基于3Dmine的采空區(qū)治理工程實踐

摘要：通過對某金礦采空區(qū)資料收集及現(xiàn)場調(diào)查，利用3Dmine軟件建立了該金礦采空區(qū)+巷道三維數(shù)字模型，準(zhǔn)確獲得了各中段采空區(qū)的實際邊界和采空區(qū)形態(tài)等相關(guān)信息。針對采空區(qū)情況，結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)實際，經(jīng)綜合分析研究，提出了采空區(qū)治理方案，即：對礦區(qū)已經(jīng)貫通連成一體的采空區(qū)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(qū)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(qū)，同時采取密閉隔離的方式聯(lián)合治理；對于其余地段的采空區(qū)，已經(jīng)結(jié)束回采且無法進入的區(qū)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(qū)采取施工措施工程進行坑內(nèi)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(fā)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(chǎn)作業(yè)創(chuàng)造了良好的條件。

關(guān)鍵詞：金屬礦山；空場采礦法；采空區(qū)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(xiàn)標(biāo)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(qū)是危及礦山安全的主要災(zāi)源之一［1-2］，如不及時采取治理措施，不僅會制約礦產(chǎn)資源的安全高效開采，還會對井下作業(yè)人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此，金屬非金屬礦山地下采空區(qū)問題受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在國外，圍繞空區(qū)探測技術(shù)，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(dá)、核磁共振和遙感技術(shù)等為一體的多手段探測技術(shù)［6-11］。在國內(nèi)，相關(guān)專家學(xué)者也進行了大量的研究和實踐，在采空區(qū)穩(wěn)定性控制方面，“測、繪、診、治”的采空區(qū)治理體系效果顯著，為采空區(qū)治理技術(shù)指明了方向［12］。本文通過對某金礦采空區(qū)資料收集及現(xiàn)場調(diào)查，利用3Dmine軟件生成了礦山的采空區(qū)三維模型，針對不同區(qū)段的采空區(qū)情況，研究確定了相應(yīng)的治理方案，為該礦山的采空區(qū)治理提供了指導(dǎo)。

1工程背景

某金礦設(shè)計年生產(chǎn)能力14.85萬t，采用“平硐+豎井+盲斜井”聯(lián)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(jié)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?shù)装逡詫訝顜r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(qū)未進行處理，隨著時間推移，采空區(qū)面積越來越大，暴露時間越來越長，產(chǎn)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(jīng)形成一個長約50 m，寬約20 m的塌陷區(qū)，塌陷區(qū)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。采空區(qū)的存在不僅制約礦山的安全生產(chǎn)，還對井下通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)的安全可靠性產(chǎn)生了一定影響。因此，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)現(xiàn)狀，采取有針對性的治理措施消除采空區(qū)隱患已成為礦山亟需解決的問題。

2采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

在該金礦采空區(qū)調(diào)查過程中主要開展以下工作：收集礦區(qū)已有勘查、設(shè)計、實測地質(zhì)資料，研究已有資料記載采空區(qū)的位置和特征，標(biāo)注不明采空區(qū)或記錄不詳采空區(qū)大致情況；現(xiàn)場調(diào)查各采空區(qū)的分布情況，記錄各采空區(qū)現(xiàn)狀；對相關(guān)知情人士進行走訪調(diào)查，系統(tǒng)收集隱蔽采空區(qū)信息；及時對獲得的信息進行整理、綜合分析等［14］。

通過調(diào)查分析，基本查清了該礦區(qū)采空區(qū)總體積達(dá)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(qū)規(guī)模最大，占采空區(qū)總體積的60.5 %，四中段采空區(qū)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(qū)域，長度分布最長，達(dá)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(shù)，以西為奇數(shù)）。在走向上，0勘探線—9勘探線是采空區(qū)相對集中的區(qū)域，體積達(dá)57 715 m3，占該金礦采空區(qū)總體積的48.65 %，由于上部與地表貫通，下部為正常生產(chǎn)的礦房，該區(qū)域是目前礦山安全生產(chǎn)面臨的最大威脅，也是本次采空區(qū)治理的重點。其他區(qū)域的采空區(qū)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(qū)相對獨立，且規(guī)模較小，對礦山的危害程度相對較小。該金礦采空區(qū)分布情況見圖1、圖2，現(xiàn)狀情況見表1。

3采空區(qū)三維建模

綜合利用該礦區(qū)采空區(qū)資料，采用3Dmine軟件獲得該金礦采空區(qū)+巷道三維數(shù)字模型，同時結(jié)合采空區(qū)現(xiàn)場調(diào)查的實際情況對采空區(qū)模型進行修正處理，最終準(zhǔn)確獲得了各中段采空區(qū)的實際邊界和采空區(qū)形態(tài)等相關(guān)信息，具體見圖3。

根據(jù)采空區(qū)調(diào)查情況，發(fā)現(xiàn)該金礦大部分采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是與地表貫通的0勘探線—9勘探線區(qū)域，地表水通過塌陷坑進入井下，不僅給安全生產(chǎn)帶來巨大隱患，還加劇了上下盤圍巖的塌落和變形。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，目前地表0勘探線—9勘探線塌陷范圍仍然呈現(xiàn)擴大趨勢，井下一中段至三中段距離采空區(qū)上下盤15 m內(nèi)的巷道均出現(xiàn)不同程度的開裂，且此類現(xiàn)象還在持續(xù)發(fā)生。通過部分采場天井聯(lián)絡(luò)穿脈對采空區(qū)進行觀察，發(fā)現(xiàn)局部采空區(qū)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(wěn)定狀態(tài)，垮塌冒落現(xiàn)象時有發(fā)生。

4采空區(qū)治理方案

采空區(qū)治理的實質(zhì)是轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中部位，緩和巖體應(yīng)力集中程度，使應(yīng)力達(dá)到新的相對平衡，以達(dá)到控制和管理地壓，保證礦山安全生產(chǎn)的目的［15］。國內(nèi)外礦山對采空區(qū)的處理方法有崩落圍巖治理采空區(qū)、充填料充填采空區(qū)、礦柱支撐采空區(qū)、封閉和隔離治理采空區(qū)及聯(lián)合法治理采空區(qū)等。

礦山采空區(qū)的治理應(yīng)本著經(jīng)濟高效的原則進行，在保障安全的前提下合理經(jīng)濟地進行采空區(qū)的治理［16］。該金礦不同標(biāo)高、不同勘探線的采空區(qū)分布特征情況不一，給礦山生產(chǎn)帶來的潛在危害也不一樣。因此，采空區(qū)治理方案的制定和選擇必須分別對待，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，結(jié)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(qū)治理方案

目前，三中段至地表范圍內(nèi)已經(jīng)結(jié)束回采和出礦工作，四中段主要礦體也已回采結(jié)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(qū)內(nèi)礦柱破壞發(fā)生塌方，上下中段采空區(qū)已經(jīng)貫通為一體，采空區(qū)內(nèi)被塌落的圍巖及礦柱填充，形成了一個非連續(xù)的采空區(qū)群。四中段以上大部分通達(dá)采空區(qū)的巷道都發(fā)生了不同程度的開裂、下沉和塌方。

采空區(qū)群不僅與采空區(qū)結(jié)構(gòu)形式、巖土物理力學(xué)性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)等自身因素相關(guān)，同時還與水環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境、熱環(huán)境、化學(xué)場和工程擾動等外部因素有關(guān)［17］，結(jié)合類似礦山采空區(qū)治理經(jīng)驗，采用充填方式能夠有效降低采空區(qū)頂板、上下盤位置的應(yīng)力集中，控制移動帶范圍及采空區(qū)周邊巷道的塑性破壞，取得較好的治理結(jié)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(qū)域采空區(qū)進行治理。根據(jù)礦山生產(chǎn)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(qū)可以減少提升、運輸工作，減少廢石占用場地，節(jié)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(qū)距離主提升系統(tǒng)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(yōu)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(jīng)綜合對比，確定采用在地表進行廢石回填采空區(qū)的治理方案，同時，為了隔離井下各中段采空區(qū)與生產(chǎn)區(qū)通道，防止采空區(qū)頂板圍巖崩落所產(chǎn)生的沖擊氣浪危害，在四中段以上通往采空區(qū)的各巷道設(shè)置密閉墻，考慮到采空區(qū)可能積水，在密閉墻的底部預(yù)留泄水孔。

4.2五中段采空區(qū)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(qū)群，相關(guān)采場雖然開采結(jié)束，但大量放礦后可能會與上部采空區(qū)貫通，發(fā)生安全事故，目前尚未進行大量放礦。針對此情況，結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，經(jīng)綜合分析研究，確定采用中深孔強制崩落采空區(qū)頂板+廢石充填+密閉隔離聯(lián)合方式進行治理，即：先將采場快速放空，并對連通采空區(qū)的通道進行封閉，然后對其進行探測，最后根據(jù)探測結(jié)果設(shè)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(qū)，以實現(xiàn)采空區(qū)廢石回填治理目的。采空區(qū)治理完畢后，觀察1個月，若地表廢石回填區(qū)域未發(fā)生較大沉陷，便逐步進行地表覆土恢復(fù)植被。

4.3其余獨立采空區(qū)治理方案

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，在一中段、三中段、四中段、五中段，除與地表貫通的采空區(qū)外，還存在一部分相對獨立的采空區(qū)。其中，一中段采空區(qū)規(guī)模較小，三中段采空區(qū)雖然具有一定規(guī)模，但相對分散，且高度都在30 m以內(nèi)，小部分發(fā)生了塌方?？紤]到上部中段大部分巷道已經(jīng)無法進入，且這類采空區(qū)規(guī)模都比較小、分散，不易發(fā)生大規(guī)模冒落引發(fā)空氣沖擊波等地質(zhì)災(zāi)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(qū)，特別是四中段6勘探線—18勘探線，雖然大部分采空區(qū)高度在30 m以內(nèi)，但受間柱塌落的影響，采空區(qū)長度在走向上達(dá)到了120多m。對于此類采空區(qū)，鑒于四中段、五中段巷道并未發(fā)生明顯開裂、變形，確定施工部分措施工程，采取坑內(nèi)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(yīng)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(qū)群的影響，防止采空區(qū)塌方進一步引發(fā)地表塌陷。其次，嘗試改變目前“先采礦后治理采空區(qū)”的開采模式，優(yōu)化開采方案，調(diào)整回采順序和采場結(jié)構(gòu)及參數(shù)，合理布置井巷工程，合理選擇支護方式，加強地壓監(jiān)測和管理，及時對采空區(qū)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(qū)得到了有效控制，取得了預(yù)期的效果：一方面，解決了采空區(qū)跑風(fēng)、漏風(fēng)的問題，大大改善了井下通風(fēng)效果，同時消除了采空區(qū)地壓活動給井下正常生產(chǎn)作業(yè)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(qū)，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(qū)進入井下而威脅生產(chǎn)安全現(xiàn)象的發(fā)生，消除了發(fā)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(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

5結(jié)語

本文運用 3Dmine軟件獲得了礦山采空區(qū)+巷道三維數(shù)字模型，根據(jù)不同區(qū)域采空區(qū)的實際情況及治理目標(biāo)確定不同的治理措施，在綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的前提下，最大限度地實現(xiàn)了礦山采空區(qū)的治理和利用，有效預(yù)防和減輕了礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保障了礦山的安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，為金屬礦山地下采空區(qū)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