“天空地深”綜合勘查方法在華兵鐵礦采空區(qū)勘查中的應用

多曉松，付茂盛，張婉怡，張 博

(1.華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000；2.河北省礦山地質災害預警技術創(chuàng)新中心，河北 承德 067000；3.承德市礦產資源評審中心，河北 承德 067000；4.河北省水文工程地質勘查院，石家莊 050000)

華兵鐵礦由于多年礦山開采，歷史遺留下部分淺埋采空區(qū)，采空區(qū)的形成破壞了原有頂板圍巖的應力平衡，改造了礦區(qū)地質環(huán)境條件。部分采空區(qū)雖未發(fā)生塌陷，但形成潛在的塌陷安全隱患。2017年8月，華兵選廠發(fā)生采空區(qū)塌陷事件，形成深約40 m的塌陷坑，致使華兵選廠全部陷入地下，造成巨大的經濟損失；2019年7月，華兵鐵礦選廠再次發(fā)生采空區(qū)塌陷。采空區(qū)塌陷發(fā)生后，地質環(huán)境發(fā)生變化，礦區(qū)出現(xiàn)多處地裂縫，影響礦山安全生產，威脅礦山職工生命財產安全，已經成為當?shù)刂匾纳鐣栴}，急需查明采空區(qū)分布及規(guī)模，為采空區(qū)治理提供數(shù)據(jù)。

近些年來，科技不斷發(fā)展進步，已有多位專家學者對金屬礦山尤其是有色金屬礦山采空區(qū)進行了研究，并取得較好的探測效果。時彥芳等[1]對磁測、高密度電法、CSAMT法綜合應用，分析采空區(qū)探測效果；韓術合等[2]采用音頻大地電磁測深法、瞬變電磁和單位地震對某煤炭采空區(qū)進行了研究；彭朝暉等[3]采用電阻率剖面法、磁法、激發(fā)極化法等對冀東鐵礦采空區(qū)取得較好效果；門業(yè)凱等[4]采用高密度和地震映像法對露天鐵礦采空區(qū)進行了分析等等。

本文通過改進傳統(tǒng)采空區(qū)勘查方法手段，選用遙感形變監(jiān)測、微動勘探、TRT超前地質預報、三維激光掃描等手段，對采空區(qū)進行了驗證，取得了較好的成果，為采空區(qū)充填治理提供了較為精準的數(shù)據(jù)。通過傳統(tǒng)勘查方法與高新技術方法的組合使用，有效解決了地形、地貌及生產要素等因素的影響，為綠色礦業(yè)開發(fā)、建立科學完善的政策法規(guī)體系提供了新的理念[5-8]。

1 采空區(qū)勘查方法概述

由于該礦山開采多年，歷史遺留問題較多，首先對礦區(qū)進行地形測量、工程地質調查與測繪、礦山搜集資料，對地質及采礦情況、地表及建筑物變形、地下水、采空塌陷治理情況、地下巷道、崩落法采坑、地貌等進行調查，重點查明礦區(qū)內及周邊礦區(qū)的開采起始時間、開采方式、規(guī)模、開采礦層、產狀、采深采厚比、回采率、頂板管理方式、礦柱留設情況等，對礦區(qū)進行初步“問診”。

然后采用PS-InSAR遙感形變監(jiān)測、無人機攝影測量及激光LIDAR進行不同時序掃面工作，確定靶區(qū)區(qū)域。采用瞬變電磁、微動勘探、超前地質預報等方法對靶區(qū)內異常精確定位，采用工程地質鉆探與三維激光掃描進行異常驗證，獲得采空區(qū)精確數(shù)據(jù)，為采空區(qū)穩(wěn)定性分析及充填治理提供依據(jù)(見圖1)。

圖1 “天空地深”一體化采空區(qū)勘查體系簡圖Fig.1 Schematic diagram of "Space-Sky-Ground-Depth" integrated goaf exploration system

2 天基

主要是利用PS-InSAR衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時空序列監(jiān)測，選取不同時序的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行地表沉降異常分析。InSAR探測結果精度高，探測時間連續(xù)，可以精確監(jiān)測采空區(qū)長期地表變化情況，尤其對老采空區(qū)探測[9]，方法有效。

通過PS-InSAR非接觸觀測對全區(qū)進行地表形變監(jiān)測異常值，來探尋華兵礦區(qū)可能存在的采空區(qū)。為了有效地實現(xiàn) PS-InSAR 礦區(qū)沉陷長時序形變監(jiān)測，選取礦區(qū)自2018 年10月至2019年7月Sentinel-1A影像和空間分辨率為30 m的 SRTM DEM 作為監(jiān)測數(shù)據(jù)。Sentinel-1A衛(wèi)星重訪周期為11 d，其影像入射角為41.1°。

PS-InSAR結果顯示礦區(qū)內整體形變表現(xiàn)為沉降趨勢，沉降速率3～11 cm/a，監(jiān)測周期內最大累積沉降為14 cm，采區(qū)內豎井旁形變速率集中在3～5 cm/a，最大沉降形變處可達14 cm/a，沉降異常推測為采空區(qū)頂板所引發(fā)的地表形變(見圖2)。

圖2 礦區(qū)PS-InSAR遙感形變監(jiān)測年平均形變速率圖Fig.2 Annual average deformation rate of PS InSAR remote sensing deformation monitoring in the mining area

3 空基

主要是利用無人機攝影測量和三維激光掃描(LIDAR)，采集不同時序的地表沉降形變的點云數(shù)據(jù)，通過特定算法及DEM模型疊加技術反演采空區(qū)地面沉降時空序列結果，并疊合到采空區(qū)三維立體模型中，精準、立體、直觀展示采空區(qū)地面沉降變化結果[10]。

3.1 無人機攝影測量建模技術及形變監(jiān)測

無人機攝影測量技術提供勘查區(qū)正射及傾斜影像，彌補InSAR相干失真等不足，同時，多期無人機生成的DEM、DSM的差分精確展示了礦區(qū)地表的形變。選用大疆精靈4無人機搭載定位系統(tǒng)(POS)和數(shù)據(jù)記錄器采集高精度點云數(shù)據(jù)，并在Agisoft PhotoScan Professional v 1.4.3中進行處理，點云的分辨率將降低到每米10點。進一步對每個點云圖像進行濾波，去除植被覆蓋等地表物體，生成裸地數(shù)字地形模型(DTM)(見圖3)。

圖3 礦區(qū)全區(qū)正射模型影像圖Fig.3 Orthophoto model image map of the whole mining area

本次研究獲取華兵礦區(qū)無人機影像399張像片，生成密集點云74 539 650個點，控制點誤差0.057 315 m，生成白模共12 067 457個面，6 071 214個頂點三維模型大小約1.1 km2。對選定的區(qū)域進行無人機精細分析，結果顯示在無人機影像上表現(xiàn)為大量級大規(guī)模形變，兩期無人機監(jiān)測期間，塌陷區(qū)沉降明顯，可達5～10 cm，濾除極值后，礦區(qū)靶區(qū)內仍有多處形變量較大區(qū)域。

3.2 三維激光掃描 LiDAR三維模型構建

基于多棱鏡快速旋轉掃描技術，能夠產生完全線性、均勻分布、方向單一、完全平行的掃描激光點云線。三維激光掃描LiDAR解決了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的各種不足，如監(jiān)測點密度小、監(jiān)測精度低、監(jiān)測周期長、監(jiān)測點易損壞以及人員安全難以保證等。三維激光掃描技術在塌陷坑沉降監(jiān)測中的關鍵在于兩期點云數(shù)據(jù)的匹配，點云數(shù)據(jù)匹配誤差主要來源于標靶點的測量誤差。選擇基于標靶的點云數(shù)據(jù)采集方法以及選擇穩(wěn)固的起算基準有效降低了匹配誤差，從而保證了塌陷坑兩期點云數(shù)據(jù)在同一基準下，以此提高了三維激光掃描LiDAR在監(jiān)測中的精度。此區(qū)域共掃描測站11站，點云1.3億，通過點云拼接、去噪、濾除植被、及抽稀處理后，生成TIN三角網，并獲取研究區(qū)高精度(10 cm)DTM柵格數(shù)據(jù)。通過LiDAR生成DTM與二期無人機生成DTM作差可見，研究區(qū)5～6月、6～7月趨勢相同，交叉驗證了InSAR結果與無人機差分結果的準確性。

結合多期無人機、LiDAR差分結果與InSAR形變速率結果綜合分析，圈定華兵采區(qū)內高風險區(qū)域處(見圖4)。

圖4 華兵采區(qū)多結果疊合高風險采空區(qū)區(qū)域圖Fig.4 Regional map of multi-result superimposed high-risk goaf in Huabing mining area

4 地基

該系列方法中，采用設備較多，主要是通過遙感監(jiān)測后確認的靶區(qū)區(qū)域，進行異常靶區(qū)精確定位，主要采用瞬變電磁法、微動勘探、超前地質預報等方法進行靶區(qū)異常定位。

4.1 瞬變電磁

瞬變電磁法(TEM)是一種時間域人工源的電磁法，具有較高的抗干擾能力和分辨率。發(fā)射線框供一直流電流，然后突然切斷電源形成瞬態(tài)的磁場，在地下形成渦流，通過記錄地下渦流變化的情況來達到了解地下電阻率的目的[2]。

本次勘探共設置26條TEM測線，測線角度NE54°，線距20 m，點距5 m，共計TEM點放樣529個，檢查點21個。由于該方法剖面較多，選取400、360 m水平切片進行驗證(見圖5、6)。

圖5 華兵采區(qū)TEM勘查400 m水平切片圖Fig.5 400 m horizontal slice of TEM exploration in Huabing mining area

圖5中的高阻異常YC2、YC4、YC5和圖6中的高阻異常YC2、YC4、YC5在異常范圍和位置大致相同，在相關測線的斷面圖反映也較明顯，且和已知明采坑道回填范圍較符合，推測還有采空區(qū)存在的可能。在推測可能存在采空區(qū)的異常區(qū)域，布設微動勘探點，以驗證采空區(qū)存在的可能性。

圖6 華兵采區(qū)TEM勘查360 m水平切片圖Fig.6 360 m horizontal slice of TEM exploration in Huabing mining area

4.2 微動勘探

微動勘探，是從自然界存在的各種微弱震動中提取瑞利面波的頻散特性，最后通過對頻散曲線反演來推測地下的橫波速度分布。微動勘探是為了確定地下采空區(qū)位置，勘探深度小于 100 m，通過試驗確定本次天然源面波勘探采用 10個拾震器布置成嵌套式等邊三角形臺陣，最大邊長為20 m，采樣間隔 5 ms，以充分接收低頻信號，采樣時間根據(jù)采用數(shù)據(jù)達到勘察深度時終止[11]。

該區(qū)存在未充填采空區(qū)，且該采空區(qū)位置與遙感異常、電法勘探400、360 m切片異常二相吻合，在華兵采區(qū)布置了10～13號共4個面波勘探點。11號勘探點位于已塌落并回填的塌陷區(qū)上部，10 號、12號勘探點位于塌陷區(qū)邊緣，13號點位于推測采空區(qū)正上方。

圖7為10～12號點的等速度剖面圖，由Vr速度剖面圖可見，該處地層速度逐漸增加，無明顯低速區(qū)、無速度突變。據(jù)相關資料，此處采空區(qū)位置可能已較好回填。由Vx速度圖可見：約20～30 m深度處可見多個低速地層，可推測此深度范圍內地層較為破碎，推測為采空區(qū)回填位置。在約54 m深度，存在厚約5 m的低波速地層，推測此處可能存在礦山巷道。通過13 號勘探點的Vr與Vx速度柱狀圖(圖8)可見，約40 m以淺的地層速度逐漸增加，無明顯變化。在約 40 m深度處面波速度發(fā)生了突變(箭頭標示處)，推測此處為采空區(qū)頂板界面。

圖7 10～12 號測線速度剖面圖Fig.7 Velocity profile of line 10～12

圖8 13 號勘探點 Vr 和 Vx 速度柱狀圖Fig.8 Histogram of Vr and Vx velocities at exploration point 13

微動勘探受地形影響較大，同時微動勘探在測得采空區(qū)頂板后由于波速無法穿透采空區(qū)，所以只能測得采空區(qū)頂板，不能反映采空區(qū)位置、規(guī)模等，需引入超前地質預報進行探測。

4.3 超前地質預報(TRT)

超前地質預報(TRT)是基于地震波的反射原理，當人工激發(fā)的地震波在巖體內傳播時，遇到聲學阻抗有差異的界面(如斷層、破碎帶、富水體、節(jié)理裂隙發(fā)育帶等)，一部分信號波就會在界面反射回來，通過在探測面上布置的傳感器來接收這類反射回來的波；另外一部分信號波會透射穿過有聲學阻抗的界面進入前方巖體。運用層析掃描技術，形成探測區(qū)域三維探測圖，能將前方巖體的具體情況，如軟弱破碎帶、溶洞、含水體、斷層、破碎帶的位置及大小規(guī)模立體、直觀地展示出來[12]。

根據(jù)現(xiàn)場地質調查、遙感監(jiān)測、電法勘探及微動勘探成果，結合采區(qū)地質概況和開采情況，分別沿著塌陷坑的垂向、平行、斜向布設了三條測線。

圖9 規(guī)模尺寸為50 m×60 m×100 m，由圖9可以看出，所探區(qū)域內異常區(qū)主要表現(xiàn)為局部塊體異常，對應為采空區(qū)。其中，異常區(qū)1-1為采空塌陷區(qū)，深度方向(z)大致位于地下45～75 m處，長度方向(y)大致位于模型15～45 m處，寬度方向(x)大致位于模型15～40 m處。

圖9 “華兵”測線 1 成果圖Fig.9 “Huabing” results of line 1

圖10規(guī)模尺寸為40 m×80 m×110 m，由圖10可以看出，所探區(qū)域內異常區(qū)主要表現(xiàn)為區(qū)域散體異常和局部塊體異常，分別對應采空塌陷區(qū)和采空區(qū)。其中，異常區(qū)2-1為采空區(qū)，深度方向(z)大致位于地下50～80 m處，長度方向(y)大致位于模型10～45 m處，寬度方向(x)大致位于模型15～35 m處；異常區(qū)2-2為采空塌陷區(qū)，深度方向(z)大致位于地下40～70 m處，長度方向(y)大致位于模型55～75 m處，寬度方向(x)大致位于模型10～35 m處。

圖10 “華兵”測線 2 成果圖 Fig.10 “Huabing” results of line 2

圖11規(guī)模尺寸為40 m×80 m×110 m，由圖11可以看出，所探區(qū)域內異常區(qū)主要表現(xiàn)為區(qū)域散體異常和局部塊體異常，分別對應采空塌陷區(qū)和采空區(qū)。其中，異常區(qū)3-1為采空區(qū)，深度方向(z)大致位于地下45～75 m處，長度方向(y)大致位于模型20～50 m處，寬度方向(x)大致位于模型10～35 m處；異常區(qū)3-2為采空塌陷區(qū)，深度方向(z)大致位于地下40～65 m處，長度方向(y)大致位于模型55～75 m處，寬度方向(x)大致位于模型15～35 m處。

通過數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場調查，1-1、2-1、3-1三個疑似采空區(qū)均指向同一個位置，埋深在45～80 m。

5 深基

通過“天-空-地”等勘查手段對異常靶區(qū)精確定位后，論證工程地質鉆探井位，采空區(qū)頂板穿透后，采用三維激光掃描對采空區(qū)進行掃描，確定采空區(qū)形態(tài)、大小、規(guī)模等，形成三維立體圖像，對充填孔位及充填方量能較為準確地定位。

5.1 工程地質鉆探

本次工程鉆探工作使用XY-44型鉆機，鉆進方法為：金剛石鉆頭清水鉆進，單管單動回轉鉆進成孔；開孔直徑127 mm，終孔直徑75～96 mm。

為驗證電法勘探400、360 m切片異常2、4、5，在華兵采區(qū)分別布設ZK4、ZK5、ZK6三個鉆孔(見圖12、13)，ZK4孔深34.7 m，采空區(qū)頂板深度28.3 m，底板深度33.0 m，空高4.7 m；ZK5孔深82.6 m，采空區(qū)頂板深度38.4 m，底板深度82.4 m，空高44.0 m；ZK6孔深84.0 m，采空區(qū)頂板深度64.3 m，底板深度84 m，空高19.7 m。三個鉆孔的巖芯中均未發(fā)現(xiàn)充填物。

圖12 ZK4精確模型整體顯示Fig.12 Overall display of ZK4 accurate model

5.2 三維激光掃描(C-ALS)

三維激光掃描工作是基于已經完成的鉆孔，放入三維激光掃描探頭，查清地下采空區(qū)的形態(tài)及空間分布情況。C-ALS的有線遙測系統(tǒng)可將測量數(shù)據(jù)傳回地面的控制單元。配置筆記本電腦，控制和獲取數(shù)據(jù)。利用MDL的控制軟件，在屏幕上顯示出C-ALS攝像機捕獲的鏡頭，并實時獲取激光掃描生成的三維空穴圖像。空區(qū)探測過程通過用RTK確定鉆孔坐標，然后用羅盤測量出鉆孔的方位角。C-ALS的完全定位只需一個孔口坐標作為定位的原點，有了原點坐標及方位角后C-ALS即可完成其余的定位[13]。

本次掃描首先進行了垂直方向掃描，然后，設定采用水平方向掃描，共進行了四次掃描。設置采空區(qū)掃描步長增量為1°，水平和垂直各掃描兩次，設定完成后啟動掃描，每次約60 min完成掃描工作。

圖13 ZK5、ZK6精確模型整體顯示Fig.13 Overall display of ZK5、ZK6 accurate model

通過三維激光掃描可知，ZK4采空區(qū)長21.07 m，寬14.59 m，高7.35 m，體積442.9 m3，ZK5、ZK6為同一個采空區(qū)，采空區(qū)長69.09 m，寬43.35 m，高49.09 m，體積29 280.6 m3。

6 結論

綜合考慮勘查區(qū)地形地貌、礦區(qū)水文、工程地質的復雜性、礦區(qū)技術資料缺失、采礦技術方法多樣性及周邊電磁干擾等因素，探索性地選用了PS-InSAR遙感解譯、無人機測量與LIDAR相結合的天空一體化采空區(qū)靶區(qū)探查技術，為采空區(qū)的精確勘查指定技術靶區(qū)[14]。

在勘查過程中，探索性地開展了微動勘探、超前地質預報(TRT)技術方法在采空區(qū)勘查工作中的應用，充分顯示這些技術方法相互結合的技術優(yōu)勢，取得了良好的勘查效果。微動勘探克服了近似直立礦體采空區(qū)難以探測的技術瓶頸，超前地質預報(TRT)除探明采空區(qū)的大致形態(tài)規(guī)模的同時也對膠結充填采空區(qū)的充填效果進行了檢驗。

三維激光掃描(C-ALS)實現(xiàn)了采空區(qū)形態(tài)規(guī)模的精確測量，為采空區(qū)的定量分析和數(shù)值計算分析模型的建立提供了堅實可靠的技術依據(jù)，同時為采空區(qū)的后期充填治理提供了準確的充填位置與方量。

通過上述“天空地深”一體化多尺度技術方法的開創(chuàng)性綜合應用和探測，實現(xiàn)了采空區(qū)形態(tài)、規(guī)模、位置的精確探查，為礦區(qū)采空區(qū)充填治理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎，在其他金屬和非金屬礦山采空區(qū)的勘查中同樣具有很大的技術優(yōu)勢和推廣意義。