多礦區(qū)復(fù)雜空區(qū)三維建模與處理技術(shù)研究?

王少賓，倪 彬，劉曉明，肖厚藻

(1.西安有色冶金設(shè)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(qū)復(fù)雜空區(qū)三維建模與處理技術(shù)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(shè)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(qū)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(chǎn)安全造成重要威脅。針對烏后紫金三個相鄰礦山采空區(qū)的現(xiàn)狀，在調(diào)查清楚空區(qū)形態(tài)及體積的基礎(chǔ)上，采用空區(qū)模型混合創(chuàng)建法建立了多礦區(qū)空區(qū)三維模型，對多礦區(qū)空區(qū)之間的相互影響進行安全性分析，之后對連片空區(qū)提出治理方案，對烏后紫金三個礦區(qū)后續(xù)安全開采及空區(qū)的協(xié)同處理具有重要的工程意義。

多礦區(qū)空區(qū)；三維建模；空區(qū)處理

0 引 言

采空區(qū)是威脅礦山安全生產(chǎn)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(qū)是危及礦山安全的主要災(zāi)源之一[1-3]。大量采空區(qū)的存在會引發(fā)井下大面積冒落、巖移、地表塌陷和空區(qū)突水等重大災(zāi)害，嚴重影響我國礦產(chǎn)資源的安全高效開采和礦區(qū)環(huán)境安全[4-6]。鑒于以往都是對單個礦山采空區(qū)的現(xiàn)狀進行調(diào)查分析處理，對多個相鄰空區(qū)進行調(diào)查處理的非常少見，為此，本文對多空區(qū)進行調(diào)查分析及治理，旨在綜合治理多個空區(qū)。結(jié)合烏后紫金廟溝礦、東礦、萬城礦業(yè)3家礦山企業(yè)的采空區(qū)現(xiàn)狀，提出合理的空區(qū)治理方案處理礦山開采所形成的采空區(qū)。

1 空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

通過對廟溝礦、東礦和萬城礦業(yè)3家礦山的調(diào)查，大體調(diào)查清楚三家礦山采空區(qū)的情況:廟溝礦分為3個采區(qū)進行回采，一采區(qū)、二采區(qū)地表為山地，地表允許塌陷，三采區(qū)位于礦山選廠及辦公區(qū)之下，為保證地表建構(gòu)筑物的安全，地表不允許塌陷；東礦有2號礦體空區(qū)、11號礦體空區(qū)、3號礦體空區(qū)、銅礦體采空區(qū)；萬城礦業(yè)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(qū)。各采空區(qū)頂?shù)装鍢烁呒绑w積統(tǒng)計情況見表1～表3。

表1 廟溝采空區(qū)情況

表2 東礦采空區(qū)情況

表3 萬城礦業(yè)采空區(qū)

2 復(fù)雜空區(qū)三維建模

為有效實施對空區(qū)的監(jiān)測和治理，需要準確獲取采空區(qū)體積、三維形態(tài)和實際邊界，建立空區(qū)的三維模型。以往空區(qū)模型的建立是通過三維激光掃描儀將獲取的空間點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后建立空區(qū)實體模型，由于該礦山?jīng)]有采用三維激光掃描儀進行空區(qū)探測，無法使用點云數(shù)據(jù)建模，因此，提出一種復(fù)雜空區(qū)模型混合創(chuàng)建法。

運用三維礦業(yè)軟件DIMINE建立空區(qū)三維模型，綜合利用采場設(shè)計邊界、礦體邊界和空區(qū)測點建立模型，空區(qū)模型混合創(chuàng)建法技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 空區(qū)模型混合創(chuàng)建法技術(shù)路線

采用DIMINE軟件建立空區(qū)模型步驟如下:

(1)提取采場設(shè)計邊界線，并根據(jù)設(shè)計邊界建立采場設(shè)計模型；

(2)提取礦體勘探邊界線，并根據(jù)該邊界建立礦體三維模型；

(3)獲取空區(qū)內(nèi)頂板、底板和兩幫實際測點，根據(jù)測點建立空區(qū)輪廓模型；

(4)綜合以上3個模型，以采場設(shè)計模型為基礎(chǔ)，采用空區(qū)輪廓模型和礦體模型進行補充，聯(lián)合建立空區(qū)實體模型。

根據(jù)以上步驟，廟溝礦生成的空區(qū)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(qū)實體模型，圖中2表示為采用空區(qū)測點生成的空區(qū)實體模型。

圖2 廟溝采空區(qū)三維模型

3 空區(qū)之間相互影響及安全分析

綜合分析3家礦山企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀、空區(qū)現(xiàn)狀及其分布情況，對3家礦山空區(qū)之間的相互影響與安全隱患情況分析如下:廟溝一采區(qū)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(qū)影響，因此廟溝一采區(qū)與東礦目前的回采基本不會產(chǎn)生相互影響。

圖3 廟溝一采區(qū)與東礦采區(qū)空區(qū)空間位置關(guān)系

廟溝一采區(qū)與萬城礦業(yè)11＃礦體空區(qū)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(qū)與萬城相鄰區(qū)域的空區(qū)底部標高約為850 m。該空區(qū)已經(jīng)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(qū)與萬城礦業(yè)空區(qū)空間位置關(guān)系

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

4 多空區(qū)協(xié)同處理技術(shù)

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。通常進行空區(qū)處理的方法有封閉采空區(qū)、充填采空區(qū)和崩落采空區(qū)，由于多個相鄰空區(qū)之間影響較大，要協(xié)同處理各礦區(qū)空區(qū)。

廟溝礦一采區(qū)有3個大型采空區(qū)，自西向東依次為1-4號、1-5號及1-6號采空區(qū)，這些采空區(qū)面積大、而且空區(qū)上下貫通，涉及中段數(shù)多，空區(qū)較為復(fù)雜，采用在垂直空區(qū)的鑿巖巷道內(nèi)打垂直扇形中深孔爆破的方式崩落采空區(qū)，一采區(qū)其他采空區(qū)規(guī)模較小，采取封閉和隔離的方式進行處理。

二采區(qū)目前沒有進行采礦生產(chǎn)活動，在間柱不回采的情況下，空區(qū)保持現(xiàn)狀，圍巖穩(wěn)定性較好，但為了確保安全，對二采區(qū)的采空區(qū)進行封閉處理。

三采區(qū)地表不允許塌陷，綜合考慮三采區(qū)現(xiàn)狀及充填方案，對三采區(qū)進行充填處理。

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

4.1 廟溝一采區(qū)與東礦

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

4.2 廟溝一采區(qū)與萬城礦業(yè)

廟溝一采區(qū)與萬城礦業(yè)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(chǎn)生了一定的安全隱患，甚至已威脅礦山的正常生產(chǎn)。應(yīng)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(qū)塌透。

4.3 萬城與廟溝三采區(qū)

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

對于萬城890中段西部3-5＃空區(qū)與廟溝礦三采區(qū)的3-2＃空區(qū)在903 m標高存在透口的情況，根據(jù)萬城與廟溝礦空區(qū)處理方案及進度，建議優(yōu)先處理萬城3-5＃空區(qū)，以防止廟溝處理3-2＃空區(qū)時廢石沖擊903透口進一步擴大。待萬城3-5＃空區(qū)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(qū)860-6空區(qū)有透口的情況，建議封閉萬城873 m中段通往廟溝860-6空區(qū)的巷道，以防止廟溝礦處理該空區(qū)時充填廢石進入萬城873 m中段巷道，影響萬城的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

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

(2)提出復(fù)雜空區(qū)模型混合創(chuàng)建法建立采空區(qū)三維模型，綜合利用采場設(shè)計邊界、礦體邊界和空區(qū)輪廓建立采空區(qū)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(qū)提出了協(xié)同處理建議，相鄰礦山在回采過程中應(yīng)保證中段下降速度一致，相鄰空區(qū)應(yīng)該留有隔離礦柱并且不能使相鄰空區(qū)塌透，通往相鄰空區(qū)透口的巷道應(yīng)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(qū)處理方面的設(shè)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).