王海龙教授：铁矿老采空区空间分布精细探测方法

铁矿开采为国民经济发展提供了强有力支撑的同时，也形成了大量的采空区，成为潜在的灾害源，地表塌陷事件时有发生，严重威胁了矿区及周边地区居民生命财产安全。尤其是一些开采年代较为久远的铁矿，由于开采技术和管理方式的原因，铁矿采掘的相关资料常常缺失，此外，形成的采空区随着时间推移也会产生新的变形破坏，使得采空区的分布情况变得模糊不清，加剧了采空区地表塌陷灾害防控难度。准确探明铁矿老采空区的空间分布特征，科学评价采空区稳定性能降低灾害发生率，也能为采空区治理方案设计和施工提供指导。

目前，铁矿采空区空间分布探测侧重于采空区平面分布特征，且选取的采空区大多停采时间不长或仍在开采，对于采空区的垂向分布，尤其是停采时间较长且充填情况复杂的老采空区，存在探测精度不高、无法准确获得采空区体积的不足。采空区探测技术主要有三维激光扫描技术、钻孔钻探技术和地球物理勘探技术等。三维激光扫描技术具有速度快、效率高、数据采集精度高等优点，但需要通过钻孔将激光扫描仪部署到采空区中进行探测，探测效果受采空区内水、填充物的影响极大，甚至无法开展有效探测。钻孔钻探技术具有精度高、针对性强等优点，可直接了解采空区围岩变形破坏、确定采空区埋深和充填情况，验证物探结果和现有资料的准确性，并为井内物探和电视探测提供通道，但工程钻井存在工程量大、时间长、成本高、控制范围有限等局限性。地球物理勘探技术应用广泛，适用于大面积采空区探测，但由于所用场源物理类型差异，不同物探技术各有优缺点。地下采空区空间形态一般较为复杂，干扰因素较多，单一的探测手段往往不能满足技术需求，不同探测技术的优化组合可以有效弥补各自不足，提高探测精度。

国家自然科学基金项目（编号：51704152）、山东省高等学校青创团队计划（编号：2022KJ112）、中国博士后科学基金项目（编号：2022M711969）资助下，临沂大学王海龙教授团队以铁矿老采空区空间分布为研究对象，以实现铁矿老采空区的空间分布特征精细探测，科学评价采空区稳定性为目的，提出了一种高精度磁测法定平面、天然源面波法和可控源音频大地电磁法定层位、钻孔钻探法做修正的采空区精细探测方法。该方法在顿丘铁矿老采空区开展了工程应用，探测结果与采掘基础资料有较高的契合度，初步实现了铁矿老采空区空间分布的精细探测。相关成果以《铁矿老采空区空间分布精细探测方法与应用》为题发表在《金属矿山》杂志上。

本项研究主要内容包括：

（1）提出了一种高精度磁测法定平面、天然源面波法和可控源音频大地电磁法定层位、钻孔钻探法做修正的采空区精细探测方法。采用高精度磁测法进行磁场特征探测，推断老采空区平面分布范围，在此基础上，融合天然源面波法和可控源音频大地电磁法的技术优势，获得采空区不同位置、深度上地层电阻率和波速变化规律，进而推断采空区垂向分布范围及深度，最后利用钻孔钻探法对物探结果进行对比修正。

图1 采空区空间分布精细探测流程

（2）铁矿老采空区空间分布精细探测方法工程应用，开展顿丘铁矿矿体群采空区精细探测。顿丘铁矿矿体群采空区共布设5条高精度磁测法测线、5条天然源面波法测线、4条可控源音频大地电磁法测线施工地面钻孔19个，探测结果与矿井采掘基础资料有较高的契合度，采空区平面形态近似于歪葫芦形，南北方向最长约67.5 m，东西方向最长约100 m，面积为4 992.5 ；采空区分为采空纯空区和采空回填区2种形式，分别占采空区总体积的16.7%和83.3%。

图2 铁矿范围及地面现状

图3 塌陷坑现场情况

图4 地表观测点(线)分布

图5 采空区平面分布

（a）采空区地层剖面组合模型

（b）采空区三维地质模型

图6 采空区三维地质模型

（3）基于探测结果，构建老采空区三维地质模型，实现采空区赋存特征的立体展现。采用采空区地表变形监测、临界载荷影响深度计算和采空区深厚比分析3种方法评价老采空区稳定性。

（a）地面建筑物

（b）一层高程等值线

（c）二层高程等值线

图7 采空区地面建筑物及其高程等值线图

成果来源

韩琳, 李洪涛, 安成龙, 孔媛政, 田宁, 王海龙. 铁矿老采空区空间分布精细探测方法与应用[J]. 金属矿山, 2024(3): 44-52.

作者简介

验室主任。《金属矿山》青年专家学术委员，《地质与勘探》、《成都理工大学学报（自然科学版）》青年编委，成都理工大学首届优秀研究生导师团队成员，“自然资源部西藏主要成矿带大型-特大型矿床勘查评价和研究科技创新团队”和“自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队”骨干成员，主要从事青藏高原及周缘铜多金属矿床的研究与找矿勘查工作，先后参与多个大型-超大型矿床的勘查评价，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题、四川省自然科学基金及各类横向项目10余项，发表文章70余篇，主编专著2部，参编教材2部

王海龙

教授、博士、硕士研究生导师，山东省高等学校青创团队负责人，隧道与城市地下空间临沂市工程研究中心主任，临沂大学岩土与地下工程团队负责人。现任临沂大学土木工程与建筑学院院长助理，兼任山东岩石力学与工程学会常务理事、中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会理事。近年来，主持国家自然科学基金项目、山东省高等学校“青创团队计划”团队项目、山东省自然科学基金项目，中国博士后基金面上项目以及企业委托项目等纵横向课题20余项，获中国发明协会二等奖（第1位）、中国煤炭工业科学技术三等奖（第1位）、第二届安全科技进步奖二等奖（第2位）、中国职业安全健康协会科学技术三等奖（第2位）、临沂市第十届自然科学优秀学术成果高校类一等奖（第1位）等科技奖励，出版学术著作2部，第一或通信作者发表学术论文20余篇，第一发明人授权发明专利15项。

主要成果如下：

（1）研发了组合式破碎岩石承压变形实验装置，实现了破碎岩石承压变形过程中侧向压应力的精确测量；研究了不同块度级配的破碎岩石在不同加载方式下的变形特征，对比了荷载作用前后破碎岩石块度级配变化，给出了破碎岩石长期荷载下的徐变和突变力学机制。相关研究成果发表于《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》《煤炭科学技术》《采矿与岩层控制工程学报》等刊，授权国家发明专利（ZL202111323007.3、ZL202310256899.2）2项。

（2）提出了基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法和采动覆岩垮裂三维内部空间展布模拟方法，构建了采场覆岩垮裂力学模型，获得了水砂通道贯通时工作面推进极限长度；构建了水砂通道无限长缝隙型孔成拱模型，获得了水砂耦合作用下涌水溃砂致灾临界判据。相关研究成果发表于《Geofluids》《Water》《Geotechnical and Geological Engineering》等刊，授权国家发明专利（ZL201510688971.4、ZL201611035110.7）2项。

（3）研发了水砂突涌试验系统，揭示了各致灾关键因素对涌水溃砂的影响作用机制，获得了水砂突涌致灾的前兆信息及水砂的运移与突涌特征；研发了采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统，获得了灾害“孕育—发展—发生”的时空演化特征，揭示了采动裂缝发育贯通、水砂运移突涌致灾机理。相关研究成果发表于《岩石力学与工程学报》《采矿与安全工程学报》等刊，授权国家发明专利（ZL201810947947.1、ZL201810948824.X、ZL202210640478.5）3项。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

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