多礦區復雜空區三維建模與處理技術研究?

王少賓，倪 彬，劉曉明，肖厚藻

(1.西安有色冶金設計研究院， 陜西西安 710001；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山市 243004；3.中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083)

多礦區復雜空區三維建模與處理技術研究?

王少賓1，倪 彬1，劉曉明2，3，肖厚藻2，3

(1.西安有色冶金設計研究院， 陜西西安 710001；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山市 243004；3.中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083)

采空區是礦山采場重要的安全隱患，如不及時處理會對井下人員的生命財產安全造成重要威脅。針對烏后紫金三個相鄰礦山采空區的現狀，在調查清楚空區形態及體積的基礎上，采用空區模型混合創建法建立了多礦區空區三維模型，對多礦區空區之間的相互影響進行安全性分析，之后對連片空區提出治理方案，對烏后紫金三個礦區后續安全開采及空區的協同處理具有重要的工程意義。

多礦區空區；三維建模；空區處理

0 引 言

采空區是威脅礦山安全生產的重要危險源，我國金屬非金屬地下礦山開采形成的大量采空區是危及礦山安全的主要災源之一[1-3]。大量采空區的存在會引發井下大面積冒落、巖移、地表塌陷和空區突水等重大災害，嚴重影響我國礦產資源的安全高效開采和礦區環境安全[4-6]。鑒于以往都是對單個礦山采空區的現狀進行調查分析處理，對多個相鄰空區進行調查處理的非常少見，為此，本文對多空區進行調查分析及治理，旨在綜合治理多個空區。結合烏后紫金廟溝礦、東礦、萬城礦業3家礦山企業的采空區現狀，提出合理的空區治理方案處理礦山開采所形成的采空區。

1 空區現狀調查

通過對廟溝礦、東礦和萬城礦業3家礦山的調查，大體調查清楚三家礦山采空區的情況:廟溝礦分為3個采區進行回采，一采區、二采區地表為山地，地表允許塌陷，三采區位于礦山選廠及辦公區之下，為保證地表建構筑物的安全，地表不允許塌陷；東礦有2號礦體空區、11號礦體空區、3號礦體空區、銅礦體采空區；萬城礦業已采用空場法開采多年，由于未及時充填，導致留下了超過140萬m3的特大采空區。各采空區頂底板標高及體積統計情況見表1～表3。

表1 廟溝采空區情況

表2 東礦采空區情況

表3 萬城礦業采空區

2 復雜空區三維建模

為有效實施對空區的監測和治理，需要準確獲取采空區體積、三維形態和實際邊界，建立空區的三維模型。以往空區模型的建立是通過三維激光掃描儀將獲取的空間點云數據經過處理之后建立空區實體模型，由于該礦山沒有采用三維激光掃描儀進行空區探測，無法使用點云數據建模，因此，提出一種復雜空區模型混合創建法。

運用三維礦業軟件DIMINE建立空區三維模型，綜合利用采場設計邊界、礦體邊界和空區測點建立模型，空區模型混合創建法技術路線如圖1所示。

圖1 空區模型混合創建法技術路線

采用DIMINE軟件建立空區模型步驟如下:

(1)提取采場設計邊界線，并根據設計邊界建立采場設計模型；

(2)提取礦體勘探邊界線，并根據該邊界建立礦體三維模型；

(3)獲取空區內頂板、底板和兩幫實際測點，根據測點建立空區輪廓模型；

(4)綜合以上3個模型，以采場設計模型為基礎，采用空區輪廓模型和礦體模型進行補充，聯合建立空區實體模型。

根據以上步驟，廟溝礦生成的空區實體模型如圖2所示。圖中1表示為采用礦體模型生成的空區實體模型，圖中2表示為采用空區測點生成的空區實體模型。

圖2 廟溝采空區三維模型

3 空區之間相互影響及安全分析

綜合分析3家礦山企業的生產現狀、空區現狀及其分布情況，對3家礦山空區之間的相互影響與安全隱患情況分析如下:廟溝一采區與東礦之間有25 m左右的礦柱，選取70°的巖石移動角，做出廟溝、東礦底板的端部巖石移動范圍。由圖3可知，東礦800 m中段回采不受廟溝一采區影響，因此廟溝一采區與東礦目前的回采基本不會產生相互影響。

圖3 廟溝一采區與東礦采區空區空間位置關系

廟溝一采區與萬城礦業11＃礦體空區在873 m中段形成了一個寬24 m、長16 m、高40 m的透口(見圖4)。廟溝一采區與萬城相鄰區域的空區底部標高約為850 m。該空區已經處理完畢，圍巖墊層頂高約870 m，墊層厚度20 m，空頂標高915 m左右，目前空頂距45 m。

圖4 廟溝一采區與萬城礦業空區空間位置關系

廟溝三采區與萬城礦業的空區有透口，并且廟溝三采區的3-2＃空區體積超過12萬m3，由于這些采空區體積膨大、空區形態不清晰，而目前廟溝礦對于這部分空區的處理仍未完成，因此這部分區域存在非常大的安全隱患。

4 多空區協同處理技術

礦山采空區的治理應本著經濟高效的原則進行，在保障安全的前提下合理經濟地進行采空區的治理。通常進行空區處理的方法有封閉采空區、充填采空區和崩落采空區，由于多個相鄰空區之間影響較大，要協同處理各礦區空區。

廟溝礦一采區有3個大型采空區，自西向東依次為1-4號、1-5號及1-6號采空區，這些采空區面積大、而且空區上下貫通，涉及中段數多，空區較為復雜，采用在垂直空區的鑿巖巷道內打垂直扇形中深孔爆破的方式崩落采空區，一采區其他采空區規模較小，采取封閉和隔離的方式進行處理。

二采區目前沒有進行采礦生產活動，在間柱不回采的情況下，空區保持現狀，圍巖穩定性較好，但為了確保安全，對二采區的采空區進行封閉處理。

三采區地表不允許塌陷，綜合考慮三采區現狀及充填方案，對三采區進行充填處理。

東礦采空區2＃礦體空區采用放頂爆破和強制崩落頂部圍巖，11號礦體空區也采用崩落圍巖的方式處理采空區，銅礦體和3號礦體目前還在生產，萬城礦業則采用全尾砂膠結充填采空區。

4.1 廟溝一采區與東礦

廟溝礦一采區已回采至770中段，而東礦回采至800中段。經過分析，兩家礦山在正常生產過程中基本不會產生相互影響，但隨著礦山繼續向深部發展，仍存在一定的安全隱患。為了保證安全生產，應使廟溝礦與東礦在后續回采過程中盡量保持中段下降速度一致，嚴格按照礦權范圍開采，嚴禁超采，并繼續保留25 m的隔離礦柱。

4.2 廟溝一采區與萬城礦業

廟溝一采區與萬城礦業東部在回采過程中所留礦柱非常小，且已有多處透口，而且兩家的下降速度不完全一致，因而產生了一定的安全隱患，甚至已威脅礦山的正常生產。應封閉通往透口的巷道，并留有5 m的頂柱保護，確保不能與相鄰中段的空區塌透。

4.3 萬城與廟溝三采區

對于萬城西部930中段以西與廟溝礦三采區的3-2＃空區有透口的情況，應在萬城930中段巷道堆砌封堵墻，并建議廟溝礦三采區立即處理3-2＃采空區。

對于萬城890中段西部3-5＃空區與廟溝礦三采區的3-2＃空區在903 m標高存在透口的情況，根據萬城與廟溝礦空區處理方案及進度，建議優先處理萬城3-5＃空區，以防止廟溝處理3-2＃空區時廢石沖擊903透口進一步擴大。待萬城3-5＃空區處理至903 m水平透口時，廟溝礦與萬城開始同步充填。

對于萬城西部873中段巷道與廟溝礦三采區860-6空區有透口的情況，建議封閉萬城873 m中段通往廟溝860-6空區的巷道，以防止廟溝礦處理該空區時充填廢石進入萬城873 m中段巷道，影響萬城的安全生產。

5 結 論

(1)調查清楚了廟溝礦、東礦和萬城礦業3家礦山采空區的情況，對采空區的體積進行了匯總估算:廟溝礦采空區體積80萬m3，東礦采空區體積193萬m3，萬城礦業采空區體積147萬m3；

(2)提出復雜空區模型混合創建法建立采空區三維模型，綜合利用采場設計邊界、礦體邊界和空區輪廓建立采空區模型，對3家礦山之間的相互影響做了安全性分析；

(3)對3家礦山的空區提出了協同處理建議，相鄰礦山在回采過程中應保證中段下降速度一致，相鄰空區應該留有隔離礦柱并且不能使相鄰空區塌透，通往相鄰空區透口的巷道應該封閉。

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2016-02-18)

王少賓(1983-)，男，陜西渭南人，工程師，主要從事礦床深井開采與采空區處理方面的設計研究工作，Email: 760934004@qq.com。

金屬礦山安全與健康國家重點實驗室開放基金項目(2015-JSKSSYS-01).