某铁矿隐伏水—气复合充填型采空区精准探测技术*

2021-12-17宫国慧王志猛贾三石付建飞

现代矿业 2021年11期

宫国慧王志猛贾三石付建飞

（1.鞍钢集团矿业弓长岭有限公司井采分公司；2.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院；3.东北大学资源与土木工程学院）

一定时期内的矿产资源无序开采会在地表以下数百米空间内遗留大量不明采空区，这些采空区改变了周围岩土体的力学性质，极易在后期大规模整合开采扰动中发生突然塌陷、冒落和突发涌水等次生地质灾害，严重威胁矿山的生产安全［1-2］。不明采空区探测成为已知矿集区规模化、安全高效开采必须解决的一个技术难题。为此，除常见的人工调查外，当前多采用常规的物探、钻探等多种技术手段开展采空区探测研究工作，并取得了显著效果，在一定程度上避免了采空区有关安全事故的发生［3-4］。值得一提的是，物探方法高效快捷且成本低，但容易受到外界环境干扰且存在多解性，得到的采空区地球物理异常结果不唯一；而钻探技术虽然可信度高，但往往是一孔之见且成本高，并难以圈定采空区准确范围。这些技术方法虽然在解决采空区超前预警方面作用巨大——避免了进入采空分布区诱发安全事故，但在采空区安全处理方面却无法提供采空区准确的空间分布参数。此种情况下，高精尖的测量技术引入采空区精准探测势在必行，这些技术有助于查明采空区的规模大小、埋深和发育现状，进行安全评价，以合理规划开采矿山的生产进度和有关的采空区安全处理工作。

而对于现代测量技术在采空区精准探测与开采安全评价方面的应用，国内外已经开展了大量理论研究和实践应用研究工作，因采空区内部充填介质类型的不同，分别集中在三维激光测量和水下声呐测量2种技术方面。三维激光以其直观、高效和简单，是国外近些年主要应用的采空区精准探测技术方法，主要用于充满空气的采空区测量，并在不断完善和提高［5-6］。国外方面，Miller等［7］于1992年首次在杆件上安装激光自动扫描系统对开挖空区进行精准探测；国内方面，过江等［8］于2006年提出了以3D激光探测技术为基础的空区探测新技术（扫描孔直径250 mm）；贾三石等［1］于2019年首次在鞍本地区BIF型铁矿采用钻孔式三维激光探测技术，准确探测了超大型采空区（扫描孔直径大于50 mm即可），而李杰林等［9］在2020年首次在云南大红山铁矿进行了无人机三维激光扫描探测复杂形态采空区。对于水下声呐的采空区测量技术，主要用于充满水的采空区测量，杨兆林等［3］和张德辉等［10］分别于2021年和2020年，在吕梁地区和鞍本地区的露天铁矿充水型采空区进行了扫描探测研究。上述研究多集中于单一充水型或充气型采空区的探测研究，在水—气复合充填型采空区探测方面则是一个研究应用空白，而水—气复合充填型采空区是井下金属矿山开采必须面临的探测技术难题，特别是对其含水量规模和形态的精准探测，对狭窄有限空间内的井下矿山突发涌水和安全充填处理至关重要，这在大规模的井下铁矿开采过程中表现的尤为突出。鉴于此，本项目以开采历史悠久的鞍本地区典型井下铁矿为研究对象，以三维激光和水下声呐探测技术理论为指导，选取水—气复合充填型采空区开展探测应用研究，准确查明水—气复合充填型采空区空间位置、埋深和规模大小，为井下铁矿的安全开采提供理论支撑和技术保障。

1 采空区充填介质类型划分及精准探测技术优选

基于不同的标准，采空区可以有多种类型划分，如基于开采时间、开采矿产资源类型、采空区规模、采空区埋藏深度和赋存状态等的分类。而如果从探测的角度出发，考虑到主要的物性特征，对于金属矿山来说，采空区从充填介质类型划分最合理［11］。金属矿山，特别是铁矿属于硬岩区的矿山，其开采后形成的空间基本长期保持一定空间形状不变，除非在强烈开采扰动下发生冒落和变形破坏。因此，对于其开采后的充填介质，应属于流动性的介质，自然界中此类介质主要有两大类，一类是液态水为主要成分的水溶液，一类是空气为主要成分的气体。上述两大类不同充填介质可以形成两类采空区，即充气型采空区和充水型采空区。

对于充气型采空区，可选用先进的激光测量技术，考虑到矿山狭窄的探测空间和有限测量设备放置空间［12］，本项目选用钻孔式的三维激光测量技术。而对于充水型采空区，可以采用水下声呐测量技术［13］，但限于矿山有限的测量空间和设备放置空间，选用小直径侵入式水下声呐测量技术。而在实际矿山开采应用研究中，由于矿山抽排水导致的潜水面动态变化，就形成了一个新类型采空区，其内含水量和含气量随着矿山动态潜水面的变化发生持续性的缓慢改变，这类采空区就是充气型和充水型采空区的过渡类型，本研究称之为水—气复合充填型采空区。对于水—气复合充填型采空区的探测，需要充分发挥三维激光和水下声呐探测技术的优势，优化组合，形成水—气复合充填型采空区精准探测技术方法。

2 水—气复合充填型采空区精准探测技术基本原理

相较于传统的钻探技术和常规的地球物理勘探方法［14-15］，三维激光和水下声呐探测具有自身独特的优点，特别适合于矿山环境采空区的精细探测，二者结合可以实现对复杂环境下的水—气复合充填型采空区的精准探测。

2.1 三维激光探测技术基本原理

在采空区精准探测方面，三维激光探测技术主要采用脉冲测距法（TOF），这是一种高速激光测时和测距技术，其测距可在100 m以上，数据点采样速率在1 000点/s以上，短时间可以获取目标体点云坐标。而其获取目标体点云坐标的原理为依据内部精密测量系统获取发射出去的激光光束的水平角度α和垂直方向角度θ，后由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值L，可从获取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。具体对于采样的点云坐标来说，属于系统局部坐标，可以三维激光扫描仪的内部坐标为原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪扫描方向，Z轴为垂直方向（图1），最终计算可得到扫描目标点P的坐标（X P、Y P、Z P），计算公式如下［1］。

式中，c为光速，m/s；Δt为激光信号往返之间的时间差，s。

2.2 水下声呐探测技术基本原理

水下声呐是利用声波对水下或水面的目标体进行定位、跟踪和识别的一种技术设备。具体到本研究所用的水下声呐是一种钻孔式的测腔三维声呐探测仪，其内置声呐系统，通过发射声波探测水下目标体，同时接受目标体在水中反射回来的声波信号来进行测距［10］（图2）。测量过程中，接收回来的声波信号被转换为相对坐标数据记录下来，后通过相关的坐标数据转换得到测量目标体的三维点云坐标。

3 水—气复合充填型采空区精准探测技术的方法和装置

3.1 采空区三维激光探测技术的方法和装置

水—气复合充填型采空区充气部分的三维激光探测所用设备为英国进口的C-ALS型激光测距仪，这是一种专门针对资源开采行业中有限作业面使用的3D激光探测技术设备。上述设备可以通过直径大于50 mm的地表钻孔，放置到采空区区内，开展三维激光扫描测量，又被称之为钻孔式三维激光扫描仪。在实际探测中，首先根据不同采空区所在的场地条件，架设三维激光扫描探测设备；其次计算初始空间坐标输入测量系统；最后将C-ALS型激光测距仪的扫描探头通过地表钻孔放入空区内，它就可以根据程序设定开始上下180°、水平360°旋转，以对目标体的进行无缝扫描，且可连续不断收集距离和角度数据。在空区扫描探测过程中，探头可在一个平面内360°旋转扫描，每扫完一周后，探头按照预设输入的参数抬升一个固定角度（1°～3°），以完成下一个平面的扫描测量工作，如此连续循环直至完成整个空区扫描。C-ALS型激光测距仪的测量范围为0.5～150 m，精度为±5 cm，水平和垂直旋转角度精度达到0.2°，分辨率达0.1°，每秒可扫240个点。

3.2 采空区水下声呐探测技术的方法和装置

水—气复合充填型采空区充水部分的三维水下声呐测量设备为美国进口的Cavern SurveyorⅣ，该三维声呐探测仪是一种数字化超声探测设备，最大测量半径为200 m，测量精度可达厘米级，主要用于对注满液体的地下空区进行真实三维测量描述。Cavern SurveyorⅣ声呐系统直径为7.2 cm，完全符合常规潜孔钻验证钻孔孔径规格，可以通过绞车下放声呐测量系统，最大下放深度达千米，其最大工作温度为70℃，容许工作压力为30 MPa。声呐测量探头采用一对声呐发射接收传感器，用于测距获取点云数据，内部陀螺姿态稳定系统保证探头姿态稳定，电子方位罗盘给定正确方位，水平旋转机构可驱动探头水平旋转360°，垂直旋转机构可以驱动探头向上或向下偏转1°，声速设定功能可以保证不同液体介质测量精度，压力平衡机构可以确保内外压力一致来保证驱动精度，而温压传感器可以获取液体压力和温度，以保障探头工作在合适温度。

4 铁矿隐伏水—气复合充填型采空区精准探测技术应用实例研究

4.1 精准探测技术应用研究区现状

大地构造位置上，水—气复合充填型采空区精准探测应用研究区位于华北克拉通北缘，地理位置上具体为鞍本地区的BIF型铁矿成矿带内，探测研究对象为典型的BIF型（又称鞍山式）富铁矿床内的采空区。地层上，鞍山式典型富铁矿床的赋矿地层主要为太古界鞍山群茨沟组变质岩系，其地层由老到新主要由下部角闪岩层、下含铁层、中部钠长变粒岩、上含铁层和硅质岩层组成。构造上，探测区内NW向反S型褶皱带控制了铁矿带的分布，而区域性的NE向寒岭和偏岭断裂控制了铁矿带的南北边界，其内次一级的NE向断裂则将铁矿带分割成若干个铁矿床。本探测研究的主要对象为井下铁矿，也是本区富铁矿的典型代表。

探测应用研究区内的井下铁矿是由典型的BIF型富铁矿体组成，矿体厚大且富，以致在地表以下数百米空间内既存在日伪时期采富弃贫遗留的采场式和巷道式老旧采空区，又存在铁矿山整合开发以前无序开采和乱采乱挖形成的呈群呈层分布的不明采空区。上述采空区形状不规则且分布无规律，绝大部分处在地表潜水面以下，多数处于充满水的状态。但经过井下铁矿的抽排水工作，很多采空区的规模和充水量难以精确测量，成了一个安全隐患，特别是巷道开拓过程中遇到的采空区，多数为水—气复合充填型采空区。这些复合充填型采空区若不精确探明和及时处理，极易在采矿扰动下诱发各类涌水和突水安全事故。结合前期的地质、地球物理和钻探验证成果，选择一处验证存在的水—气复合充填型采空区开展精准探测研究，查明采空区的规模大小、空间分布和含水量，为安全生产提供数据支撑。

4.2 水—气复合充填型采空区三维激光和水下声呐探测

对于水—气复合充填型采空区的充气部分，主要采用钻孔式三维激光扫描测量采集点云坐标，具体可由3步完成。首先做数据采集前的准备，备好电源和进行设备自检，检测探测空间温度和初始坐标输入；其次是正确放置三维激光扫描探头进入测量空间，并固定好设备；最后确定扫描测量方式、扫描速度和扫描过程，开始采集采空区表面点云坐标。本次共采集水—气复合充填型采空区充气部分空区表面点云坐标数据131 309个（图3）。

对于水—气复合充填型采空区的充水部分，主要采用水下声呐测量设备采集数据，以收集充水部分采空区表面点云坐标数据，共采集点云数据点476个。通过对比充水和充气部分的采集数据量和点云数据空间分布图可知，探测的水—气复合充填型采空区经过矿山开采过程中的不断抽排水，其含水量大幅度减少。

通过对三维激光和水下声呐探测的采空区表面点云数据合成分析得出，采空区厚度为17.20 m，地表投影影响安全面积达2 007.70 m2，而其中的水—气过渡界面约在海拔-6.0 m处。

4.3 水—气复合充填型采空区虚拟实体重建和应用成果分析

为了使水—气复合充填型采空区三维激光和水下声呐精准探测成果进一步可视化、直观化和形象化，且可使人们对采空区的规模和危害程度有直观感觉，本研究对获得的水—气复合充填型采空区表面点云坐标数据进行三维空间的网格化处理和数据变换，后进行形体渲染和表面渲染，以构建井下铁矿深部采区水—气复合充填型采空区的三维虚拟实体模型（图4），同时采用块体法，计算得出整个采空区的体积达30 568.0 m3。

通过上述探测应用研究，利用三维激光和水下声呐的探测技术理论和方法，可以定量实现狭窄探测环境下的不明采空区规模、大小和空间分布的精准探测，这一方面可以避免人为进入采空区调查的危险性、钻探的“一孔之见”和物探的不确定性，另一方面可以提供准确的采空区空间分布参数，这为采空区的定量安全评价和无害化处理提供了数据支撑。从更深的层次说，上述2种方法的无缝结合，可以定量评价水—气复合充填型采空区的含水量和含气量，可以有效避免采矿活动扰动产生的突发塌陷和涌水事故，这对井下铁矿的安全生产具有超前预警的作用。