基于3Dmine的采空区治理工程实践

摘要：通过对某金矿采空区资料收集及现场调查，利用3Dmine软件建立了该金矿采空区+巷道三维数字模型，准确获得了各中段采空区的实际边界和采空区形态等相关信息。针对采空区情况，结合矿区生产实际，经综合分析研究，提出了采空区治理方案，即：对矿区已经贯通连成一体的采空区群/塌陷坑（四中段以上）采用地表废石充填，四中段未贯通的采空区采用中深孔强制崩落顶板，将上部自地表“灌入”的废石充填到采空区，同时采取密闭隔离的方式联合治理；对于其余地段的采空区，已经结束回采且无法进入的区域采取在中段石门密闭隔离的方式进行治理，尚在开采的其他采空区采取施工措施工程进行坑内毛石回填并密闭隔离方式治理。通过多项措施的综合运用，彻底消除了发生大面积地压活动并引起地面塌陷的隐患，为井下正常生产作业创造了良好的条件。

关键词：金属矿山；空场采矿法；采空区治理；3Dmine软件；地压控制;废石充填；崩落法

中图分类号：TD679文章编号：1001-1277（2024）10-0068-04

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20241010

引言

金属非金属地下矿山开采形成的大量采空区是危及矿山安全的主要灾源之一［1-2］，如不及时采取治理措施，不仅会制约矿产资源的安全高效开采，还会对井下作业人员的生命安全造成严重威胁。因此，金属非金属矿山地下采空区问题受到了国内外学者的广泛关注。在国外，围绕空区探测技术，形成了以高密度电法或地震映像法为主［3-5］，辅以探地雷达、核磁共振和遥感技术等为一体的多手段探测技术［6-11］。在国内，相关专家学者也进行了大量的研究和实践，在采空区稳定性控制方面，“测、绘、诊、治”的采空区治理体系效果显著，为采空区治理技术指明了方向［12］。本文通过对某金矿采空区资料收集及现场调查，利用3Dmine软件生成了矿山的采空区三维模型，针对不同区段的采空区情况，研究确定了相应的治理方案，为该矿山的采空区治理提供了指导。

1工程背景

某金矿设计年生产能力14.85万t，采用“平硐+竖井+盲斜井”联合开拓，浅孔留矿采矿法开采，目前已形成7个中段（自上而下依次为一中段至七中段，中段高度40 m），其中一中段、二中段、三中段基本回采结束，六中段、七中段目前正处于开拓阶段。该金矿矿体赋存具有明显的断裂控矿特征，矿体属于急倾斜破碎氧化矿，矿体顶底板以层状岩石为主，围岩属于中硬以上围岩。

由于采用空场采矿法进行回采，地下存在大量采空区未进行处理，随着时间推移，采空区面积越来越大，暴露时间越来越长，产生大面积地压活动引起地面塌陷的可能性逐渐增加［13］。目前，该金矿地表已经形成一个长约50 m，宽约20 m的塌陷区，塌陷区仍处于不稳定状态。采空区的存在不仅制约矿山的安全生产，还对井下通风系统、排水系统的安全可靠性产生了一定影响。因此，准确掌握采空区现状，采取有针对性的治理措施消除采空区隐患已成为矿山亟需解决的问题。

2采空区现状调查

在该金矿采空区调查过程中主要开展以下工作：收集矿区已有勘查、设计、实测地质资料，研究已有资料记载采空区的位置和特征，标注不明采空区或记录不详采空区大致情况；现场调查各采空区的分布情况，记录各采空区现状；对相关知情人士进行走访调查，系统收集隐蔽采空区信息；及时对获得的信息进行整理、综合分析等［14］。

通过调查分析，基本查清了该矿区采空区总体积达118 634 m3，主要集中在一中段至四中段（五中段尚未进行大量放矿）。其中，四中段、五中段采空区规模最大，占采空区总体积的60.5 %，四中段采空区整体上可分为0勘探线—13勘探线、6勘探线—18勘探线2个独立区域，长度分布最长，达260 m左右（该金矿勘探线以0勘探线为界，0勘探线以东为偶数，以西为奇数）。在走向上，0勘探线—9勘探线是采空区相对集中的区域，体积达57 715 m3，占该金矿采空区总体积的48.65 %，由于上部与地表贯通，下部为正常生产的矿房，该区域是目前矿山安全生产面临的最大威胁，也是本次采空区治理的重点。其他区域的采空区主要包括一中段6勘探线—10勘探线，三中段9勘探线—15勘探线、4勘探线—8勘探线，四中段6勘探线—18勘探线、0勘探线—4勘探线、9勘探线—13勘探线，五中段0勘探线—4勘探线等，上述采空区相对独立，且规模较小，对矿山的危害程度相对较小。该金矿采空区分布情况见图1、图2，现状情况见表1。

3采空区三维建模

综合利用该矿区采空区资料，采用3Dmine软件获得该金矿采空区+巷道三维数字模型，同时结合采空区现场调查的实际情况对采空区模型进行修正处理，最终准确获得了各中段采空区的实际边界和采空区形态等相关信息，具体见图3。

根据采空区调查情况，发现该金矿大部分采空区处于不稳定状态，特别是与地表贯通的0勘探线—9勘探线区域，地表水通过塌陷坑进入井下，不仅给安全生产带来巨大隐患，还加剧了上下盘围岩的塌落和变形。根据现场调查情况，目前地表0勘探线—9勘探线塌陷范围仍然呈现扩大趋势，井下一中段至三中段距离采空区上下盘15 m内的巷道均出现不同程度的开裂，且此类现象还在持续发生。通过部分采场天井联络穿脉对采空区进行观察，发现局部采空区被塌落的矿柱及上下盘围岩填充，并未完全连通，采场上下盘及顶板围岩处于不稳定状态，垮塌冒落现象时有发生。

4采空区治理方案

采空区治理的实质是转移应力集中部位，缓和岩体应力集中程度，使应力达到新的相对平衡，以达到控制和管理地压，保证矿山安全生产的目的［15］。国内外矿山对采空区的处理方法有崩落围岩治理采空区、充填料充填采空区、矿柱支撑采空区、封闭和隔离治理采空区及联合法治理采空区等。

矿山采空区的治理应本着经济高效的原则进行，在保障安全的前提下合理经济地进行采空区的治理［16］。该金矿不同标高、不同勘探线的采空区分布特征情况不一，给矿山生产带来的潜在危害也不一样。因此，采空区治理方案的制定和选择必须分别对待，根据现场调查结果，结合矿山实际，提出有针对性、低成本、安全可靠、合理的治理方案。

4.1一中段至四中段与地表贯通采空区治理方案

目前，三中段至地表范围内已经结束回采和出矿工作，四中段主要矿体也已回采结束，主要进行边角矿回采及大量放矿工作。在0勘探线—9勘探线，因采空区内矿柱破坏发生塌方，上下中段采空区已经贯通为一体，采空区内被塌落的围岩及矿柱填充，形成了一个非连续的采空区群。四中段以上大部分通达采空区的巷道都发生了不同程度的开裂、下沉和塌方。

采空区群不仅与采空区结构形式、岩土物理力学性质和岩体结构等自身因素相关，同时还与水环境、应力环境、热环境、化学场和工程扰动等外部因素有关［17］，结合类似矿山采空区治理经验，采用充填方式能够有效降低采空区顶板、上下盘位置的应力集中，控制移动带范围及采空区周边巷道的塑性破坏，取得较好的治理结果，且治理成本相对较低，可操作性强。因此，初步确定采用充填方式对该区域采空区进行治理。根据矿山生产实际，可选的充填方案有尾砂充填和废石充填。使用掘进废石充填采空区可以减少提升、运输工作，减少废石占用场地，节约成本，增加效益，这是一般矿山所提倡的方法［18］。由于该金矿地表塌陷区距离主提升系统较近，采用废石充填具有运输距离短、降低矿山废石堆存费用等优势，且单独建立充填站成本相对较高，该金矿尾砂无法用于井下充填，若采用尾砂充填需单独外购充填材料。经综合对比，确定采用在地表进行废石回填采空区的治理方案，同时，为了隔离井下各中段采空区与生产区通道，防止采空区顶板围岩崩落所产生的冲击气浪危害，在四中段以上通往采空区的各巷道设置密闭墙，考虑到采空区可能积水，在密闭墙的底部预留泄水孔。

4.2五中段采空区治理方案

由于五中段0勘探线—9勘探线靠近上部的采空区群，相关采场虽然开采结束，但大量放矿后可能会与上部采空区贯通，发生安全事故，目前尚未进行大量放矿。针对此情况，结合矿山生产实际，经综合分析研究，确定采用中深孔强制崩落采空区顶板+废石充填+密闭隔离联合方式进行治理，即：先将采场快速放空，并对连通采空区的通道进行封闭，然后对其进行探测，最后根据探测结果设计中深孔强制崩落其顶板，使得自地表回填的废石能进入采空区，以实现采空区废石回填治理目的。采空区治理完毕后，观察1个月，若地表废石回填区域未发生较大沉陷，便逐步进行地表覆土恢复植被。

4.3其余独立采空区治理方案

根据调查结果，在一中段、三中段、四中段、五中段，除与地表贯通的采空区外，还存在一部分相对独立的采空区。其中，一中段采空区规模较小，三中段采空区虽然具有一定规模，但相对分散，且高度都在30 m以内，小部分发生了塌方。考虑到上部中段大部分巷道已经无法进入，且这类采空区规模都比较小、分散，不易发生大规模冒落引发空气冲击波等地质灾害，因此，确定采用隔离密闭方式进行治理。

对于四中段、五中段，在0勘探线以东，9勘探线以西还存在一些相对独立的采空区，特别是四中段6勘探线—18勘探线，虽然大部分采空区高度在30 m以内，但受间柱塌落的影响，采空区长度在走向上达到了120多m。对于此类采空区，鉴于四中段、五中段巷道并未发生明显开裂、变形，确定施工部分措施工程，采取坑内废石充填+密闭隔离的方式进行治理。

4.4五中段以下深部矿体开采建议

针对五中段以下深部矿体的开采，首先，应在五中段以下留20 m左右的隔离矿柱，隔断深部矿体开采对上部采空区群的影响，防止采空区塌方进一步引发地表塌陷。其次，尝试改变目前“先采矿后治理采空区”的开采模式，优化开采方案，调整回采顺序和采场结构及参数，合理布置井巷工程，合理选择支护方式，加强地压监测和管理，及时对采空区采取充填、崩落、封堵等方法进行综合治理［19-20］。

4.5治理效果

通过多项措施的综合运用，该矿山井下采BIeagrIXrVi6qn5orvVKh4UodWz4GA0yjDJVV2nW1Lo=空区得到了有效控制，取得了预期的效果：一方面，解决了采空区跑风、漏风的问题，大大改善了井下通风效果，同时消除了采空区地压活动给井下正常生产作业带来的安全威胁；另一方面，通过采取充填、封堵、隔离等措施治理采空区，解决了采掘废石地表堆存的问题，杜绝了汛期地表降水直接通过采空区进入井下而威胁生产安全现象的发生，消除了发生大面积地压活动并引起地面塌陷的隐患，保障了矿山的安全生产和生态环境可持续发展。

5结语

本文运用 3Dmine软件获得了矿山采空区+巷道三维数字模型，根据不同区域采空区的实际情况及治理目标确定不同的治理措施，在综合考虑技术经济指标的前提下，最大限度地实现了矿山采空区的治理和利用，有效预防和减轻了矿山地质灾害的发生，保障了矿山的安全生产和生态环境可持续发展，为金属矿山地下采空区的治理提供了方法参考。

［参 考 文 献］

［1］罗毅莎，姚振巩.采空区安全处理的对策措施研究［J］.采矿技术，2010，10（4）：65-67.

［2］高建敏.洛钼集团采空区治理的技术创新与实践［J］.矿业研究与开发，2010，30（6）：86-89.

［3］SIGGINS A F.A radar investigation of fracture in a granite outcrop［J］.Exploration Geophysics，1990，21（1/2）：105-110.

［4］GEORGE A M，ROBERT G L，ZENG X X，et al.Ground penetrating radar imaging of a collapsed paleocave system in the Ellenburger dolomite，central Texas［J］.Journal of Applied Geophysics，1998，39（1/2/3）：1-10.

［5］HANSON D R，VANDERGRIFT T L，DEMARE M J，et al.Advanced techniques in site characterization and mining hazard detection for the underground coal industry［J］.International Journal of Coal Geology，2002，50（14）：275-301.

［6］BAKER R L，CULL J P.Acquisition and signal processing of ground-penetrating radar for shallow exploration and open-pit mining［J］.Exploration Geophysics，1992，23（1/2）：17-22.

［7］TURNER G.Data processing techniques for the location of one dimensional objects using ground probing radar［J］.Exploration Geophysics，1989，20（3）：379-382.

［8］CARLSTEN S，JOHANSOON S，WARMAN A.Radar techniques for indicating internal erosion in embankment dams［J］.Journal of Applied Geophysics，1995，33（1/2/3）：143-156.

［9］HARARI Z.Ground-penetrating radar（GPR） for imaging stratigraphic features and groundwater in sand dunes［J］.Journal of Applied Geophysics，1996，36（1）：43-52.

［10］FENNER T.Ground penetratiPaPx/WrbHpn4sW61McsWzxXwMbVEPtx9LW1Jv3UDgYY=ng radar for identification of mine tunnels and abandoned mine stopes［J］.Mining Engineering，1995，47（3）：280-284.

［11］FENG Q H，ROSHOFFK.In-situ mapping and documentation of rock faces using a full coverage 3D laser scanning technique［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（3）：1-6.

［12］刘海林，汪为平，何承尧，等.金属非金属地下矿山采空区治理技术现状及发展趋势［J］.现代矿业，2018，38（6）：1-7.

［13］张钦礼，王新民.金属矿床地下开采技术［M］.长沙：中南大学出版社，2016：118-119.

［14］吕晓宏，尹琼.沈忠义，等.东川汤丹铜矿复杂采空区群联合调查技术方法研究及应用［J］.现代矿业，2022，41（1）：67-68.

［15］吴英杰，赖伟.某铜矿尾矿处置及采空区充填协同治理实践［J］.黄金，2021，42（10）：79-82.

［16］王少宾，倪彬，刘晓明，等.多矿区复杂空区三维建模与处理技术研究［J］.采矿技术，2016，16（5）：43-44.

［17］程力，刘焕新，朱明德，等.金属矿山地下采空区问题研究现状与展望［J］.黄金科学技术，2020，28（1）：70-81.

［18］冯福康，郭宏德，王宜勇，等.大规模采空区治理与关键单体数值模拟研究［J］.黄金，2016，37（1）：30-38.

［19］李夕兵，李地元，赵国彦，等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判［J］.采矿与安全工程学报，2006，23（1）：24-29.

［20］李治.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判分析［J］.资源信息与工程，2016，31（4）：94-96.

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