采空區(qū)的危害及探測(cè)方法分析

韓連生 雷洪才

摘要：礦山采空區(qū)的邊坡失穩(wěn)塌陷、涌水和塌陷，以鞍山弓長(zhǎng)嶺煤礦采空區(qū)為工程背景，開(kāi)展了巖石探測(cè)、數(shù)據(jù)處理。分析了采空區(qū)處理、充填。結(jié)合瞬變電磁法的探測(cè)、地震映像、高密度電阻率法探測(cè)分析了鞍山弓長(zhǎng)嶺煤礦采空區(qū)災(zāi)害規(guī)律，并結(jié)合鉆探驗(yàn)證、三維激光精細(xì)測(cè)量，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

Abstract： The slope of the mine goaf is unstable， collapsed， gushing and collapsing. The mining area of the Anshan Gongchangling coal mine is used as the engineering background to carry out rock detection and data processing. The treatment and filling of the goaf were analyzed. Combined with the detection of transient electromagnetic method， seismic image and high-density resistivity method， the disaster law of goaf in Anshan Gongchangling Coal Mine was analyzed and obtained experimental conclusions combined with drilling verification and three-dimensional laser fine measurement.

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；危害；探測(cè)方法

Key words： goaf；hazard；detection method

中圖分類號(hào)：TD8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0240-02

0 引言

鞍山地區(qū)鐵礦開(kāi)采歷史有百余年，開(kāi)采方式為露天和井下開(kāi)拓。早在20世紀(jì)初期日本人就在齊大山、弓長(zhǎng)嶺等礦區(qū)對(duì)地下富鐵礦進(jìn)行掠奪性開(kāi)采，造成地下多處采空區(qū)。近年來(lái)，地方小礦點(diǎn)的不規(guī)范的亂采亂挖，導(dǎo)致采空區(qū)的具體位置、埋深、大小等資料不詳。這些分布位置不確定采空區(qū)給礦山生產(chǎn)和生活帶來(lái)巨大隱患。

1 采空區(qū)的危害

礦山采空區(qū)的塌陷、涌水和邊坡失穩(wěn)是最為嚴(yán)重的礦山地質(zhì)災(zāi)害之一，采空區(qū)給正常采礦生產(chǎn)帶來(lái)了極大的威脅，給深部鐵礦資源開(kāi)采利用，采礦工程計(jì)劃執(zhí)行帶來(lái)極大困難。同時(shí)地下采空區(qū)嚴(yán)重威脅著礦山設(shè)備和人員的安全，也給礦山的爆破質(zhì)量及爆破安全造成嚴(yán)重的安全隱患。且鐵礦山采空區(qū)受強(qiáng)電磁、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和大型設(shè)備作業(yè)等因素影響，精準(zhǔn)探測(cè)和治理難度極大。其危害主要有以下幾點(diǎn)：

①給整個(gè)露天礦坑體的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難；

②露天礦采坑采空區(qū)施工中機(jī)械和人員的不安全；

③采空區(qū)爆破處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生礦體的貧化和損失；

④采空區(qū)中的放射性金屬對(duì)施工人員的危害；

⑤影響采空區(qū)二次引爆的打鉆施工；

⑥采空區(qū)中礦井積水對(duì)施工作業(yè)的影響。

2 弓長(zhǎng)嶺礦區(qū)鐵礦山采空區(qū)探測(cè)地質(zhì)特征及地球物理?xiàng)l件

2.1 弓長(zhǎng)嶺一礦區(qū)地質(zhì)特征

本次探測(cè)區(qū)打的位于弓長(zhǎng)嶺褶皺中，主要形式為主要構(gòu)造形式為褶皺構(gòu)造及與之相伴生的斷裂構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)比褶皺構(gòu)造發(fā)育更為明顯，花崗偉晶巖對(duì)礦體有著較大破壞的，只是影響深度和范圍有限。從礦床地質(zhì)特征分析，礦體受到褶皺、斷層和含鐵巖系的控制，并且礦石類型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征決定了礦體與圍巖在地球物理性質(zhì)較為復(fù)雜特征。

2.2 主要巖礦石的電磁參數(shù)特征

2.2.1 磁性特征

根據(jù)1974年鞍本地區(qū)航空磁測(cè)報(bào)告（冶金部物探公司航測(cè)二隊(duì)，1975）資料，弓長(zhǎng)嶺鐵礦各礦區(qū)的磁鐵礦體具有較強(qiáng)的磁性，與圍巖有顯明的差異。

2.2.2 電阻率特征

本文主要利用巖和礦石的電阻差異性可以直接尋找礦源。結(jié)合該區(qū)域內(nèi)巖礦體分布情況，本文模型中設(shè)定礦體電阻率、圍巖及夾石的電阻率、采空區(qū)電阻率分別為1000Ω·m，2000Ω·m，10000Ω·m，采空區(qū)充水情況下電阻率由水決定，為10Ω·m。

2.3 鐵礦大型多層采空區(qū)探測(cè)的應(yīng)對(duì)之策與突破點(diǎn)

2.3.1 基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查

基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查主要針對(duì)探測(cè)區(qū)的地質(zhì)特征研究展開(kāi)，研究地層的分布規(guī)律、褶皺和斷裂的錯(cuò)礦和移礦規(guī)律、礦體的分布規(guī)律，并進(jìn)行相關(guān)的巖礦石的地質(zhì)-地球物理特征測(cè)試分析，如磁化率、電阻率等。此方面主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、路線測(cè)量完成，并結(jié)合礦區(qū)已有勘探資料展開(kāi)。

2.3.2 地球物理探測(cè)

地球物理探測(cè)方面，主要通過(guò)地震影像法-高密度電阻率法-瞬變電磁法組合，磁法掃面測(cè)量為輔助驗(yàn)證開(kāi)展。

高精度磁法探測(cè)，通過(guò)觀測(cè)和分析巖礦石（或其他探測(cè)對(duì)象）磁性差異所引起的磁異常，進(jìn)而研究地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源（或其他探測(cè)對(duì)象）的分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法。

地震映像（又稱高密度地震勘探和地震多波勘探），是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種常用淺地層勘探方法。這種方法可以利用多種波作為有效波來(lái)進(jìn)行探測(cè)，也可以根據(jù)探測(cè)目的要求僅采用一種特定的波作為有效波。

2.3.3 鉆探驗(yàn)證

在地質(zhì)、地球物理勘查的基礎(chǔ)上，對(duì)圈定的采空區(qū)異常進(jìn)行潛孔鉆鉆探驗(yàn)證，一方面可以準(zhǔn)確驗(yàn)證采空區(qū)的存在，另一方面可以排除假采空區(qū)異常，為地質(zhì)-地球物理調(diào)查提供第一手的翔實(shí)資料。與此同時(shí)，潛孔鉆驗(yàn)證也為三維激光掃描提供了工作環(huán)境。

2.3.4 三維激光精細(xì)測(cè)量

在采空區(qū)的規(guī)模和范圍確定過(guò)程中，基礎(chǔ)地質(zhì)研究是先鋒，地球物理探測(cè)掃面實(shí)時(shí)跟進(jìn)，并對(duì)可疑區(qū)輔以鉆孔驗(yàn)證，以確定采空區(qū)的位置、埋深和厚度，但要進(jìn)一步精確測(cè)定采空區(qū)實(shí)際大小、范圍和體積，依靠上述技術(shù)很難完成，尤其對(duì)于分布凌亂、形狀無(wú)規(guī)則的大型-超大型采空區(qū)來(lái)說(shuō)更是困難重重。為此，針對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，課題組結(jié)合目前最新的測(cè)繪技術(shù)-三維激光掃描技術(shù)（也稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)），可以完整并高精度地重建掃描實(shí)物及快速獲得原始測(cè)繪數(shù)據(jù)。該解決方案主要通過(guò)對(duì)已知空區(qū)驗(yàn)證鉆孔下三維激光測(cè)量探頭，對(duì)驗(yàn)證采空區(qū)進(jìn)行逆向三維數(shù)據(jù)采集和模型重構(gòu)，以海量測(cè)繪數(shù)據(jù)為支撐，建立逼近原形的采空區(qū)實(shí)體模型（圖1）。

2.3.5 地質(zhì)-地球物理-鉆探-三維激光掃描互反饋

面對(duì)今年工作中遇到的大型-超大型采空區(qū)和采空區(qū)群探測(cè)難題，基于對(duì)采空區(qū)精準(zhǔn)探測(cè)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，作為空區(qū)探測(cè)新策略（基礎(chǔ)地質(zhì)研究、探測(cè)技術(shù)方法優(yōu)化組合、淺孔鉆實(shí)時(shí)跟進(jìn)、三維激光掃面建體技術(shù)和數(shù)學(xué)-物理模型于一體的整體化、集成化和精準(zhǔn)化解決方案）中重要的一環(huán)，新增了三維激光掃面建體互反饋技術(shù)，并與基礎(chǔ)地質(zhì)研究、地球物理探測(cè)和鉆探有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空區(qū)探測(cè)技術(shù)的躍升。

3 結(jié)論

①詳細(xì)分析了采空區(qū)的特點(diǎn)、分類及危害，介紹了常見(jiàn)的探測(cè)手段、穩(wěn)定性分析方法及綜合治理方法。

②介紹了弓長(zhǎng)嶺地下礦山采空區(qū)探測(cè)、分析及治理的成功案例，表明該一體化空區(qū)圍巖穩(wěn)定性評(píng)判綜合治理技術(shù)在礦山具有良好的應(yīng)用效果，為我國(guó)其他地下礦山采空區(qū)治理提供了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《采礦手冊(cè)》編輯委員會(huì).采礦手冊(cè)：第四卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

[2]劉敦文，古德生，徐國(guó)元.地下礦山采空區(qū)處理方法的評(píng)價(jià)與優(yōu)選[J].中國(guó)礦業(yè)，2004（8）：52-55.

[3]段宗銀.采空區(qū)處理的探討和實(shí)踐[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2001（2）：3-4.

[4]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：4-5.

[5]王新民，肖衛(wèi)國(guó)，張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.