基于3Dmine的采空區治理工程實踐

摘要：通過對某金礦采空區資料收集及現場調查，利用3Dmine軟件建立了該金礦采空區+巷道三維數字模型，準確獲得了各中段采空區的實際邊界和采空區形態等相關信息。針對采空區情況，結合礦區生產實際，經綜合分析研究，提出了采空區治理方案，即：對礦區已經貫通連成一體的采空區群/塌陷坑（四中段以上）采用地表廢石充填，四中段未貫通的采空區采用中深孔強制崩落頂板，將上部自地表“灌入”的廢石充填到采空區，同時采取密閉隔離的方式聯合治理；對于其余地段的采空區，已經結束回采且無法進入的區域采取在中段石門密閉隔離的方式進行治理，尚在開采的其他采空區采取施工措施工程進行坑內毛石回填并密閉隔離方式治理。通過多項措施的綜合運用，徹底消除了發生大面積地壓活動并引起地面塌陷的隱患，為井下正常生產作業創造了良好的條件。

關鍵詞：金屬礦山；空場采礦法；采空區治理；3Dmine軟件；地壓控制;廢石充填；崩落法

中圖分類號：TD679文章編號：1001-1277（2024）10-0068-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241010

引言

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［1-2］，如不及時采取治理措施，不僅會制約礦產資源的安全高效開采，還會對井下作業人員的生命安全造成嚴重威脅。因此，金屬非金屬礦山地下采空區問題受到了國內外學者的廣泛關注。在國外，圍繞空區探測技術，形成了以高密度電法或地震映像法為主［3-5］，輔以探地雷達、核磁共振和遙感技術等為一體的多手段探測技術［6-11］。在國內，相關專家學者也進行了大量的研究和實踐，在采空區穩定性控制方面，“測、繪、診、治”的采空區治理體系效果顯著，為采空區治理技術指明了方向［12］。本文通過對某金礦采空區資料收集及現場調查，利用3Dmine軟件生成了礦山的采空區三維模型，針對不同區段的采空區情況，研究確定了相應的治理方案，為該礦山的采空區治理提供了指導。

1工程背景

某金礦設計年生產能力14.85萬t，采用“平硐+豎井+盲斜井”聯合開拓，淺孔留礦采礦法開采，目前已形成7個中段（自上而下依次為一中段至七中段，中段高度40 m），其中一中段、二中段、三中段基本回采結束，六中段、七中段目前正處于開拓階段。該金礦礦體賦存具有明顯的斷裂控礦特征，礦體屬于急傾斜破碎氧化礦，礦體頂底板以層狀巖石為主，圍巖屬于中硬以上圍巖。

由于采用空場采礦法進行回采，地下存在大量采空區未進行處理，隨著時間推移，采空區面積越來越大，暴露時間越來越長，產生大面積地壓活動引起地面塌陷的可能性逐漸增加［13］。目前，該金礦地表已經形成一個長約50 m，寬約20 m的塌陷區，塌陷區仍處于不穩定狀態。采空區的存在不僅制約礦山的安全生產，還對井下通風系統、排水系統的安全可靠性產生了一定影響。因此，準確掌握采空區現狀，采取有針對性的治理措施消除采空區隱患已成為礦山亟需解決的問題。

2采空區現狀調查

在該金礦采空區調查過程中主要開展以下工作：收集礦區已有勘查、設計、實測地質資料，研究已有資料記載采空區的位置和特征，標注不明采空區或記錄不詳采空區大致情況；現場調查各采空區的分布情況，記錄各采空區現狀；對相關知情人士進行走訪調查，系統收集隱蔽采空區信息；及時對獲得的信息進行整理、綜合分析等［14］。

通過調查分析，基本查清了該礦區采空區總體積達118 634 m3，主要集中在一中段至四中段（五中段尚未進行大量放礦）。其中，四中段、五中段采空區規模最大，占采空區總體積的60.5 %，四中段采空區整體上可分為0勘探線—13勘探線、6勘探線—18勘探線2個獨立區域，長度分布最長，達260 m左右（該金礦勘探線以0勘探線為界，0勘探線以東為偶數，以西為奇數）。在走向上，0勘探線—9勘探線是采空區相對集中的區域，體積達57 715 m3，占該金礦采空區總體積的48.65 %，由于上部與地表貫通，下部為正常生產的礦房，該區域是目前礦山安全生產面臨的最大威脅，也是本次采空區治理的重點。其他區域的采空區主要包括一中段6勘探線—10勘探線，三中段9勘探線—15勘探線、4勘探線—8勘探線，四中段6勘探線—18勘探線、0勘探線—4勘探線、9勘探線—13勘探線，五中段0勘探線—4勘探線等，上述采空區相對獨立，且規模較小，對礦山的危害程度相對較小。該金礦采空區分布情況見圖1、圖2，現狀情況見表1。

3采空區三維建模

綜合利用該礦區采空區資料，采用3Dmine軟件獲得該金礦采空區+巷道三維數字模型，同時結合采空區現場調查的實際情況對采空區模型進行修正處理，最終準確獲得了各中段采空區的實際邊界和采空區形態等相關信息，具體見圖3。

根據采空區調查情況，發現該金礦大部分采空區處于不穩定狀態，特別是與地表貫通的0勘探線—9勘探線區域，地表水通過塌陷坑進入井下，不僅給安全生產帶來巨大隱患，還加劇了上下盤圍巖的塌落和變形。根據現場調查情況，目前地表0勘探線—9勘探線塌陷范圍仍然呈現擴大趨勢，井下一中段至三中段距離采空區上下盤15 m內的巷道均出現不同程度的開裂，且此類現象還在持續發生。通過部分采場天井聯絡穿脈對采空區進行觀察，發現局部采空區被塌落的礦柱及上下盤圍巖填充，并未完全連通，采場上下盤及頂板圍巖處于不穩定狀態，垮塌冒落現象時有發生。

4采空區治理方案

采空區治理的實質是轉移應力集中部位，緩和巖體應力集中程度，使應力達到新的相對平衡，以達到控制和管理地壓，保證礦山安全生產的目的［15］。國內外礦山對采空區的處理方法有崩落圍巖治理采空區、充填料充填采空區、礦柱支撐采空區、封閉和隔離治理采空區及聯合法治理采空區等。

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［16］。該金礦不同標高、不同勘探線的采空區分布特征情況不一，給礦山生產帶來的潛在危害也不一樣。因此，采空區治理方案的制定和選擇必須分別對待，根據現場調查結果，結合礦山實際，提出有針對性、低成本、安全可靠、合理的治理方案。

4.1一中段至四中段與地表貫通采空區治理方案

目前，三中段至地表范圍內已經結束回采和出礦工作，四中段主要礦體也已回采結束，主要進行邊角礦回采及大量放礦工作。在0勘探線—9勘探線，因采空區內礦柱破壞發生塌方，上下中段采空區已經貫通為一體，采空區內被塌落的圍巖及礦柱填充，形成了一個非連續的采空區群。四中段以上大部分通達采空區的巷道都發生了不同程度的開裂、下沉和塌方。

采空區群不僅與采空區結構形式、巖土物理力學性質和巖體結構等自身因素相關，同時還與水環境、應力環境、熱環境、化學場和工程擾動等外部因素有關［17］，結合類似礦山采空區治理經驗，采用充填方式能夠有效降低采空區頂板、上下盤位置的應力集中，控制移動帶范圍及采空區周邊巷道的塑性破壞，取得較好的治理結果，且治理成本相對較低，可操作性強。因此，初步確定采用充填方式對該區域采空區進行治理。根據礦山生產實際，可選的充填方案有尾砂充填和廢石充填。使用掘進廢石充填采空區可以減少提升、運輸工作，減少廢石占用場地，節約成本，增加效益，這是一般礦山所提倡的方法［18］。由于該金礦地表塌陷區距離主提升系統較近，采用廢石充填具有運輸距離短、降低礦山廢石堆存費用等優勢，且單獨建立充填站成本相對較高，該金礦尾砂無法用于井下充填，若采用尾砂充填需單獨外購充填材料。經綜合對比，確定采用在地表進行廢石回填采空區的治理方案，同時，為了隔離井下各中段采空區與生產區通道，防止采空區頂板圍巖崩落所產生的沖擊氣浪危害，在四中段以上通往采空區的各巷道設置密閉墻，考慮到采空區可能積水，在密閉墻的底部預留泄水孔。

4.2五中段采空區治理方案

由于五中段0勘探線—9勘探線靠近上部的采空區群，相關采場雖然開采結束，但大量放礦后可能會與上部采空區貫通，發生安全事故，目前尚未進行大量放礦。針對此情況，結合礦山生產實際，經綜合分析研究，確定采用中深孔強制崩落采空區頂板+廢石充填+密閉隔離聯合方式進行治理，即：先將采場快速放空，并對連通采空區的通道進行封閉，然后對其進行探測，最后根據探測結果設計中深孔強制崩落其頂板，使得自地表回填的廢石能進入采空區，以實現采空區廢石回填治理目的。采空區治理完畢后，觀察1個月，若地表廢石回填區域未發生較大沉陷，便逐步進行地表覆土恢復植被。

4.3其余獨立采空區治理方案

根據調查結果，在一中段、三中段、四中段、五中段，除與地表貫通的采空區外，還存在一部分相對獨立的采空區。其中，一中段采空區規模較小，三中段采空區雖然具有一定規模，但相對分散，且高度都在30 m以內，小部分發生了塌方。考慮到上部中段大部分巷道已經無法進入，且這類采空區規模都比較小、分散，不易發生大規模冒落引發空氣沖擊波等地質災害，因此，確定采用隔離密閉方式進行治理。

對于四中段、五中段，在0勘探線以東，9勘探線以西還存在一些相對獨立的采空區，特別是四中段6勘探線—18勘探線，雖然大部分采空區高度在30 m以內，但受間柱塌落的影響，采空區長度在走向上達到了120多m。對于此類采空區，鑒于四中段、五中段巷道并未發生明顯開裂、變形，確定施工部分措施工程，采取坑內廢石充填+密閉隔離的方式進行治理。

4.4五中段以下深部礦體開采建議

針對五中段以下深部礦體的開采，首先，應在五中段以下留20 m左右的隔離礦柱，隔斷深部礦體開采對上部采空區群的影響，防止采空區塌方進一步引發地表塌陷。其次，嘗試改變目前“先采礦后治理采空區”的開采模式，優化開采方案，調整回采順序和采場結構及參數，合理布置井巷工程，合理選擇支護方式，加強地壓監測和管理，及時對采空區采取充填、崩落、封堵等方法進行綜合治理［19-20］。

4.5治理效果

通過多項措施的綜合運用，該礦山井下采BIeagrIXrVi6qn5orvVKh4UodWz4GA0yjDJVV2nW1Lo=空區得到了有效控制，取得了預期的效果：一方面，解決了采空區跑風、漏風的問題，大大改善了井下通風效果，同時消除了采空區地壓活動給井下正常生產作業帶來的安全威脅；另一方面，通過采取充填、封堵、隔離等措施治理采空區，解決了采掘廢石地表堆存的問題，杜絕了汛期地表降水直接通過采空區進入井下而威脅生產安全現象的發生，消除了發生大面積地壓活動并引起地面塌陷的隱患，保障了礦山的安全生產和生態環境可持續發展。

5結語

本文運用 3Dmine軟件獲得了礦山采空區+巷道三維數字模型，根據不同區域采空區的實際情況及治理目標確定不同的治理措施，在綜合考慮技術經濟指標的前提下，最大限度地實現了礦山采空區的治理和利用，有效預防和減輕了礦山地質災害的發生，保障了礦山的安全生產和生態環境可持續發展，為金屬礦山地下采空區的治理提供了方法參考。

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Engineering practice of goaf management based on 3Dmine

Shi Chuanlong

（Shandong Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Through data collection and field investigations of a gold mine，s goaf，a 3D digital model of the mine's goaf and roadways was established using 3Dmine software.This model accurately provided information on the actual boundaries and shapes of the goaf at different levels.Based on the comprehensive analysis of goaf conditions and the mine，s production reality，a management plan was proposed.The management strategy includes the following：for goaf groups/collapse pits （above the fourth level） that have interconnected，surface waste rock filling is used; for isolated goafs on the fourth level，forced roof caving through medium-long hole blasting is employed to fill the goaf with waste rock from the surface.In addition，closed-off isolation methods are applied for joint management.For other goafs where mining has ceased and access is no longer possible，the goafs are managed by sealing off the level stone doors.For goafs under mining，filling with in-pit coarse rocks and sealed isolation methods are implemented.Through the integrated application of these various measures，the risk of large-scale ground pressure activities and surface subsidence has been thoroughly eliminated，creating favorable conditions for continued underground production operations.

Keywords：metal mine;open stoping method;goaf management;3Dmine software;ground pressure control;waste rock filling;caving