“三下”开采是指对位于地表水体、建筑物和铁路（公路）下的矿床进行开采^［1-4］。“三下”矿产资源的回收利用，不仅要考虑经济效益，而且必须要确保矿山开采的安全、地表建筑物及人民的生命财产安全，防止地面建筑物、铁（公）路干线的变形破坏及地表水体涌入井下造成重大安全事故^［5-6］。1935年山东淄博矿务局洪山矿朱龙河水通过断层进入矿坑，导致563名矿工失去生命。1977年吉林辽源梅河一井在采掘时与地面水库贯通造成64人死亡、93人负伤的重大事故。2007年山东华源矿业集团有限公司因柴汶河河岸决口，引发溃水淹井，172人遇难。采矿活动导致的地面塌陷、道路被毁和村庄搬迁案例时有发生。如何确保“三下”开采矿山的安全是矿山生产的头等大事。

山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿位于胶东半岛西北部莱州市境内莱州湾畔，矿山三面临海，一条河流（王河）从矿区穿过，矿体两端入海，地表为三山岛街道及村庄，S304和S218两条省道穿过矿区，为典型的“三下”矿山。金矿位于水下的矿体沿走向长度为1 000 m，宽度为6~40 m，矿体向下延伸至-600 m以下，矿体南西段延伸至水体以下，北东端紧临海边（图1）^［7］。目前，矿山已累计探明资源储量金金属量288 t，现矿山深部及两翼探矿效果均十分可喜，成为世界级的大矿床。目前矿山生产规模为8 000 t/d，正在向“国际一流示范矿山”迈进。然而，伴随着矿山的发展，矿区也由一个小渔村发展为一个集港口、码头、渔业和旅游业为一体的工农业重镇，矿区人口近2万人，那么如何安全高效地回收宝贵的黄金资源，是矿山面临的重大技术挑战。因此，本文针对矿区复杂的地表环境，对矿山井下开采提出相应的要求，通过优化开采方法减小开采活动对地表的影响，并在地表和井下布设相应的监测防控措施，以确保地表环境的稳定。

三山岛金矿属于焦家式热液蚀变岩型金矿床，是我国第一个大陆架滨海矿床地下开采的硬岩矿山^［8-10］。矿区位于胶东隆起区胶北隆起的西缘，区内出露地层主要为第四系、胶东群地层及玲珑花岗岩。在胶东群变质岩系与玲珑花岗岩接触部位发育有三山岛—仓上断裂（F₁），该断裂为三山岛金矿的控矿构造，沿断裂在花岗岩一侧形成大规模矿化蚀变带，蚀变岩型金矿体就赋存其中，主要金属矿物为黄铁矿。一号矿体为主矿体，控制走向长度约为4 000 m，总体走向约35°，倾向SE，倾角为34°~44°。最小矿体厚度为0.8 m，最大矿体厚度为45.65 m，一般厚度为3.86~27.54 m。断裂发育，F₃断裂为矿区最大的导水断裂带，是区域性断裂三元—陈家的北西端部。矿区正常涌水量为15 000 m³/d，最大涌水量为20 000 m³/d，属于水文地质条件复杂的构造裂隙充水矿床。矿区断裂发育，近矿围岩多数不稳定，局部地段易发生矿山工程地质问题，工程地质条件复杂^［11-16］。

矿区分布的主要断层为F₁和F₃断层，如图1所示。其中，F₁断层为矿区的控矿断层，经调查该断层内部因存在断层泥而相对隔水。F₃断层则为三山岛西山矿区分布的局部断层，且局部切断F₁断层。

三山岛金矿地表主要分布有居民住宅、农田、工业场地、交通要道、王河和渤海，并不是单一的 “三下”开采矿山。矿区近地表为第四系砂层，砂层与海水有直接的水力联系，水文地质、工程地质和环境地质条件均较复杂。综合各方面因素，地表不允许出现大面积陷落或变形，需要依据矿床的开采技术条件，加大科技研发力度，制定从设计到施工再到管理的一整套技术管理保障措施，确保“三下”开采的安全^［17-20］。

矿山在规划设计阶段充分考虑了地下开采对地表设施的影响，开采方法采用点柱式尾砂胶结充填采矿法，是黄金矿山尾砂胶结充填的开拓者。矿房沿走向布置，长100 m，采场内预留6 m×6 m的永久点柱，点柱间隔20 m×20 m，两矿房之间预留5 m的间柱；中段高度为90 m，预留顶底柱各3 m，采空区全部用尾砂胶结充填。点柱式充填采矿法先形成类似框架结构的矿房，之后对采矿形成的空区进行胶结充填，较好地保证了区域岩体，特别是矿体顶板岩体的稳定，进而保证了矿区开采的稳定（图2）。

点柱法开采是浅部开采的主要方法，随着矿山开采向深部发展以及矿山开采技术的不断进步，需要对开采方法进行改善。因此在深部的矿山设计大范围应用了房柱交替上升式充填采矿法（简称盘区采矿法）。采场宽度为10 m，采场分层控顶高度为4.0 m，充填高度为2.5~3.0 m，留1.0~1.5 m的空顶作为爆破补偿空间，最后一层采用进路法进行回采并接顶充填（图3）。

一步开采采用胶结充填：下部的2.1 m用灰砂比为1∶10的胶结体进行充填，上部的0.4 m用灰砂比为1∶8的胶结体进行充填；二步采时的充填：下部的2.1 m不胶结，用尾砂进行充填，上部的0.4 m用灰砂比为1∶8的胶结体进行充填。

每个采场在一步采结束后，进行接顶充填，上部的0.4 m用灰砂比为1∶8的胶结体进行充填，下部的3.6 m用灰砂比为1∶10的胶结体进行充填。进行下一层的回采时，先施工切割巷后进行回采；最后一个分段回采结束后，一步采用灰砂比为1∶10的胶结体进行接顶充填；二步采不胶结，只用尾砂进行接顶充填。

相关研究表明应用房柱交替上升式充填采矿法后矿石损失率可由13%降为4%左右^［21-22］，特别是克服了原采矿法空顶时间长、暴露面积大且易冒落的缺点，同时采场全尾砂胶结充填提高了灰砂比，克服了点柱因爆破易破坏的特点，安全性大为提高，对地表变形的影响也大大降低。

（1）矿山概况和计算模型。2017年末三山岛金矿保有资源储量金矿石量为6 035万t，金属量为189 t。三山岛金矿西南翼矿体大部分被海水和王河水覆盖，其中海水深度为3~6 m，水体下的部分保有黄金资源储量超过100 t。陆地部分被第四系覆盖，黄金资源储量约为80 t，这些矿石大部分位于建筑物及村庄下，极具开采价值。

矿区岩层主要为第四系海砂、黏土隔水层、矿体和上下盘围岩，海砂为很好的富水层，直接接受海水补给。矿体厚度为2~40 m，倾角为60°~75°，部分地段岩体质量等级为Ⅲ~Ⅳ级，断层、节理和裂隙异常发育，围岩不稳固。除紧覆矿体上盘存有F₁大断裂外，靠近矿体下盘还存在一厚度为数十米至近百米的倾角为50°~80°的极不稳定破碎带。破碎带内次生裂隙多，岩体松散且碎胀系数较小，一受扰动即发生失稳冒落，下盘井巷工程难以形成。在矿体开采过程中，受海水压力及岩体内部渗流作用，岩层移动规律极为复杂，其变形导致的破碎带失稳、裂隙扩展、断层活化、海底变形和沉陷漏斗等对海下开采构成重大安全隐患，稍有不慎就有可能导致海底隔水层及陆地破坏，造成海水渗漏的重大险情。

三山岛金矿“三下”矿床开采时，必须留保安矿柱。保安矿柱留设厚度越大，开采越安全，但损失的矿石量越多。在矿床开采初期，可考虑多预留一部分。根据国内外经验，结合矿区的开采技术条件，为确保安全，三山岛金矿开采初期留设保安矿柱的厚度较大，且陆地部分-70 m以上、海底部分 -165 m以上暂不予开采。

由于矿山探矿成果丰富，在原矿体两翼及深部不断发现大型矿体，资源潜力巨大，2008年矿山开始筹划建设8 000 t/d采选扩建工程，使矿山生产能力由3 000 t/d提高至8 000 t/d。为了保证开采的安全性，提高开采的效益和效率，必须对海底开采保安矿柱厚度、矿柱参数和开采顺序等参数进行定量计算和分析。根据海底矿体的具体工程地质条件、矿体赋存状况和技术经济指标，通过定量计算、分析、比较，确定合理的参数，为所选采矿方法提供理论支持，进而进行矿区“三下”开采方案设计优化，从而实现开采决策科学化。

实现海底开采参数优化，其目的就是在保证开采系统稳定和生产安全的前提下，最大限度地减少支护工作量和开拓成本，最大限度地提高开采强度和生产效率，尽可能提高采矿回收率，增加矿石产量，大幅度提高企业的经济效益、社会效益和环境效益。

2009年三山岛金矿委托中南大学根据采矿实际建立了海底采矿简化模型，采用荷载传递交汇线法、厚跨比法、普式拱法、荷载传递交汇线法和鲁佩涅伊特理论计算法综合预估了海底开采护顶矿柱预留厚度。研究结果表明，在考虑最危险情况（充填不接顶）下，三山岛金矿海底开采护顶矿柱厚度必须预留50 m以上，目前开采-165 m水平以下矿体（预留120 m）是安全的。该研究为下一步的数值模拟提供了依据。

为科学确定海下开采护顶矿柱厚度，进行了数值模拟研究，计算范围如图4所示，按图中所示范围确定边界。模拟中选取的计算模型左下角坐标为X=94 384 m，Y=40 469 m，Z＝-205 m，右上角坐标为X＝95 052 m，Y＝40 863 m，Z＝-10 m，因此X方向计算长度为668 m，Y方向计算长度为394 m，Z方向计算长度为195 m。模型中基础岩石力学参数由中南大学监测提供（表1）。

根据海下开采护顶矿柱厚度预估结果，用5个步骤分别模拟开采-115~-105 m、-105~-95 m、 -95~-85 m、-85~-75 m和-75~-65 m水平矿体及充填的情况。数值模拟结果表明：以现有充填采矿法进行矿山开采，海底开采至-85 m水平比较安全合理，护顶矿柱厚度必须大于40 m。按照目前交替上升式采矿方案，开采-165 m水平以下矿体是安全的，整个矿床开采完毕，可将-165 m水平以上矿体开采至-85 m水平，但开采过程中应当采取强化开采、合理留设点柱、实现充填接顶及安全监测等措施。计算模型的边界约束条件为：左、右边界约束X方向的位移；前、后边界约束Y方向的位移；底部约束Z方向的位移；上部为自由边界。

（2）矿区合理开采方案选择。国内外大量研究成果表明，矿床在垂直方向上的开采顺序是上行式开采比较合理，但受矿床开拓工程和矿山三级矿量平衡的影响，矿床不可能实现从底部一直向上开采。尽可能实现上行式开采是矿床在垂直方向上合理顺序的最佳选择。

根据矿区资源赋存特性以及工程地质条件，对深部开采采用的交替上升式充填法开采顺序提出4个方案进行比选，选定最合理的深部开采顺序，利用数值模拟的方法进行分析选定。4个深部开采顺序方案分别为：方案1（从一翼到另一翼）、方案2（从中央到两翼）、方案3（隔二采一）和方案4（从两翼到中央）。根据4种开采方案的应力位移等变化特征，通过以上试验参数对比确定方案3为最优方案。以方案3为例，图5为前期开采充填后的应力剖面图，主要特点为各中段开挖充填后采场左右顶底板和底柱应力集中明显，点柱之间的顶底板拉应力集中，底柱压应力集中。左右顶底板有向采场内侧挤压收敛趋势，充填体主要受压应力作用。由模拟结果可知，所选定的方案3中充填体区域最大主应力为31.768 MPa，最小主应力为7.27 MPa。

（3）矿区安全开采参数优化。根据有限元计算、相关矿山的工程类比以及相应的理论分析结果，推荐矿块结构参数（重点是点柱的相关尺寸）为：盘区尺寸为300 m×40 m，盘区长100 m。采场垂直矿体走向布置，矿房和矿柱的宽度均为12 m，先开采矿房，矿房开采结束后用配比1∶8的尾砂胶结充填，之后回采矿柱。矿房开采时两侧为原岩，采场暴露面积约为360 m²，不留点柱，开采矿柱时，在采场中央留设4.0 m×4.0 m点柱，点柱在垂直矿体走向方向的间距为12 m（中心距）。每一盘区划分为3个区段，每一区段内有4个矿房和4个矿柱，区段间留4~5 m连续间距。

这种布置较好地发挥了矿柱的自支承能力，安全条件好，再结合接顶充填等相应的技术措施，可以优化采场参数。与此同时，矿山在生产过程中对采场作业工序和支护方式方法等不断进行优化，实现整个矿山安全高效生产。

F₃断裂是错断矿体的一条导水断裂带，为区域性三元—陈家断裂的北西端部，断裂北西端入海。断裂走向NW310°左右，倾角很陡，均大于85°；断层为一左行平移断层，水平错断矿体20 m。断裂在倾向上呈舒缓波状，时而倾向NE，时而倾向SW。断裂破碎带宽度一般为10~30 m，最宽为36 m。断裂带由数条辉绿岩脉及围岩（花岗岩、蚀变花岗岩和绢英岩等）角砾组成，其力学性质极为复杂，既显张性又显压性和剪性，反映了断裂有过多期活动和力学性质的转化。特别是后期的活动，使得带内岩石极为破碎，产生的断层角砾又未被胶结，这就为地下水的存储及运移提供了较好的空间，储存有丰富的地下水，同时接受海水的弱渗透补给，存在严重的水文地质及工程地质隐患，对矿山危害极大。

在矿山建矿时期，由于矿山工作人员对F₃断裂带认识不足，多次发生大的涌水、塌方事故，最大突水量达240 m³/h，同时发生了一次坑道泥石流。1986年10月16~18日，-195 m分段揭穿F₃断裂带后，连续3 d发生坑道泥石流，淹没巷道274 m，涌泥量为1 900 m³，导致-195 m巷道的开拓停工长达一年之久，造成巨大经济损失。如果巷道工程不采取任何防治措施必将影响地表稳定性，对矿山的影响将是灾难性的。随着经验的积累及地质工作者对F₃断裂带的认识不断加强，矿山采取了综合防治措施，取得了很好的效果。

对F₃断裂带的防治首先采取“避”的措施，即巷道工程以尽量避开F₃断裂带为原则。由于F₃断裂带的防治难度较大、投入高且防治工期长，因此矿山开拓工程以尽量避开F₃断裂带为上策。如深部的大斜坡道工程就安排在F₃断裂带的南部，避免频繁穿过F₃断裂带，加快了施工进度。

对于必须穿过F₃断裂带的巷道工程，首先要进行预注浆堵水加固，当巷道顶板各注浆孔施工完毕后，在破碎带部位放入钢管，作为管棚，以改善其恶劣的工程地质条件，具体做法是在钢管穿过后迅速进行支护。由于F₃断裂带穿过矿体，所以将靠近F₃断裂带的矿体安排在中段最后开采，并且等矿床水位疏干至矿体底板以下再开采，同时预留5 m左右的防护矿柱，以确保安全。

通过采取以上措施，在矿山深部开拓生产过程中，有效防止了F₃断裂带的塌方、冒顶甚至坑道泥石流事故的发生，解决了断裂带的地质灾害问题，保证了矿山的安全、高效生产。

（1）地表水防治。矿区地表水体有渤海和王河，渤海从北、西和南面环绕矿区，据龙口海洋水文站资料，最大矿区潮水浸没标高为1.7 m，最大浪高为5 m，百年一遇海啸侵袭标高为3.95 m。矿区南部为王河入海口，河口两岸分布着人工养殖池。王河发源于大泽山北麓，汇水面积为376 km²，五十年一遇洪峰流量为1 400 m³/s。

三山岛金矿最低井口标高为5.15 m（西风井），主井、斜坡道井口标高为15 m，即各井井口标高均高于百年一遇海啸侵袭标高（3.95 m）和最大浪高（5 m），可以有效防止海水和河水倒灌造成安全事故。同时矿山建立了巡查制度及应急方案，确保地表防水安全。

（2）地表变形监测系统。为确保矿区安全稳定，同时为“三下”开采积累成果，2012年三山岛金矿委托中国科学院地质与地球物理研究所开展矿区稳定性监测研究，在矿区范围内沿勘探线方向按照100 m×100 m网度共布设GPS监测点345个。观测点北、西至海岸，南至黄金海岸，东至居民区东侧，覆盖面积为8.5 km²，完全超出矿床开采所影响区域。监测方法为静态GPS观测，监测周期为半年。监测点多布置于道路及建筑物边缘，以利于保护其不受破坏。此外矿山从建矿起还设有地面观测点34个，每季度观察一次，及时掌握矿山生产对地表的影响。地表变形监测总体结果：三山岛金矿西山矿区，每半年时段变形量为3~65 mm，最大变形量为65.1 mm；三山岛金矿新立矿区，每半年时段变形量为35~70 mm，最大变形量为70.04 mm。从目前来看，三山岛金矿采取的一系列技术方案是行之有效的，矿区是稳定的。

（3）井下变形监测系统。矿山除在地表建立变形监测系统外，还采用国际最先进的IMS 微震监测系统、钻孔应力计和位移计，建立了一套井下现场实时、动态、自动监测的综合地压管理监测系统。该系统包含68通道微震监测系统以及12支应力、8支位移的单点式地压监测系统。基于Microsoft Visual Studio和AutoCAD平台建立的软件，对微震监测的定位结果进行图像化，得出微震监测的结果。截至目前监测到的大部分事件为井下正常生产的爆破事件，岩体破裂事件不是很明显。地压监测系统的建立可以即时反馈井下生产活动对岩体产生的影响，为安全生产提供支撑。

由于三山岛金矿属于“三下”开采矿山，特别是地表分布有居民区，因此矿山从建矿初期就高度重视开采活动对地表的影响。1989年建矿初期（矿山于1989年投产），矿山就委托中国科学院地质力学研究所和中国有色冶金设计研究总院开展了三山岛金矿海边采矿区稳定性综合研究，确认矿山开采的安全可行性，并与长沙矿山研究院、中国科学院地质与地球物理研究所合作开展“三下”开采的防治水技术研究。自2009年起，三山岛金矿同山东科技大学、北京科技大学、中南大学和中国科学院开展全方位的采矿安全技术研究，其中《海底大型金属矿床高效开采与安全保障关键技术》科技成果荣获2012年度国家科技进步二等奖，为矿山“三下”开采提供了坚强的科研保障。

根据前期设计，三山岛金矿海底区域-165 m水平以上不予开采。通过进行不同条件下的数值模拟，得出海底安全开采至-85 m水平比较合理。后期矿山将根据此研究，将-165 m水平以上矿体开采至-85 m水平，到时可释放保安矿柱矿石量169万t，金金属量6 103 kg，创潜在经济效益5.83亿元。

三山岛金矿自投产达产以来已经开采30年，目前矿山已累计生产黄金97.02 t。矿山开采逐步进入深部开采阶段，特别是在地表条件较为复杂的条件下，亟需对矿山开采方案进行研究与分析。在矿山进入深部开采后，利用交替上升式充填采矿法取代了浅部使用的点柱式尾砂胶结充填采矿法。根据开采顺序的不同形成4个交替上升式充填法的开采方案，经过分析得出隔二采一的开采方案最有利于维持矿山稳定及地表环境安全。

在改进开采方法的同时，对矿区主要导水断裂F₃进行了加固处理，以保证矿山井下的开采安全。同时对地表和井下分别布设了地表沉降监测网和微震监测系统，全面保证了在“三下”开采条件下矿山开采与地表环境的稳定。