矿山工程（地质测量）中采空区三维地质建模技术的应用及稳定性评价研究

一、引言

随着矿产资源的持续开采，采空区的规模和数量不断增加。采空区若管理不善，极易引发顶板坍塌、地表沉降、透水等严重安全事故，对矿山工作人员生命安全以及设备财产造成巨大威胁。例如，部分早期开采矿山，因缺乏有效采空区管理手段，频繁出现安全隐患，严重制约矿山生产。因此，准确掌握采空区空间形态、结构特征，并对其稳定性进行科学评价，成为矿山工程亟待解决的关键问题。三维地质建模技术的出现，为这一难题提供了有效解决方案。

二、采空区三维地质建模技术

2.1 数据采集

三维激光扫描技术是采空区数据采集的重要手段。利用激光扫描仪器对采空区进行全方位扫描，能够快速、精确地获取大量三维数据，涵盖采空区的空间形态、尺寸大小、表面特征等关键信息。相比传统测量方法，其优势明显。传统测量方法多依赖人工实地测量，不仅效率低下，而且受限于测量人员视野与测量工具精度，对于复杂地形或危险区域的采空区，难以获取全面、准确数据。而三维激光扫描技术可实现远距离、非接触式测量，大大提高数据采集效率与精度，且能保障测量人员安全。此外，还可结合地质勘探数据、钻孔数据等，为后续建模提供更丰富、全面的数据基础。

2.2 建模流程

将采集到的三维数据导入专业建模软件，如 Surpac 等。首先，对数据进行预处理，包括坐标转换、数据拼接等操作，确保数据的完整性与准确性。以某矿山采空区建模为例，在坐标转换过程中，将扫描得到的相对坐标精准转换为矿区统一坐标，同时对不同位置扫描的数据文件进行无缝拼接，从而获得完整的采空区轮廓点数据。接着，利用软件的自动建模功能，依据这些数据生成采空区三维模型。在此基础上，通过调用地形数据（如商业卫星数据）建立三维地形模型，并将采空区三维模型融入其中，形成采空区的三维可视化数值模型。该模型直观呈现采空区与周边地形的空间关系，为后续分析提供清晰直观的基础。

2.3 建模优势

三维地质建模技术构建的模型具有高度的可视化与精确性。与传统二维图纸相比，三维模型能够以立体形式全方位展示采空区的复杂形态与结构，使矿山工作人员更直观、清晰地了解采空区实际状况。同时，模型精度极高，能够准确反映采空区的细微特征，避免因人为简化处理导致的信息缺失。在某复杂采空区案例中，传统二维图纸难以清晰呈现采空区内部交错的巷道与空洞分布，而三维地质建模技术构建的模型则能精准展示，为后续稳定性分析与治理方案制定提供可靠依据。此外，该技术还便于数据更新与共享，随着矿山开采推进或新数据获取，可及时对模型进行修正与完善，并方便在不同部门与人员之间共享，提高工作协同效率。

三、采空区稳定性评价方法

3.1 评价指标选取

采空区稳定性受多种因素影响，选取合理评价指标至关重要。岩层性质是关键因素之一，不同岩层的强度、硬度、稳定性等差异显著，对采空区稳定性起决定性作用。例如，坚硬岩层构成的采空区顶板相对稳定，而软弱岩层顶板则易发生坍塌。采空区的顶板暴露面积也不容忽视，面积越大，顶板承受压力越大，稳定性越差。采空区深度同样影响其稳定性，深度增加，地压增大，采空区面临更大变形与破坏风险。此外，还需考虑采空区周边地质构造、地下水状况等因素，综合这些因素构建全面、科学的评价指标体系。

3.2 评价模型构建

采用专家评估法与数值模拟法相结合构建评价模型。基于采空区所在岩层性质，通过专家经验给出岩层性质权值，取值范围为 0-100 。同时，运用数值模拟软件，如 FLAC3D，对采空区进行模拟分析。在某矿山采空区稳定性评价中，利用 FLAC3D 构建复杂采空区的三维数值模拟网格模型，根据采空区实际采掘活动和回填活动先后顺序，模拟开挖矿体与充填过程，获取各水平中段应力分布数据、矿区地表的非线性变形分布及变形尺度等数据。综合专家评估的岩层性质权值与数值模拟结果，计算采空区稳定性指数。例如，设定当稳定性指数 w≥800 时，判定采空区处于不稳定状态；当 650≤W<800 时，处于较稳定状态； w<650 时处于稳定状态。通过该评价模型，能够更准确地判定采空区稳定性状态。

四、应用案例分析

4.1 案例背景介绍

以某金属矿山为例，该矿山拥有悠久的开采历史，历经多年的开采活动，导致地下遗留了大量的采空区。由于早期的技术资料不完整或缺失，这些采空区的具体信息难以掌握，给当前矿山的安全生产带来了极大的隐患和不确定性。为了有效保障矿山的安全生产，确保工作人员的生命安全和设备的正常运行，矿山管理方决定采用先进的三维地质建模技术，对采空区进行全面、系统的探测和稳定性评价，以期从根本上解决这一安全隐患。

4.2 建模与评价过程

首先，运用高精度的三维激光扫描技术对矿山的采空区进行详细的扫描，获取了大量精确的三维点云数据。这些数据为后续的建模和分析提供了坚实的基础。接着，对获取的点云数据进行预处理，包括去噪、滤波和数据的优化处理，以确保数据的准确性和可靠性。预处理完成后，将数据导入专业的地质建模软件 Surpac，构建出采空区的三维模型，并将其与矿区的三维地形模型进行无缝融合，形成一个完整的三维地质模型。同时，邀请地质专家对岩层的性质进行评估，确定各岩层的性质权值。最后，利用FLAC3D 软件进行数值模拟分析，通过计算得出采空区的稳定性指数，为矿山的安全生产提供科学依据。

4.3 结果与效果

建模结果清晰展示采空区的复杂形态与空间分布，通过稳定性评价确定部分采空区处于不稳定状态。基于此结果，矿山制定针对性治理方案，对不稳定采空区进行充填加固等处理。实施治理措施后，矿山安全事故发生率显著降低，生产效率明显提高，充分体现三维地质建模技术在采空区管理中的重要作用与实际应用价值。

五、结论与展望

三维地质建模技术在矿山工程（地质测量）中对采空区管理具有重要意义。通过精准的数据采集与科学的建模流程，构建的三维模型能直观、准确呈现采空区特征。结合合理的稳定性评价方法，可有效判断采空区稳定性状态，为矿山安全生产提供科学依据。然而，该技术仍有提升空间，未来可进一步优化数据采集精度与效率，完善稳定性评价模型，考虑更多复杂因素影响。加强与其他先进技术的融合，如人工智能、大数据等，提高采空区管理的智能化水平，为矿山工程可持续发展提供更有力支持。

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