韩瑞亮董建春李瑞环

（1.河北钢铁集团矿山设计有限公司；2.河钢集团矿业公司；3.唐山市五衡科技有限公司）

随着现代采矿业的发展，各地遗留了大量未处理的采空区和老坑洞，严重威胁当地的生产安全和生态环境安全［1］。金属矿床地下开采经过30 多年的高速发展，部分矿山因历史原因曾发生大量盗采，遗留了大量状况不明的非法采空区，一大部分露天矿山转地下开采后也产生了大量采空区，甚至有采空区群的存在，使空区赋存情况复杂，严重影响其周边及上部安全生产作业，为下一步分段空场嗣后充填工作带来了安全隐患。

某铁矿1975年投产，为采选联合矿山企业，现在设计生产能力为200 万t/a［2］。-210 m 水平施工采准工程时，10#穿出现大面积垮塌，推测矿区下部水平存在大量空区。该铁矿启动应急预案，停止了-210 m水平10#穿周边及其上部相对应生产作业活动，布设了警戒标识，有关主巷道及穿脉采取了临时封堵措施，在-195 m 水平10-2#穿布置了监控设备，并建立了安全巡检机制，通过定期巡检巡查，预防安全生产事故发生。发现空区后，因大面积垮塌存在安全隐患，难以实现实地勘探，确定采空区具体位置、形状、体积有较大难度。矿山先后采用钻探、CMS 空区探测技术手段进行探测，但是均存在一定程度的局限性，受探测工程布置和安全影响，如何采用快速且经济可行的方法来探测采空区赋存情况，确定潜在危险源的位置和范围，并提供准确的信息，以便采取有效措施，消除潜在的危害，为此开展基于井下三维激光扫描的复杂空区综合探测技术研究，进一步掌握地下采空区分布情况，通过制定相应的空区治理措施，保证安全开采。

重力勘探是通过测量由于地下介质不均匀分布而引起的地表局部重力值异常的一种勘探方法，采空区可以看作地下介质的缺失，从而会引起地表局部重力值降低，重力勘探法相比其他电磁类方法对坑洞（采空区）的响应效果更明显。以重力勘探为主，同时利用被动源地震剖面数据进行约束勘探［3］，具体技术流程及原理见图1。

图2为测得的重力异常数据，根据数据处理和对相关资料的理解，进行局部异常的提取。在此基础上，可以进一步获得其多分量张量梯度数据，利用数据处理解释手段，进行采空区的形态、深度及范围等信息的计算［4］，同时可以获取空区水平面的大致范围，见图3。

充分利用地球物理勘查成果，在重力探测法获取空区水平面的大致范围上采用井下钻探手段，按照一定勘探网度对异常处钻探，可以准确控制采空区的边界。针对井下空区情况，按照由近及远、有疑必探的原则，编制了深部采空区整体钻探计划，围绕-210 m 水平10#穿M2坍塌空区已完成25个探孔的钻探工作，空区钻探钻孔位置及探测结果见表1。

该方法的优点是可精确控制采空区赋存高度和位置。缺点是工程量大，成本高，须多次穿孔探测，对无资料的空区探测盲目性大［5］。

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，主要采用非接触式高速激光的测量方式，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，获得点云数据［6-7］。海量点云数据经过三维重构可以再现矿山开采空区现状，测量成果可导入矿业三维数值软件，为残存资源回收设计、生产计划调整和储量动态管理提供高精度原始数据，提高矿山生产管理技术水平［8］。

三维激光测量与传统测量相比具有如下优势。

（1）安全。三维激光测量采用非接触式测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集其表面的三维数据，所采集的数据精准真实可靠。用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以到达数据采集，具有传统测量方式难以完成的技术优势。

（2）数据点密度高。目前，采用脉冲式三维激光测量速率可达数每秒十万点，空间精度在毫米级；而采用相位式三维激光测量速率可达每秒百万点，精度可达亚毫米级。

（3）主动发射扫描光源。三维激光扫描技术采用主动发射激光光源，通过接收自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，在扫描过程中，不受环境的时间、空间和光线的约束。

（4）设备集成度和防护等级高。常用的井下空区测量扫描设备一般具有体积小、质量轻、防水、防尘、防潮，保障了设备能顺利完成空区数据采集工作。

主体设备参数见表2。

（1）严格执行测量规范，严格审核测量原始数据的准确性。

（2）所有的测量工作必须在保证安全的前提下进行。

（3）测量方法要简捷，仪器使用要熟练，在满足工程需要的前提下，力争做到省工、省时、省费用。

（4）明确为工程服务、按图施工、质量第一的宗旨。紧密配合施工，发扬团结协作、实事求是、认真负责的工作作风。

充分利用钻探成果，钻孔定位锁定空区位置后，通过施工一定的辅助工程后，用三维激光扫描技术对空区赋存状态、形状、大小等进行详细探测。通过现场踏勘，收集整理现场资料，编制三维综合探测实施方案，完成-210 m 揭露空区的三维综合探测，空区空间形状见图4，测量结果见表3。探测结果显示，-210 m 下部采空区规模巨大，现已探明空区体积为35.2 万m³，同时-210 m 下部空区情况非常复杂，探测难度极大，由于断层切割，对上部生产与安全构成巨大威胁。

下一步建议矿山扩大监测监控范围，加强巡视，采取经济时效性方案，通过工程揭露，即打通封堵墙，安全、快速、精准、经济探测，结合精准数据结果开展安全稳定性评价，编制合理有效的空区治理方案。

通过重力探测法探明地下空区的范围、空间分布以及形状，可以有效提高钻孔钻探的准确度，降低地质勘探工作量。充分利用地球物理的探测结果，采用井下钻探，钻孔定位锁定空区位置，通过施工一定的辅助工程后，用三维激光扫描技术可以快速、安全、高效地对空区赋存状态、形状、大小等进行详细探测。通过重力探测、钻孔探测、三维激光扫描技术可以实现揭露采空区及隐伏采空区的三维综合探测。该综合探测技术在复杂空区探测方面有良好的应用前景，可为国内外同类矿山提供技术参考。

现代矿业2022年3期