譚卓英 鐘 文 胡天壽 馮 蕭

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083; 3.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西上饒334506;4.江西理工大學(xué)工程研究院，江西贛州341000)

露天開采相比于地下開采具有許多明顯的優(yōu)勢。例如，礦石開采能力大、礦石回收率高、工作安全系數(shù)高、施工作業(yè)環(huán)境好等［1］。近年來，隨著采礦生產(chǎn)力水平的不斷提高，國內(nèi)外大部分具備相應(yīng)條件的礦山都實施了地下轉(zhuǎn)露天開采。盡管該類礦山總體上數(shù)量不多，但在礦石儲量、開采條件等因素允許的情況下盡早轉(zhuǎn)變?yōu)槁短扉_采對于促進(jìn)當(dāng)今地下開采礦山企業(yè)的高能效、低能耗、可持續(xù)性發(fā)展來說具有積極的戰(zhàn)略意義［2-4］。然而在地下轉(zhuǎn)露天開采礦山的區(qū)域內(nèi)必然存在著大量形態(tài)各異、成因復(fù)雜的采空區(qū)，這些采空區(qū)由于若干年的荒廢變得更加難以標(biāo)定和探測，時刻威脅露天礦山的正常生產(chǎn)，給露天開采人員及設(shè)備帶來極大的安全隱患。因此，在眾多采空區(qū)探測方法中找到一種更加適用于地下轉(zhuǎn)露天礦山復(fù)雜采空區(qū)探測的技術(shù)方法具有重要的現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義。本文主要介紹利用探地雷達(dá)(GPR)對地下轉(zhuǎn)露天開采境界內(nèi)的淺地表復(fù)雜采空區(qū)進(jìn)行探測的技術(shù)方法及其地質(zhì)效果。

1 采空區(qū)的分類及其探測技術(shù)

1.1 采空區(qū)的分類

在礦山領(lǐng)域，采空區(qū)分類形式有很多，從采空區(qū)的成因和演化的角度出發(fā)可以將其分為4類［5-6］。

(1)規(guī)劃開采形成的采空區(qū)。該類采空區(qū)主要是指新中國成立以后，正規(guī)礦山企業(yè)合理規(guī)劃開采所形成的采空區(qū)，其特點是有較為詳細(xì)的采場、巷道及相關(guān)輔助設(shè)施的設(shè)計圖紙資料，采空區(qū)的位置和形態(tài)可以很容易地在圖紙上標(biāo)定出來。

(2)古代開采和非法盜采形成的采空區(qū)。從已發(fā)掘的古代采礦遺址來看，我國的采礦歷史可以追溯到宋代甚至更早，大量的古代開采活動在推動生產(chǎn)力水平前進(jìn)的同時也遺留下許多未知的采空區(qū)。非法盜采則是從古至今都無法杜絕的民間采礦形式，粗放式的采礦工藝不僅對有限的礦產(chǎn)資源造成了極大的浪費，其形成的采空區(qū)也為今后的正規(guī)開采埋下了安全隱患。這2種采空區(qū)俗稱老窿，其特點是基本沒有標(biāo)定采空區(qū)所需參考資料，有必要對其進(jìn)行采空區(qū)探測與處理。

(3)充填不充分或充填體沉降形成的采空區(qū)。在對采空區(qū)進(jìn)行充填處理時，無論是何種充填材料，都難以做到充分充填采空區(qū)，再加上充填體長時間的沉降，頂板和圍巖在外部人工或自然因素的干擾下發(fā)生2次破碎，使充填不充分區(qū)域擴大化、復(fù)雜化，形成采空區(qū)。該類采空區(qū)的特點是規(guī)模一般較小，空區(qū)內(nèi)往往夾雜2次破碎充填物，通過現(xiàn)有資料能夠判斷大概的位置和形態(tài)。

(4)2次垮塌形成的采空區(qū)。在早期地下開采過程中存在這一些未經(jīng)處理、規(guī)模較大的采空區(qū)，這些采空區(qū)原本可以標(biāo)定，但由于長期受到降雨入滲、爆破震動、人工擾動和應(yīng)力釋放等外部因素的影響發(fā)生了2次垮塌，原采空區(qū)周邊的巖體產(chǎn)生了大規(guī)模的破壞，相當(dāng)于形成一個體積更大、形態(tài)更為復(fù)雜的采空區(qū)。該類采空區(qū)雖然不多見，但其破壞力極強，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐挪椤?/p>

通過對以上4類采空區(qū)類型和特點進(jìn)行歸納分析可知，規(guī)劃開采形成的采空區(qū)易于標(biāo)定和控制，不會對于地下轉(zhuǎn)露天礦山的日常生產(chǎn)造成太大影響;古代開采和非法盜采形成的采空區(qū)、充填不充分或充填體沉降形成的采空區(qū)以及2次垮塌形成的采空區(qū)，由于形態(tài)復(fù)雜且位置不明，對安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，需要進(jìn)行合理有效的采空區(qū)探測工作。

1.2 采空區(qū)探測方法

目前，用于探測地下采空區(qū)的技術(shù)方法日新月異，但歸納起來還是隸屬于鉆探方法和地球物理方法這兩個大類。鉆探方法的特點是形象直觀，但容易造成以孔代區(qū)、以偏概全，尤其是對于古代開采、民間非法盜采且廢棄多年的復(fù)雜采空區(qū)探測精度難以掌控。地球物理方法最大的特點就是一次性探測區(qū)域大，所以在空區(qū)探測領(lǐng)域發(fā)展迅速。其中，具有代表性的地球物理方法包括高密度電法、地震類方法、GPR等。高密度電法對水較為敏感，所以在判斷采空區(qū)含水量時優(yōu)勢明顯，但總體探測精度不高;地震類方法主要應(yīng)用于埋深較大的采空區(qū)，對于淺部及中深部采空區(qū)探測有一定的局限性;GPR法則適用于埋深較淺的采空區(qū)，其具有操作方便簡單、圖像清晰直觀、解譯通俗易懂、成本經(jīng)濟高效等優(yōu)點，非常適合地下轉(zhuǎn)露天礦山復(fù)雜采空區(qū)的探測普查工程［3］。

2 GPR法的基本原理

GPR的探測方式是采用單個固定形式的反射/接收天線組合，通過在地表移動該天線組合實現(xiàn)對地下區(qū)域的反射或透射探測。其工作原理可以簡單概括為發(fā)射器將高頻電磁波轉(zhuǎn)化為一系列寬頻帶短脈沖，通過發(fā)射天線T穿透地表射入地下，在透射過地下各種巖土體介質(zhì)或采空區(qū)后再反射回地表被接收天線R接收，形成閉合回路。其工作原理如圖1所示。探地雷達(dá)的脈沖波雙程走時可以表示為

式中，t為高頻電磁波的雙程走時;z為反射體與探測地表之間的距離;v為地下巖土體介質(zhì)中的波速;x為發(fā)射與接收天線之間的距離［4］。

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

如果已知地下巖土體介質(zhì)中的波速v，則可以將探測過程記錄的精確時間t代入(1)式求出反射體與探測地表之間的距離［5］。高頻電磁波在地下巖土體介質(zhì)中傳播時，其強度和波形將會因為透射介質(zhì)不同的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而呈現(xiàn)出特有的形態(tài)［7］。因此，根據(jù)雙程走時t、波幅以及波形等數(shù)據(jù)資料，就可以推斷出探測區(qū)域地下巖土體介質(zhì)的大致結(jié)構(gòu)(包括采空區(qū)的基本位置、形態(tài))。通常輸出的雷達(dá)數(shù)據(jù)圖是以脈沖反射波波形的方式保存，以黑、白2種顏色分別表示波形的正、負(fù)峰，也可以通過灰階或彩色來展現(xiàn)，最終在軸向剖面以波形圖等灰度圖或等色線圖的形式即可較為直觀地表現(xiàn)出地下各種不同的巖土體介質(zhì)反射面［8-9］。GPR探測采空區(qū)基本原理如圖2所示。

圖2 GPR探測采空區(qū)基本原理示意Fig.2 The p rincip les of goaf detection GPR

3 工程實例

銀山九區(qū)銅硫金露天礦是國內(nèi)較為有代表性的地下轉(zhuǎn)露天礦山。在露天開采境界內(nèi)的邊坡下賦存一定數(shù)量的未充填或廢石充填不充分的規(guī)劃性采空區(qū)，包括有標(biāo)高+72m中段采空區(qū)、+22m中段采空區(qū)、－33 m中段采空區(qū)及－88 m中段采空區(qū)等，其中可能有個別未充填空區(qū)已經(jīng)演化發(fā)展為大型2次垮塌采空區(qū)。另外在露天采場北東邊坡還存在少量位置不詳?shù)墓糯_采和民間非法盜采所形成的采空區(qū)(老窿)。以上這些采空區(qū)經(jīng)過長時間的演化，具有復(fù)雜的形態(tài)特征，對安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大威脅，需要對其開展適當(dāng)?shù)钠詹楹驮敳楣ぷ鳌?/p>

3.1 GPR現(xiàn)場探測技術(shù)方法

本次復(fù)雜采空區(qū)探測工程所采用的儀器為IDS公司生產(chǎn)的RIS－K2型探地雷達(dá)，其性能指標(biāo)如表1所示。根據(jù)露天礦區(qū)已掌握的歷史資料分析了可能賦存的復(fù)雜采空區(qū)域，著重選取了5個控制測點，其中，測點1位于北邊坡+120 m平臺;測點2位于東邊坡+72 m平臺;測點3位于北部運巖公路附近的+96 m平臺;測點4與測點5分別位于北部運巖公路的南段和北段。測點分布如圖3所示，測點3測線布置如圖4所示。

表1 RIS－K 2型探地雷達(dá)性能指標(biāo)一覽Table1 Ground penetrating radar(GPR) performance index of RIS-K 2

圖3 采空區(qū)探測GPR測點分布Fig.3 Surveying points of goaf detection GPR

圖4 測點3的測線布置Fig.4 Line layout of point 3

3.2 數(shù)據(jù)采集處理與圖像解譯

本次數(shù)據(jù)采集處理采用RIS－K2專用軟件，該軟件能夠?qū)λ邮崭哳l電磁波進(jìn)行自動修復(fù)、過濾以及F－K濾波和反褶積處理，從而輸出高信噪比的雷達(dá)走時剖面圖，大大提高了有用信號識別的效率，為后續(xù)的圖像解譯工作奠定基礎(chǔ)［5］。

GPR圖像資料解譯的基本原則是真實、全面、準(zhǔn)確。首先是將軟件處理后得到雷達(dá)走時剖面圖轉(zhuǎn)換為探地雷達(dá)剖面圖(波形圖和灰度圖)，再根據(jù)反射波組在圖像中呈現(xiàn)出的波形與灰度特性，加以同相軸定位追蹤，從而推斷出異常反射波組的巖土介質(zhì)信息，并依據(jù)多組剖面解譯信息建立起整個探測區(qū)域的空間探測結(jié)果［5-6］。以下以測點3為例進(jìn)行解釋說明。

測點3位于北部運巖公路附近的+96 m平臺。圖4為測點3的測線布置圖，其中橫向測線在邊坡平臺上平行分布，共3條，間距為3 m;而縱向測線則垂直橫向測線布置，共8條，間距同樣為3 m。

橫向測線探測資料如圖5、圖6和圖7所示，通過分析可以看出，電磁波在正常類連續(xù)介質(zhì)中有著能量逐漸衰減、波幅較小等規(guī)律，而+96 m平臺下4 m到18 m的范圍內(nèi)電磁波波形雜亂，波幅變化異常，由此推測該處可能存在破碎帶或老窿充填區(qū);平臺下28 m以下部分突然出現(xiàn)了雙曲線形態(tài)的強反射回波信號特征，這是穹形頂空洞在GPR波形圖上出現(xiàn)的典型特征［7］，據(jù)此可推測該處可能存在采空區(qū)，寬度至少有4.5 m，另外從空區(qū)的分界線分析判斷有可能是巷道空區(qū)或2次垮塌形成的采空區(qū)?？v向測線探測資料圖8和圖9所示，通過分析可以看出，+96 m平臺下4 m到18 m的范圍內(nèi)存在大量的破碎充填物;平臺下28 m以下存在巷道空區(qū)或2次垮塌形成的采空區(qū)，其位置與橫向測線所測得的位置高度吻合。通過綜合分析橫向測線和縱向測線的灰度圖及波形圖，就能夠基本確定采空區(qū)的位置及其形態(tài)。

圖5 Z1橫向測線GPR灰度圖和波形圖Fig.5 GPR grayscale and waveform of horizontal line Z1

圖6 Z2橫向測線GPR灰度圖和波形圖Fig.6 GPR grayscale and waveform of horizontal line Z2

圖7 Z3橫向測線GPR灰度圖和波形圖Fig.7 GPR grayscale and waveform of horizontal line Z3

圖8 H1～H3橫向測線GPR灰度圖和波形圖Fig.8 GPR grayscale and waveform of vertical line H 1～H 3

圖9 H4～H8橫向測線GPR灰度圖和波形模擬圖Fig.9 GPR grayscale and waveform of vertical line H 4～H 8

在探測現(xiàn)場能看到一些意外揭露且已經(jīng)延伸至地表的采空區(qū)，如圖10所示。這些采空區(qū)大多夾雜著碎石，雖然位置較為隱蔽，寬度也不大，但從其空間位置、揭露標(biāo)高以及延展方向來看，基本上能和本次探測的結(jié)果聯(lián)系起來，從而進(jìn)一步證明了本次采空區(qū)探測工程的可靠性。

本次現(xiàn)場探測的5個測點結(jié)果具體歸納如下:測點1，探測地點位于北邊坡+120 m平臺，采空區(qū)距探測地表高度約為17 m，且在距探測地表3 m處有1條巖(土)體分層，采空區(qū)內(nèi)含有大量的充填物，且上部較破碎。測點2，探測地點位于東邊坡的+72 m平臺，探測深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯空區(qū)，距探測地表2 m左右有少量破碎巖(土)體，基本不構(gòu)成安全隱患。測點3，探測地點位于靠近北部運巖公路北邊坡的+96 m平臺，空區(qū)距探測地表高度約為28 m，+96 m平臺下4m到18 m的范圍內(nèi)存在破碎層或破碎帶，空區(qū)拱頂位于+96 m平臺與+108 m平臺之間，并且空區(qū)寬度至少有4.5 m。測點4，探測地點位于靠近北部運巖公路南段，距探測地表高度20～27 m的范圍內(nèi)存在3個巷道空區(qū)或2次應(yīng)力釋放空區(qū)，空區(qū)寬度為3 m左右。測點5，探測地點位于北部運巖公路北段，探測深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯空區(qū)，距探測地表20 m左右以下區(qū)域可能存在破碎帶或古河道的充填區(qū)，寬度約為8 m。

圖10 揭露空區(qū)及其破碎充填物Fig.1 0 Exposed goaf and its fracture fillings

4 結(jié)語

在地下轉(zhuǎn)露天開采過程中，可能遇到的復(fù)雜采空區(qū)包括規(guī)劃開采形成的采空區(qū)、古代開采和非法盜采形成的采空區(qū)、充填不充分或充填體沉降形成的采空區(qū)以及2次垮塌形成的采空區(qū)。由于后3種采空區(qū)的形成區(qū)域未知或需要預(yù)測，對礦山的正常生產(chǎn)構(gòu)成巨大的安全隱患。工程實踐表明，GPR法對于探測地表淺部各種采空區(qū)、充填破碎帶等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅結(jié)果準(zhǔn)確可靠，而且經(jīng)濟高效，在同類探測方法中優(yōu)勢明顯，尤其是在探測地下轉(zhuǎn)露天礦山中賦存的復(fù)雜采空區(qū)效果顯著，值得在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用推廣。

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