前言

在矿山开采活动中，保安矿柱是一个至关重要的概念，它指的是当井筒、构筑物和建筑物因具体条件限制，不得不布置在地表移动带以内时，为了保护这些设施而预留的足够矿柱。保安矿柱肩负着保护地表建筑物、井筒及其他重要设施安全的重任，其存在意义重大。它能够有效防止因地下开采引发的地表塌陷、变形等问题，进而避免对周边环境和人员安全造成威胁，为矿山的安全稳定生产筑牢了坚实基础。

（图片来自慕课东北大学金属矿床地下开采 徐帅、安龙）

圈定保安矿柱的迫切需求

在实际的矿山开采作业中，时常会面临一系列特殊的地质条件和复杂的工程背景，这使得圈定保安矿柱成为一项极为迫切的任务。当井筒不可避免地位于地表移动带内时，其在地下开采活动的影响下，面临着倾斜、变形甚至坍塌的风险。井筒作为矿山开采中至关重要的通道，承担着运输人员、矿石以及输送设备和材料的重任，一旦出现问题，整个矿山的生产作业将陷入停滞，还会对人员的生命安全构成严重威胁。若在矿床上部或边缘有河流、铁路等重要设施通过，矿床开采后引发的地表移动和变形可能会导致河流改道、铁路轨道扭曲等问题，不仅会对周边的生态环境造成破坏，还会影响到交通运输的安全和正常运行，带来难以估量的经济损失和社会影响。因此，为了保障这些重要设施的安全，确保矿山开采活动的顺利进行，圈定保安矿柱显得尤为必要，其在维护矿山生产安全和稳定方面发挥着不可替代的作用。

圈定流程

明确安全距离，划定保护范围

在圈定保安矿柱时，首要任务是依据保护对象的重要性和相关标准来确定安全距离。这一安全距离的确定至关重要，它直接关系到保护对象在矿山开采过程中的安全性。对于重要的建筑物，如居民楼、医院等，因其人员密集，一旦受到矿山开采的影响，可能会造成严重的人员伤亡和财产损失，所以需要设定较大的安全距离；而对于一些相对不太重要的附属设施，安全距离的要求则相对较低。在确定安全距离后，便要在地质平面图上沿保护对象的周边画出保护区范围。这一过程需要精确测量和绘图，确保保护区范围的准确性，为后续的工作奠定坚实基础。

绘制关键剖面，剖析地质细节

为了深入了解矿体和各岩层的具体情况，需要绘制垂直矿体走向的横剖面地质图和平行矿体走向的纵剖面地质图。横剖面地质图能够清晰地展示出矿体在垂直方向上的形态、厚度以及与周围岩层的关系；纵剖面地质图则能呈现矿体在水平方向上的延伸情况和地质构造。在绘制过程中，要准确标注矿体和各岩层的厚度、倾角及地质构造等信息。通过对这些信息的分析，可以更好地掌握地质条件，为确定保安矿柱的边界提供详细的数据支持。例如，矿体的倾角大小会影响到岩石的移动方向和范围，从而对保安矿柱的圈定产生重要影响。

依据移动角，确定边界范围

在横剖面和纵剖面上，按照矿体和各岩层的移动角向下绘制移动边界线。移动角是指在地下开采过程中，岩石由于受到采动影响而发生移动的角度，它是确定保安矿柱边界的关键参数。不同的岩石类型和地质条件会导致移动角有所差异，因此需要根据实际情况进行准确测定。通过绘制移动边界线，可以得到移动线与矿体顶、底板的交点，这些交点确定了保安矿柱边界线的关键位置。将这些交点连接起来，就能初步确定保安矿柱在走向和倾斜方向上的边界范围。

精准定位，圈定矿柱范围

结合走向和倾斜方向的边界线，能够准确确定矿体顶板和底板的保安矿柱范围。在这个过程中，需要综合考虑各种因素，确保保安矿柱的范围既能满足保护要求，又能尽量减少矿石资源的损失。如果井筒布置在矿体中，除了要留出井筒附近的保安矿柱外，还需留出通往井筒的公路或铁路的保安矿柱。这是因为公路和铁路在矿山运输中起着重要作用，需要保证它们在开采过程中的安全稳定。在圈定这些特殊保安矿柱时，要充分考虑其与周围设施的关系，进行合理规划和设计，以确保整个矿山开采系统的安全和高效运行。

影响圈定的“幕后推手”

保安矿柱的圈定并非一个简单的过程，而是受到多种因素的综合影响，这些因素宛如幕后的“操控者”，决定着保安矿柱圈定的科学性和合理性。

保护对象的重要程度是首要考虑的因素。对于那些关乎公共安全、社会稳定以及重要基础设施的保护对象，如大型居民聚居区、重要的交通枢纽（铁路、高速公路等）、生命线工程（供水、供电、供气设施等），必须给予高度重视。这些设施一旦受到破坏，将会引发严重的社会问题和经济损失。因此，在圈定保安矿柱时，要为它们留出更为充足的保护范围，以最大程度地降低矿山开采活动对其产生的潜在影响。相反，对于一些次要的、临时性的设施，安全距离和保护范围的要求则相对较低。

岩石特性也会对保安矿柱的圈定产生影响。不同类型的岩石在力学性质上存在显著差异，这直接关系到岩石在开采过程中的稳定性。例如，坚硬的岩石，如花岗岩、石英岩等，具有较强的抗压、抗剪能力，在开采过程中不易发生变形和破坏，其移动角相对较大。这意味着在圈定保安矿柱时，可以适当减小矿柱的尺寸，从而减少矿石资源的损失。而软弱的岩石，如页岩、泥岩等，强度较低，容易在开采扰动下发生变形、坍塌，移动角较小。为了确保这类岩石条件下的保护对象安全，就需要加大保安矿柱的尺寸，以提供足够的支撑和保护。岩石的节理、裂隙发育程度同样不容忽视。节理和裂隙会削弱岩石的整体性和强度，增加岩石移动和破坏的可能性。在节理、裂隙密集的区域，需要更加谨慎地圈定保安矿柱，可能需要扩大矿柱范围或采取特殊的支护措施，以防止岩石的失稳。

矿体的赋存状况是影响保安矿柱圈定的关键因素之一。矿体的倾角、厚度、形状等参数都会对开采过程中的岩石移动和变形产生影响。当矿体倾角较小时，开采引起的岩石移动主要集中在矿体上方，保安矿柱的圈定相对较为简单；而当矿体倾角较大时，岩石移动的范围会向矿体倾斜方向扩展，这就需要在倾斜方向上加大保安矿柱的尺寸，以保证保护对象的安全。矿体厚度越大，开采过程中对周围岩石的扰动也越大，相应地，保安矿柱的尺寸也需要增大。此外，矿体的形状复杂程度也会影响保安矿柱的圈定。对于形状规则的矿体，圈定工作相对容易；而对于形状不规则、存在分枝、尖灭等情况的矿体，需要更加细致地分析和研究，以准确确定保安矿柱的边界。

开采计划与保安矿柱的圈定也存在紧密联系。不同的开采方法，如露天开采、地下开采（房柱法、充填法、崩落法等），对岩石的破坏和移动方式各不相同，这必然会影响保安矿柱的圈定。例如，采用崩落法开采时，由于会造成较大范围的岩石崩落和移动，需要更大范围的保安矿柱来保护地表设施；而采用充填法开采时，能够有效控制岩石的移动，保安矿柱的尺寸可以相对减小。开采顺序也会对保安矿柱的圈定产生影响。合理的开采顺序可以减少开采过程中的相互干扰，降低对保安矿柱的破坏风险。在一些情况下，可能需要先开采远离保护对象的区域，最后再处理保安矿柱附近的矿体，以确保保安矿柱在开采过程中的稳定性。

案例解析：理论与实践的碰撞

鑫达金矿竖井保安矿柱圈定

鑫达金矿在发展进程中，进入深部开采阶段后面临着严峻的问题。原设计采用 65° 岩移角圈定竖井保安矿柱，随着开采深度的增加，这一传统方法的局限性愈发凸显。大量优质矿体被圈定在保安矿柱范围内，无法进行回采，造成了资源的极大浪费 。为了打破这一困境，相关人员从控制岩移范围这一关键问题入手，引入了临界散体柱理论。这一理论的核心在于通过特定的方式控制上覆岩层的移动范围，从而为重新圈定竖井保安矿柱提供了新的思路。根据这一理论，技术人员对竖井保安矿柱进行了重新圈定。在实际操作过程中，充分考虑了矿山的地质条件、矿体的赋存状态以及开采工艺等多方面因素。随后，运用 FLAC 3D 数值模拟软件对保安矿柱优化后矿体开采对竖井稳定性的影响进行了模拟分析。模拟结果令人满意，竖井变形主要集中在垂直方向上的沉降，水平方向位移较小，说明竖井在垂直方向上承受的压力相对较大，但整体稳定性仍在可控范围内；矿体开挖后应力扰动范围并未波及到竖井附近，这表明竖井处于相对稳定的状态，新的保安矿柱圈定方案有效地保障了竖井的安全 。通过这次实践，鑫达金矿成功解决了传统保安矿柱过度圈定的问题，为深部矿体的开采创造了有利条件，提高了资源的回收率，降低了开采成本，取得了显著的经济效益和社会效益。

基于 3dmine 软件的露天转地下保安矿柱圈定

在现代矿山开采技术不断发展的背景下，基于 3dmine 软件的露天转地下保安矿柱圈定方法应运而生，为矿山开采提供了更加科学、精准的解决方案。

确定安全塌陷带是首要步骤。针对不同的保护对象，技术人员需要仔细查阅相应的标准与规范，以确定安全塌陷带的准确位置和长度。安全塌陷带的确定至关重要，它直接关系到后续保安矿柱圈定的准确性和可靠性。安全塌陷带是依据保护对象外轮廓形成的弧状曲线，其长度通常不小于安全沉陷带与保护对象距离的 5 倍，以确保在最不利的情况下，保护对象也能处于安全范围之内 。

将安全塌陷带与包括露天采坑的地表 dtm 面进行拟合是关键环节。这一步骤要求塌陷带上的点尽可能多地落在地表 dtm 面上，至少 90％的点要实现准确拟合。通过这种拟合操作，可以使安全塌陷带与地表的实际地形更加贴合，为后续的分析和计算提供更准确的基础数据。在拟合过程中，需要运用专业的算法和技术手段，对大量的数据进行处理和分析，以确保拟合的精度和效果 。

提取拟合曲线并按岩石移动角θ 向下拓展 2h 的高度，得到推导曲线，其中 h 为分段高度。这一过程需要精确计算和严谨操作，以确保推导曲线的准确性。岩石移动角 θ 的确定需要考虑多种因素，如岩石的力学性质、地质构造等，通过对这些因素的综合分析，确定出合理的岩石移动角，从而保证推导曲线能够准确反映岩石在开采过程中的移动趋势 。

在 3dmine 软件中基于推导曲线与拟合曲线，快速生成 dtm 面，并将其编号为 m，m 的初始值为 1。3dmine 软件具有强大的数据处理和建模功能，能够快速、准确地生成 dtm 面。生成的 dtm 面为后续的分析和计算提供了直观、清晰的模型，便于技术人员进行进一步的操作 。

基于高程 h0-mh 切割 dtm 面形成 h0-mh 水平剖面线，h0 为地表平均高程。通过切割 dtm 面，可以得到不同高程的水平剖面线，这些剖面线能够展示出保安矿柱在不同深度的形态和范围。对这些剖面线进行分析，可以获取更多关于保安矿柱的信息，为后续的工作提供详细的数据支持 。

判断剖面线是否贯穿 m 号 dtm 面是一个重要的判断步骤。如果已贯穿，则将剖面线与溢出边界进行组合，形成新的拟合曲线，令 m＝m+1，并返回步骤 4，在步骤 5 中将新的拟合曲线和新的拟合曲线的推导曲线共同形成 dtm 面，其它步骤依次进行；若剖面线未贯穿 dtm 面，则进入下一步。这一过程需要不断地进行判断和调整，以确保最终得到的保安矿柱边界准确合理。在实际操作中，需要技术人员具备丰富的经验和敏锐的判断力，根据具体情况灵活调整操作步骤 。

通过删除冗余点和丁字角对 h0-mh 水平剖面线进行修整，利用修整后的平面曲线推导出每一个水平的保安矿柱理论边界。这一步骤能够使保安矿柱的边界更加精确、合理，避免出现不必要的误差和偏差。在修整过程中，需要运用专业的图形处理技术，对水平剖面线进行细致的处理，确保边界的准确性 。

根据实际工程布置、开采中长期计划以及简单和便于施工的原则对保安矿柱理论边界进行优化，得到更合理的保安矿柱边界。实际工程布置包括开拓工程、采准工程等，开采中长期计划则考虑了矿山的长远发展目标。通过综合考虑这些因素，可以使保安矿柱的圈定更加符合实际生产的需求，提高矿山开采的效率和安全性。在优化过程中，需要与各相关部门进行密切沟通和协作，充分听取各方意见，确保最终的保安矿柱边界既满足安全要求，又便于施工和生产。

这种基于 3dmine 软件的露天转地下保安矿柱圈定方法，将软件技术、理论分析与实际工程紧密结合，相较于直接根据岩石移动角一步到位推导保安矿柱边界的传统方法，具有明显的优势。它得到的保安矿柱边界更加平整和简单，便于施工人员进行留置施工，同时也有利于提高保安矿柱资源的回收利用率，为矿山的可持续发展提供了有力保障。

小结

保安矿柱的圈定是一项复杂且系统的工程，对矿山开采的安全性、资源回收率以及经济效益都有着深远影响。从圈定的必要性来看，它是保护地表重要设施、维护生态环境以及保障矿山可持续开采的关键手段。在圈定流程上，从明确安全距离和保护范围，到绘制地质剖面图分析地质条件，再依据移动角确定边界并精准圈定矿柱范围，每一个步骤都紧密相连，环环相扣，任何一个环节的失误都可能导致保安矿柱圈定不合理，从而引发安全隐患或资源浪费。影响保安矿柱圈定的因素众多，保护对象的重要程度决定了安全保障的等级，岩石特性和矿体赋存状况是地质基础，开采计划则从工程实施角度影响着圈定方案，这些因素相互交织，要求在圈定过程中必须进行全面、综合的考量。