王海龍教授：鐵礦老采空區(qū)空間分布精細(xì)探測方法

鐵礦開采為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力支撐的同時，也形成了大量的采空區(qū)，成為潛在的災(zāi)害源，地表塌陷事件時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅了礦區(qū)及周邊地區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)安全。尤其是一些開采年代較為久遠(yuǎn)的鐵礦，由于開采技術(shù)和管理方式的原因，鐵礦采掘的相關(guān)資料常常缺失，此外，形成的采空區(qū)隨著時間推移也會產(chǎn)生新的變形破壞，使得采空區(qū)的分布情況變得模糊不清，加劇了采空區(qū)地表塌陷災(zāi)害防控難度。準(zhǔn)確探明鐵礦老采空區(qū)的空間分布特征，科學(xué)評價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性能降低災(zāi)害發(fā)生率，也能為采空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

目前，鐵礦采空區(qū)空間分布探測側(cè)重于采空區(qū)平面分布特征，且選取的采空區(qū)大多停采時間不長或仍在開采，對于采空區(qū)的垂向分布，尤其是停采時間較長且充填情況復(fù)雜的老采空區(qū)，存在探測精度不高、無法準(zhǔn)確獲得采空區(qū)體積的不足。采空區(qū)探測技術(shù)主要有三維激光掃描技術(shù)、鉆孔鉆探技術(shù)和地球物理勘探技術(shù)等。三維激光掃描技術(shù)具有速度快、效率高、數(shù)據(jù)采集精度高等優(yōu)點(diǎn)，但需要通過鉆孔將激光掃描儀部署到采空區(qū)中進(jìn)行探測，探測效果受采空區(qū)內(nèi)水、填充物的影響極大，甚至無法開展有效探測。鉆孔鉆探技術(shù)具有精度高、針對性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接了解采空區(qū)圍巖變形破壞、確定采空區(qū)埋深和充填情況，驗(yàn)證物探結(jié)果和現(xiàn)有資料的準(zhǔn)確性，并為井內(nèi)物探和電視探測提供通道，但工程鉆井存在工程量大、時間長、成本高、控制范圍有限等局限性。地球物理勘探技術(shù)應(yīng)用廣泛，適用于大面積采空區(qū)探測，但由于所用場源物理類型差異，不同物探技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。地下采空區(qū)空間形態(tài)一般較為復(fù)雜，干擾因素較多，單一的探測手段往往不能滿足技術(shù)需求，不同探測技術(shù)的優(yōu)化組合可以有效彌補(bǔ)各自不足，提高探測精度。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：51704152）、山東省高等學(xué)校青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（編號：2022KJ112）、中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：2022M711969）資助下，臨沂大學(xué)王海龍教授團(tuán)隊(duì)以鐵礦老采空區(qū)空間分布為研究對象，以實(shí)現(xiàn)鐵礦老采空區(qū)的空間分布特征精細(xì)探測，科學(xué)評價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性為目的，提出了一種高精度磁測法定平面、天然源面波法和可控源音頻大地電磁法定層位、鉆孔鉆探法做修正的采空區(qū)精細(xì)探測方法。該方法在頓丘鐵礦老采空區(qū)開展了工程應(yīng)用，探測結(jié)果與采掘基礎(chǔ)資料有較高的契合度，初步實(shí)現(xiàn)了鐵礦老采空區(qū)空間分布的精細(xì)探測。相關(guān)成果以《鐵礦老采空區(qū)空間分布精細(xì)探測方法與應(yīng)用》為題發(fā)表在《金屬礦山》雜志上。

本項(xiàng)研究主要內(nèi)容包括：

（1）提出了一種高精度磁測法定平面、天然源面波法和可控源音頻大地電磁法定層位、鉆孔鉆探法做修正的采空區(qū)精細(xì)探測方法。采用高精度磁測法進(jìn)行磁場特征探測，推斷老采空區(qū)平面分布范圍，在此基礎(chǔ)上，融合天然源面波法和可控源音頻大地電磁法的技術(shù)優(yōu)勢，獲得采空區(qū)不同位置、深度上地層電阻率和波速變化規(guī)律，進(jìn)而推斷采空區(qū)垂向分布范圍及深度，最后利用鉆孔鉆探法對物探結(jié)果進(jìn)行對比修正。

圖1 采空區(qū)空間分布精細(xì)探測流程

（2）鐵礦老采空區(qū)空間分布精細(xì)探測方法工程應(yīng)用，開展頓丘鐵礦礦體群采空區(qū)精細(xì)探測。頓丘鐵礦礦體群采空區(qū)共布設(shè)5條高精度磁測法測線、5條天然源面波法測線、4條可控源音頻大地電磁法測線施工地面鉆孔19個，探測結(jié)果與礦井采掘基礎(chǔ)資料有較高的契合度，采空區(qū)平面形態(tài)近似于歪葫蘆形，南北方向最長約67.5 m，東西方向最長約100 m，面積為4 992.5 ；采空區(qū)分為采空純空區(qū)和采空回填區(qū)2種形式，分別占采空區(qū)總體積的16.7%和83.3%。

圖2 鐵礦范圍及地面現(xiàn)狀

圖3 塌陷坑現(xiàn)場情況

圖4 地表觀測點(diǎn)(線)分布

圖5 采空區(qū)平面分布

（a）采空區(qū)地層剖面組合模型

（b）采空區(qū)三維地質(zhì)模型

圖6 采空區(qū)三維地質(zhì)模型

（3）基于探測結(jié)果，構(gòu)建老采空區(qū)三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)賦存特征的立體展現(xiàn)。采用采空區(qū)地表變形監(jiān)測、臨界載荷影響深度計(jì)算和采空區(qū)深厚比分析3種方法評價(jià)老采空區(qū)穩(wěn)定性。

（a）地面建筑物

（b）一層高程等值線

（c）二層高程等值線

圖7 采空區(qū)地面建筑物及其高程等值線圖

成果來源

韓琳, 李洪濤, 安成龍, 孔媛政, 田寧, 王海龍. 鐵礦老采空區(qū)空間分布精細(xì)探測方法與應(yīng)用[J]. 金屬礦山, 2024(3): 44-52.

作者簡介

驗(yàn)室主任。《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價(jià)和研究科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價(jià)，主持國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專題、四川省自然科學(xué)基金及各類橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

王海龍

教授、博士、碩士研究生導(dǎo)師，山東省高等學(xué)校青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，隧道與城市地下空間臨沂市工程研究中心主任，臨沂大學(xué)巖土與地下工程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人?，F(xiàn)任臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院院長助理，兼任山東巖石力學(xué)與工程學(xué)會常務(wù)理事、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會采礦巖石力學(xué)分會理事。近年來，主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省高等學(xué)校“青創(chuàng)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，中國博士后基金面上項(xiàng)目以及企業(yè)委托項(xiàng)目等縱橫向課題20余項(xiàng)，獲中國發(fā)明協(xié)會二等獎（第1位）、中國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)三等獎（第1位）、第二屆安全科技進(jìn)步獎二等獎（第2位）、中國職業(yè)安全健康協(xié)會科學(xué)技術(shù)三等獎（第2位）、臨沂市第十屆自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果高校類一等獎（第1位）等科技獎勵，出版學(xué)術(shù)著作2部，第一或通信作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利15項(xiàng)。

主要成果如下：

（1）研發(fā)了組合式破碎巖石承壓變形實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了破碎巖石承壓變形過程中側(cè)向壓應(yīng)力的精確測量；研究了不同塊度級配的破碎巖石在不同加載方式下的變形特征，對比了荷載作用前后破碎巖石塊度級配變化，給出了破碎巖石長期荷載下的徐變和突變力學(xué)機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表于《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》《煤炭科學(xué)技術(shù)》《采礦與巖層控制工程學(xué)報(bào)》等刊，授權(quán)國家發(fā)明專利（ZL202111323007.3、ZL202310256899.2）2項(xiàng)。

（2）提出了基于應(yīng)力監(jiān)測的采動覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度探測方法和采動覆巖垮裂三維內(nèi)部空間展布模擬方法，構(gòu)建了采場覆巖垮裂力學(xué)模型，獲得了水砂通道貫通時工作面推進(jìn)極限長度；構(gòu)建了水砂通道無限長縫隙型孔成拱模型，獲得了水砂耦合作用下涌水潰砂致災(zāi)臨界判據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《Geofluids》《Water》《Geotechnical and Geological Engineering》等刊，授權(quán)國家發(fā)明專利（ZL201510688971.4、ZL201611035110.7）2項(xiàng)。

（3）研發(fā)了水砂突涌試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了各致災(zāi)關(guān)鍵因素對涌水潰砂的影響作用機(jī)制，獲得了水砂突涌致災(zāi)的前兆信息及水砂的運(yùn)移與突涌特征；研發(fā)了采動覆巖涌水潰砂災(zāi)害模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了災(zāi)害“孕育—發(fā)展—發(fā)生”的時空演化特征，揭示了采動裂縫發(fā)育貫通、水砂運(yùn)移突涌致災(zāi)機(jī)理。相關(guān)研究成果發(fā)表于《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》《采礦與安全工程學(xué)報(bào)》等刊，授權(quán)國家發(fā)明專利（ZL201810947947.1、ZL201810948824.X、ZL202210640478.5）3項(xiàng)。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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