露天多金属矿山地下采空区综合探测分析

崔晓荣 林谋金 张卫民 郑炳旭(.广东宏大爆破股份有限公司，广东 广州 5063；.广东省大宝山矿业有限公司，广东 韶关 58)

露天多金属矿山地下采空区综合探测分析

崔晓荣1林谋金1张卫民2郑炳旭1(1.广东宏大爆破股份有限公司，广东 广州 510623；2.广东省大宝山矿业有限公司，广东 韶关 512128)

由于地采转露采多金属矿山的地质条件复杂性和单一物探或者钻探方法的自身局限性，往往难以有效探测露天采场下的复杂采空区和盲空区，甚至漏探，对露天采矿作业构成较大的安全威胁。因此，针对地采转露采多金属矿山，通过物探和钻探手段进行多层次、多手段的采空区综合探测分析，即通过综合物探锁定空区范围，工程钻探核实空区位置，三维扫描探明空区参数，确保不漏探采空区，并能够探明复杂采空区和盲空区。实践证明，该综合探测分析方法可对多金属矿复杂采空区和盲空区进行较系统和全面的分析，为后续崩落爆破处理奠定基础，从而达到安全开采隐患资源的目的。

露天多金属矿 复杂采空区 盲空区 综合探测技术 隐患资源

有色金属矿主要通过地采方式获得，通常会留下大量的采空区，特别是空场类采矿方法，如房柱法、全面法及留矿法等[1-4]。我国不少矿山经历过开采秩序混乱、乱采乱掘现象严重的局面，导致正常采矿作业条件遭到破坏，构成了矿山安全生产中的重大隐患[4-9]。目前，我国大多数矿山如铜陵狮子山铜矿、河南栾川钼矿和广东大宝山矿等都或多或少存在采空区安全隐患，严重影响了井下或露天开采的正常生产。部分有色金属矿山利用地采转露采的开采方法进行隐患资源的复采，随着露天开采层面的逐年下降，采场距离原地采遗留深部大采空区和采空区群越来越近，施工安全问题越来越突出，为了实现遗留采空区治理与隐患资源开采协同作业，需要对采空区进行探测和处理[9-11]。关于采空区的探测，西方发达国家以物探为主、钻探为辅，而我国目前以钻探为主、物探为辅[12]。物探方法通常分为重力法、电磁法、地震法和发射性勘探等4大类。广东大宝山矿区为多金属矿区，且经历过3次大规模的塌陷和农民盗采，地质条件十分复杂，单一的物探和钻探方法很难取得较佳的探测效果，因此先采用综合物探手段锁定存在采空区(包括盲空区)的疑似区域[12-14]，再用钻探手段进行复核和确认，最后用空区自动激光扫描系统(CALS)进行三维扫描，探明采空区并获得采空区的详实数据，以便对采空区进行安全分析和崩落爆破处理，为露天作业安全保驾护航。

1 采空区的综合探测思路和方法

为了满足地采转露采矿山安全生产的要求，要及时对采空区进行处理，排除安全隐患。如果地下采空区资料详实，满足采空区安全分析和治理的要求，则无需再进行探测；但绝大数情况往往是采空区资料不详，甚至无资料，则需要探明采空区，以便进一步处理。

由于地质条件的复杂性以及地球物理场理论自身的局限性，很难有一种物探方法能对采空区进行精确的探测。但不可否认，物探方法进行宏观分析和普查是非常具有意义的，可让后续的钻探工作有的放矢；钻探探明的采空区给人实实在在的感觉，但其有“以点窥面”的缺陷，难免漏探。钻探主要是通过钻孔的方式来判别、探明工程地质情况，如采空区的分布、埋深等。一般情况下，根据取样分析(如地质钻采集的岩心、潜孔钻采集的钻屑等)和钻孔过程记录，并集合已经收集的井下开采资料、矿产赋存情况可推断采空区分布的大致情况。如在大宝山矿，地质图上或新钻探到赋存铅锌矿、高品位铜矿的位置，则很可能存在采空区，因为无论以往的无序民采还是正规矿山开采，均集中开采高价值矿体。

对于有部分资料的单一采空区，可以通过某种针对性的物探或钻探手段进行补充勘探，探明采空区，从而分析判断其安全稳定性并采取合理的治理方法。对于结构错综复杂的采空区(群)和完全没有资料的盲空区，必须采取综合探测手段，包括综合物探、工程钻探和三维扫描，由粗到细逐步探明采空区(如图1所示)，确保施工作业安全。

图1 采空区综合探测手段与目的

结构错综复杂的采空区(群)，影响区域广，安全隐患大，需要特别重视。首先通过综合物探手段锁定采空区范围，并初步判断其影响区域，必要时进行局部区域的封闭警戒；在保证钻探施工安全的前提下，再通过钻探核实采空区的具体位置，确定采空区边界、埋深等参数；最后通过三维扫描探明采空区，获得采空区的详细参数，为后续的崩落爆破处理方案设计提供基础资料。

盲空区一般较小，影响区域较小，但其留下的安全隐患不容忽视。采空区物探普查时发现的可能存在盲空区的区域(物探很难探测到盲空区的具体位置和大小)，一般需在剥采生产过程中进行针对性的钻探补勘。大宝山矿遗留的盲空区，一是南部主矿体的民窿开采遗留空区，没有开采资料，亦无法从井下补测；二是主矿体外围的盲矿体被盗采，留下盲空区。如果盲空区钻探或钻孔爆破过程中发现穿孔，即探测到盲空区，可按照穿孔深度判别该盲空区顶板厚度和空区高度，向四周扩散钻孔或进行三维扫描探明盲空区大小。地表塌陷区域也可能遗留盲空区，如果钻探过程中发现上覆岩层完整，则说明可能存在地表大面积塌陷时顶板整体移位留下的局部小空区；如果钻探过程中发现上覆岩层破碎松软，则说明由于地表塌陷导致顶板破裂，原采空区被填充。

因此，对于资料不详的复杂采空区(群)和盲空区，应尽可能地利用多种物探方法对采空区进行综合普查，发现存在采空区或者可能存在采空区的区域，从而锁定需要进一步钻探的区域；工程钻探分析主要是进行采空区的核查和探明，综合解释和分析采空区情况，指导采空区的治理，保障矿山的安全生产。

3 复杂采空区的综合探测分析

考虑到大宝山矿存在铁、铜、硫、铅锌和钼等矿产资源，地质条件复杂，采空区错综复杂，存在九大采空区群，各种探测方法均有其弊端，所以采用物探为辅、钻探为主的方法，前者进行定性分析，把握全局；后者进行定量分析，指导每一个作业点的安全施工。

3.1 复杂采空区的综合物探分析

大宝山矿利用综合物探方法，对地下深度80 m以内的采空区(包括九大采空区群)进行探测，总结经验教训如下。

(1)高密度电法勘探复杂采空区，工作效率高，高阻电性异常明显，但对塌陷后的采空区难以有效探测，因为采空区塌陷后被水、泥质或矿石充填，其电阻率大幅度下降后与多金属矿体接近；另外现场存在地形和地质干扰，对勘探效果有一定影响。

(2)地质雷达探查复杂采空区难以达到勘探目的。大宝山矿区为多金属矿区，金属矿体对电磁波具有很强的吸收和屏蔽作用，加上矿产资源种类多，矿床结构分布复杂(上有褐铁矿和菱铁矿，中有铜硫铅锌矿，下有钼矿)，采空区错综复杂，采场又经历过三次大塌方，并存在较大的电磁干扰。

(3)采空区内外介质之间存在明显的波阻抗差异，为采用地震勘探方法探测采空区提供了较好的物性前提。但是，现场往往有干扰，增加了地震勘探方法的难度，影响了其准确性和可靠性。现场的主要干扰因素包括人工干扰和地质干扰，人工干扰包括附近采矿施工及运输车辆的振动干扰。地质干扰主要为探测地段岩土层地层产状陡峭、风化程度高、分布极不均匀等。由于干扰因素的存在，对勘探效果有一定影响，往往由于工作参数选择不合理，未采集到有用的反射波记录，因而较难达到预期的勘探效果。

综上所述，多金属矿山的复杂采空区可以继续进行地质雷达、地震勘探等方法的试验，通过对仪器参数和工作装置进行测试与调整，以找到在该工况应用地质雷达、地震勘探方法勘查采空区的有效手段，以弥补电法勘探方法的单一和局限性，且多种勘查方法手段能够对异常进行互相佐证，以达到最佳勘查效果；但是，综合物探结果往往只能识别某深度范围具有一定规模的目标体，并据此绘制物探解释推断断面图和切面投影平面图，供采掘作业时参考。尽管物探存在一定的误差，但实践证明，无论是井采资料比较全的北部铜露天采场，还是民采猖獗并无任何资料的南部铁露天采场，均有指导意义，综合物探分析使后续工程钻探有的放矢、事半功倍。

3.2 复杂采空区的工程钻探分析

钻探主要是通过钻孔的方式来判别、探明工程地质情况，做到“有疑必探、先探后进”。当露天采场作业层面距离地下采空区较远时，用高风压潜孔钻机进行采空区钻探，其钻孔效率高、移动方便，但钻探深度有限。潜孔钻在塌陷区、破碎层钻孔较难，往往难以达到设计深度(即一个台阶高度与采空区保安层厚度之和)，因此在挖装作业过程中穿插采空区钻探，钻探深度为采空区保安层厚度，据此可判断挖掘机受力位置下没有采空区或者采空区埋深大于保安层厚度，从而实现空区风险的可控。

随着露天采场层面的下降，地下大采空区和采空区群越来越接近作业面，潜孔钻钻探往往难以满足勘探深度要求。因此采用地质钻深勘和潜孔钻详勘相结合的方式，两者互补，稳步推进采空区钻探。前者主要探测大采空区和采空区群，防止大塌方，避免群死群伤事故；同时亦是矿山地质的生产勘探，其地质分析结果可指导后续采矿配矿；后者进行采空区的生产勘探，防止局部塌陷和边缘塌陷，从而引起较小的安全事故。

钻探到复杂采空区以后，通过三维激光扫描获得描述采空区位置和形状的点云图(如图2所示)，可对该点云图进行平面投影落到采场平面图上，获得采空区位置、形状、跨度等参数；亦可切剖面看不同位置空区的剖面形状，获得采空区高度和顶板厚度等参数，为采空区安全稳定性分析和崩落爆破方案设计提供基础资料。

图2 地下采空区三维激光扫描图

3.3 复杂采空区探测分析的技术经济效益

在综合分析现有井采资料和物探资料的前提下，近3 a来的现场钻探分析，共探测到30多个采空区，最大采空区高度20余m，面积超过3 000 m2；共成功崩落爆破处理了10多个采空区，最大的采空区体积约5 000 m3。

通过上述复杂采空区物探和钻探等分析手段，在密集分布采空区的区域安全采出200多万t矿石，既确保了现有80万t/a铜选厂的持续稳定生产，也为“330万t/a铜硫矿大开发项目”的可行性论证添加了重要砝码，也将在大开发项目的生产期中发挥巨大的作用。

4 盲空区物探和钻探的探讨

不可否认，上述成果主要是在井下开采资料相对较全的前提下获得(在爆破、挖装等作业过程中亦发现了几个较小的盲空区并成功应对)。为了使物探和钻探更好地指导生产，对大宝山矿南部的铁露天采场的盲空区进行了物探和钻探解释分析，以便积累更多的经验。

4.1 盲空区的综合探测分析

根据2008年物探资料，包括高密度电法勘探法和地震勘探法的成果图，在大宝山矿探矿勘察线0～02S间中心坐标(71 488.9,16 813.6)和探矿勘察线2～22间中心坐标(71 509.0,16 767.6)存在物探采空区，分布于不同层面，系复杂的错层采空区群，如表1所示。该处目前开采至709层面，已接近物探采空区(即物探解释图中的采空区，简称物探空区)，需要探明才能确保后续施工安全。

表1 物探异常点带标高特征值统计Table 1 Statistics of elevation characteristic level of geophysical anomaly

注：上述“10-1～10-2”为高密度电法勘察线编号，“D1”为地震勘察线编号，其余类推。

考虑到该处系民采区域，没有任何井下开采资料，地质储矿分布亦不清楚，只知道民采在该处采出不少铅锌矿和铜硫矿。为了确保露天铁矿开采的安全，大宝山矿生产部组织了钻探分析，先后由宏大爆破公司用潜孔钻和大宝山矿地测部用地质钻进行了该处物探空区的钻探分析。

表1中存在物探空区群的2处共布设了10个用潜孔钻勘探的采空区探孔。探矿勘察线0～02S间物探空区，潜孔钻探孔钻至19 m深遇空区，后加1根3 m钻杆，几乎直接杵进3 m深，终孔时22 m；钻杆拔出后用测绳复测，孔深变为20 m，说明最后钻进的3 m呈稀泥质(分析是废弃井下采场充填了淤泥)，钻杆拔出后孔即闭合；附近补钻，皆钻至13～15 m处遇到韧性的高岭土层，潜孔钻无法继续钻进。探矿勘察线2～22间物探空区，部分孔钻至10 m深处遇到韧性的高岭土层，潜孔钻无法继续钻进；个别较深钻孔发现低品位铜矿。后大宝山矿用地质钻加大深度补勘，穿过高岭土层，发现低品位铜矿和地质取样率低区域，分析可能是部分小采空区被淤泥充填。

大宝山矿矿床分层情况如下，上部风化淋滤型褐铁矿床，中间夹高岭土质沉积层(系中统东岗岭上亚组沉凝灰岩、黏土岩)，下部火山层-热改造型层状铜铅锌多金属矿床[10-11]，钻探时正在露天开采上部的褐铁矿，已接近尾声。综合分析该区域的物探异常情况、工程钻探情况、矿床分层情况和露天采场现状，认为钻探确认勘察线0～02S间存在采空区，与物探解释吻合；勘察线0～02S间地质分层明显，地质状况复杂，可能导致物探解释误判；但从矿床分布情况看，高岭土质沉积夹层下部往往存在铜铅锌多金属矿床，农民盗采“鸡窝矿”形成小采空区的可能性极大，剥采钻爆施工时需要加大部分爆破炮孔的钻孔深度，进一步钻探核实盲空区分布及大小。

综上所述，物探异常可能是地质变化、采空区等不同情况导致，且物探异常的埋深判别存在较大误差，但不可否认物探可以从宏观上锁定存在采空区的可疑区域，使钻探分析更有目的性，大大减小盲空区钻探分析的作业量。

4.2 盲空区探测分析的经验总结

综合考虑各种物探手段的技术特点，建议盲空区(往往规模较小)的探测应用电法勘探为主，局部地段补充地震勘探，既可以达到较好的勘探效果，又可以节省时间及费用。物探往往存在以下不足：

(1)物探只能识别某深度范围，具有一定规模的目标体，较小的盲空区容易漏探，另空区异常在空间上如何连通也只能依据相邻测线的异常特征和经验来判断。

(2)物探获得的是地质异常区域，再根据地质异常推测采空区的位置和大小，因此有一定的误差，尤其是深度和范围的误差。

(3)当地形、地质和地电条件相当复杂，必定会存在许多物探假异常。虽经过实地对异常处地形、地质及原始记录的复核，部分异常(如地形地貌变化、矿床分布等因素引起的假异常)，大部分可以排除，但必定存在对假异常的误判或漏判的可能性。

考虑到物探手段的不足之处，故物探发现的空区异常均应布置适量钻探工作量进行验证，并在矿山采剥作业的过程中进行钻探分析确认工作平台的安全、探明空区异常，并合理处理发现的盲空区；另赋存高品位铜矿、铅锌矿的位置，亦是农民盗采的频发地带，极可能存在盲空区，工程钻探时要适当加密孔网。现场钻孔、爆破、挖装等施工过程中，均要及时收集和分析盲空区资料，建立相对完善的盲空区施工安全监控体系，做好日常安全巡查，编制可行的应急预案。

5 结 论

(1)由于地采转露采多金属矿山的地质条件复杂，必须采取综合探测手段探测复杂采空区(群)，包括综合物探、工程钻探和三维扫描，由粗到细逐步探明采空区，即首先通过综合物探手段锁定采空区范围，初步判断影响区域；再通过钻探核实采空区的具体位置，确定边界、埋深等参数；最后通过三维扫描探明采空区，获得详细参数，为后续采空区崩落爆破方案设计提供基础资料。

(2)关于采空区(群)的钻探，应根据收集到的原井采资料和采空区物探普查分析资料，进行针对性的空区超前钻探设计，一般采用地质钻深勘和潜孔钻详勘相结合的方式，前者主要探测大采空区和采空区群，防止大规模坍塌；后者主要探测中小采空区，防止局部坍塌，两者互补，从而加快了采空区、塌陷区施工的节奏，达到安全开采隐患资源的目的。

(3)对于完全没有井采资料的盲空区，宜首先采用多种物探手段进行宏观的综合分析，确立存在盲空区的可疑区域；再通过不同深度和孔网密度的探孔进行物探空区的钻探确认，探明盲空区的具体位置和形状并合理处置，才能确保采矿施工安全。

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(责任编辑 徐志宏)

Comprehensive Survey and Analysis of Underground Goafs in Open-pit Polymetallic Mine

Cui Xiaorong1Lin Moujin1Zhang Weimin2Zheng Bingxu1
(1.GuangdongHongdaBlastingCo.，Ltd，Guangzhou510623，China；2.GuangdongDabaoshanMineCo.，Ltd，Shaoguan512128，China)

For the complex geological conditions of the open-pit polymetallic mines transferring from underground mines and the limitation of a single geophysical exploration or drilling method，the complicate underground goafs and the unknown underground goafs usually can not be detected effectively，even not be detected at all，which greatly threaten the safety of open pit mining.Therefore，in view of the feature of the open-pit polymetallic mines transferring from underground mines，the geophysical exploration and the drilling method are combined to survey the goafs consecutively.That is，the distribution of the underground goafs is detected by synthetical geophysical method；the real location of the underground goafs is defined by engineering drilling survey；and the specific parameters of the underground goafs are gained by the Cavity Auto-scanning Laser System.The three methods above can ensure all goafs detected and explore all the complicate underground goafs and the unknown underground goafs.According to practices，it is proved that the complicate underground goafs and the unknown underground goafs all can be analyzed comprehensively and systematically by this synthetical probing technique，which provides a foundation for the underground goafs disposing by blasting，and then achieve to explore resources with potential danger in safety.

Open-pit polymetallic mine，Complicate underground goaf，Unknown underground goaf，Synthetical probing technique，Resources with potential danger

2014-10-27

广东省安全生产专项资金项目(编号：2010-91)。

崔晓荣(1980—)，男，博士，高级工程师。

TD76

A

1001-1250(2014)-11-128-05