，探测深度范围内未发现明显空区，距探测地表20 m左右以下区域可能存在破碎带或古河道的充填区，宽度约为8 m。

图10 揭露空区及其破碎充填物Fig.1 0 Exposed goaf and its fracture fillings

4 结语

在地下转露天开采过程中，可能遇到的复杂采空区包括规划开采形成的采空区、古代开采和非法盗采形成的采空区、充填不充分或充填体沉降形成的采空区以及2次垮塌形成的采空区。由于后3种采空区的形成区域未知或需要预测，对矿山的正常生产构成巨大的安全隐患。工程实践表明，GPR法对于探测地表浅部各种采空区、充填破碎带等不良地质结构不仅结果准确可靠，而且经济高效，在同类探测方法中优势明显，尤其是在探测地下转露天矿山中赋存的复杂采空区效果显著，值得在相关领域应用推广。

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