采空区的存在已成为矿山的重大安全生产隐患（余正方等，2021；张瑞等，2018），采空区一旦失稳将会引发地表塌陷、沉降和突水等事故，严重威胁人民生命安全和地表生态环境（邓红卫等，2020；程力等，2020）。因此，开展复杂采空区的稳定性分析与治理研究，已成为矿山迫切需要解决的突出问题。

近年来，三维激光扫描技术在采空区探测与处理中发挥着重要作用，为开展采空区数值分析和获取准确参数提供了支持（李杰林等，2020）。在数据采集与模型构建方面，郭庆等（2021）利用无人机三维激光扫描测量得到采空区点云数据，建立了精确的采空区模型。刘晓明等（2010）实现了基于Surpac的表面模型和实体模型无缝转换成Midas GTS数值模型。南世卿等（2012）和贾三石等（2019）通过旋转并集成脉冲激光测距仪的扫描探头，获取水平轴与垂直轴云数据，对比实现数据修正，从而建立准确的数值模型。李群等（2014）采用八叉树法模拟地质体边界。邓红卫等（2018）通过多测点，实现测点数据之间的相互修补与纠错。基于准确的模型，数值分析能实现采空区稳定性分析，刘晓明等（2010）、宋卫东等（2012）、南世卿等（2012）和邓红卫等（2018）通过对位移场、应力场及塑性区分布进行系统研究，剖析了采空区的稳定程度，并指出超挖、群效应、塑性区分布方式和塑性区体积对采空区稳定性演化具有重要影响。

以往对采空区的稳定性分析研究已形成采空区精细探测—采空区模型构建—采空区稳定性仿真分析的全过程研究体系，并取得了许多重要成果，但如何基于采空区地质力学的调查分析结果来评价采空区的危险性仍有待进一步研究。在采空区危险性的评价方法方面，学者们将物元可拓模型（汪伟等，2015；朱必勇，2014）、模糊数学（郝旭彬等，2013；刘洋等，2020；贾三石等，2020；王正帅等，2016）和云模型理论（邓红卫等，2020）等多种评价理论及方法应用于采空区稳定性分析，并取得了良好的效果。Luo et al.（2019）选择15个影响采空区地面塌陷的因素，采用熵权法和层次分析法确定综合权重，引入置信度原则，建立了基于确定性理论的采空区地面塌陷风险评价模型，研究表明评价结果与实际情况一致。Xiao et al.（2017）选取岩体结构、采空区跨度和暴露面积等14个因素作为评价指标，利用信息熵和不确定性测量理论建立采空区风险评价模型，并通过改变影响因素及其指标值，提出危险重要度指数，定量分析影响因素的耦合度。以BFZ-8采空区为例，对其稳定性进行评价，研究表明在多因素耦合情况下，UM评价等级与模糊评价等级和实际风险等级一致。综上所述，采空区精细探测是采空区隐患排查治理的必要手段，而现有评价方法与采空区精细探测稳定性分析的结合应用尚不足，建设双重预防机制，对风险进行分级评价、分级管理是安全隐患排查的重要举措。因此，将采空区精细探测与安全分级管理相结合，能够实现采空区群安全隐患的高效排查和治理。

本文以某矿山采空区群为研究对象，开展基于多手段三维激光技术的采空区探测、工程地质调查与室内岩石力学试验，获取某矿山的采空区精细模型与矿岩物理力学参数指标；基于所建立的Ⅱ-1头部采空区模型，采用Geomagic、Midas GTS与FLAC3D的耦合建模以及数值模拟方法开展采空区稳定性分析；同时，基于数值计算结果和采空区赋存条件，开展采空区安全分级评价研究，并根据危险度等级提出相应的采空区治理方案。

某矿山Ⅱ-1头部矿体主要采用分段空场法开采，经过多年开采形成了大量的采空区。由于采空区遗留时间较长且未进行处理，在开采扰动与地压活动作用下，部分采空区上下中段及相邻盘区之间相互贯通形成超大采空区。目前，采空区已成为影响该矿山安全生产和可持续发展的重要制约因素。

为精细探测Ⅱ-1头部区域的采空区，综合采用井下手持式、架站式和无人机载的三维激光扫描技术进行了采空区点云数据的采集，准确获取采空区的空间点云数据并建立采空区与巷道的三维实体模型，如图1所示。实测采空区的空间区域圈定如图2所示。

由图2可知，Ⅱ-1头部主要的大体积采空区分别为Ⅱ-1头部的大矿体采空区和五盘区采空区，其中大矿体采空区上盘的暴露面积高达17 000 m²。通过现场调查，2个大体积采空区的上盘顶板已发生明显位移和局部冒落现象，若大面积垮塌将极易引发采空区底部的冲击灾害，并造成大体积采空区与相邻采空区之间贯通，形成“多米诺骨牌”连锁效应，因此，对该类采空区的安全处置工作刻不容缓。

Ⅱ-1头部三维采空区精细模型的三角网数量超过5 000万个，各区域的三角网形状和尺寸不均一。为了保证数值计算效率和质量，在确保不影响结果精准性的基础上，对模型进行适当简化，使得模型能够适用于数值运算。为保证采空区数值分析结果的准确性和可靠性，采用Geomagic、Midas GTS与FLAC3D的耦合建模分析方法。

首先使用Geomagic软件对采空区模型进行三角网片形状和尺寸均匀化，完成对实测数据点的优化和去噪（图3）；然后将优化去噪后的模型导入Midas GTS软件中，通过一系列的曲面缝合、实体修剪、分割和嵌入等操作后，建立数值计算的三维实体模型（图4）。最后利用FLAC3D进行稳定性数值计算。

根据三角网片优化结果，采用Midas GTS软件构建采空区数值模型。

基于研究区域典型矿岩物理力学参数试验结果，利用RocData软件完成了岩体力学参数确定。结合矿山现场的工程地质条件，采用Hoek-Brown强度准则进行岩体力学参数的修正，其中GSI值为57， mi值为19，扰动系数值为0.5，从而得出该矿山Ⅱ-1头部的岩体力学参数，如表1所示。

基于表1的数据，对数值模型进行参数赋值，考虑到研究区域内的围岩类型变化不大，且地质力学特性较为均匀，因此围岩采用统一的物理力学参数。岩体本构模型采用摩尔—库伦准则，将符合拉应力破坏以及剪应力屈服准则破坏的区域定义为塑性区。由地质资料可知，Ⅱ-1头部采场上方的地表标高约为1 230 m，因此在模型的最上方设置初始地应力为1 230 m的高程，并进行初始应力平衡。

通过初始应力平衡后对采空区区域模型进行开挖，根据数值计算得到的采空区群最大主应力分布如图5所示。

最大拉应力主要分布在各个采空区的上盘顶板区域［图5（a）］，最大拉应力值为0.23 MPa，容易发生拉伸破坏，同时从位移分布来看［图5（e）］，在拉应力的作用下，采空区上盘特别是大矿体采空区上盘围岩最大竖直位移已达到71 mm。研究认为，当顶板最大竖直位移小于20 mm时，空区安全稳定；当顶板最大竖直位移在20~50 mm之间时，可能发生破坏，当顶板最大竖直位移大于50 mm时，空区发生破坏。因此，大矿体采空区顶板极易发生破坏，且现场调查发现，大矿体采空区顶板处存在形变及围岩垮落现象，需要重点关注大矿体采空区。

此外，五盘区空区顶板处存在的“跳板状”围岩同样处于拉应力集中状态［图5（b）］，在拉应力的作用下最大竖直位移达到50 mm［图5（f）］。经过现场观测发现五盘区空区顶板处存在的“跳板状”围岩未发生大范围垮落，但由于五盘区采空区底部目前正在进行回采作业，若“跳板状”围岩发生垮落将产生大范围的冲击破坏，因此需要重点关注五盘区空区顶板处的“跳板状”围岩。

其余采空区顶板同样存在拉应力集中现象，但大多数采空区顶板的最大竖直位移在20 mm左右，需加强对这些采空区进行持续的顶板位移观测。

最小主应力主要集中在采空区底部［图5（c）、5（d）］，最小主应力可达到90 MPa，压应力的集中导致采空区底部存在向上的位移［图5（e）］，最大位移为67 mm，呈现“底鼓”现象。此外，最小主应力还分布于空区之间的矿柱区域，主要表现为矿柱对顶板的支承压力。

最小主应力的集中可能会对采空区的临近巷道产生影响，巷道围岩在侧向支承压力的作用下容易形成应力集中区，围岩由弹性状态转化为塑性状态，巷道围岩出现变形破坏，容易出现冒顶、片帮和底鼓等灾害。采空区对巷道的影响主要体现在Ⅱ-1头部的790 m中段二盘区和三盘区附近，如图6所示。由于大矿体采空区与五盘区采空区之间的围岩应力集中，790 m中段三盘区出矿口围岩已有明显的应力显现。

拉剪塑性区主要分布于采空区群之间的矿柱区域［图5（g）］，大矿体采空区790 m中段附近的矿柱和五盘区采空区“跳板状”围岩均存在较大的应力集中现象［图5（h）］，说明上述区域处于较高应力屈服状态。若不进行充填处理，随着时间的推移，岩体强度会弱化并在应力集中情况下容易发生失稳破坏。值得注意的是，850-1采空区与805-1采空区的间柱上分布有明显的拉应力塑性区，虽然该区域竖直位移较小（20 mm），但仍存在较大风险，因此该区域同样值得重点关注。

采用自主开发的地下金属矿山采空区安全分级评价系统开展了采空区安全分级评价。该系统以采空区探测数据为基础，建立采空区危险度评价指标体系，然后采用层次分析法、熵权法以及基于博弈论的组合赋权法来确定评价指标的组合权重，同时结合物元可拓理论，建立基于组合赋权的物元可拓评价模型，从而获得准确、合理的采空区危险度评价结果，具体评价原理如图7所示。

采空区常以危险度评价指标作为衡量其安全程度的评价方式。国内外学者选取不同的评价指标开展了采空区评价，综合考虑矿山的实际情况，选取了采空区类型、地质构造、岩体结构、围岩支护、顶板特征、地表特征、水文因素、相邻空区分布、工程布置、采空区规模、埋深、高跨比、暴露面积、矿柱安全系数、岩石抗压强度和岩石质量标准16项作为复杂采空区安全评价的指标，如表2所示。根据评价指标体系，定量指标可以通过采空区三维激光扫描、岩石力学试验和稳定性数值计算等方式获取；而定性指标主要是通过现场调查和资料分析，结合定量指标进行综合评判。另外，根据数值分析结果，对顶板特征、岩体结构和围岩支护等定性指标进行判断，采空区在数值分析中的稳定性越差，采空区的顶板特征和围岩特征评定的指标占比越重，最终得到的采空区危险度等级越高。

结合采空区数值分析结果以及各项定性指标和定量指标对采空区进行评级，并根据安全分级评价系统的评价结果，制订出适用于不同等级的采空区管理办法和措施，采空区安全等级的确定主要是依据评价结果，实现统一标准评价、精准管理，如表3所示。

基于采空区信息统计库与采空区安全分级评价系统，对Ⅱ-1头部共21个采空区进行分级评价，得出各采空区的安全分级评价结果，如表4所示。

（1）四级采空区14个，主要分布于790 m中段和805 m中段，多为探矿工程遗留的小体积采空区，这部分采空区安全隐患较低，可设置警示线或封闭采空区，充填能力富余时可对其进行充填。

（2）三级采空区5个，主要为中、小体积采空区，采场结构较稳定，可视情况封闭采空区，必要时对采空区进行充填处理。

（3）二级采空区为五盘区采空区，由数值分析可知，五盘区采空区“跳板状”围岩需进行崩落处理，并在残矿回采后对五盘区采空区进行充填。

（4）一级采空区为大矿体采空区，由数值分析结果可知，若对主采区下盘残矿进行回采，将导致采空区上盘围岩发生明显位移（80 mm），由于Ⅱ-1头部的围岩较为稳固，应视情况对围岩进行强制崩落，残矿开采后及时充填采空区。

（1）建立了一种采用Geomagic、Midas GTS与FLAC3D的耦合建模采空区群稳定性分析方法。根据矿山采空区三维激光扫描数据，采用Geomagic软件对复杂采空区群模型进行三角网片形状和尺寸均匀化处理并优化去噪，然后使用Midas GTS软件建立数值计算模型，最后采用FLAC3D进行稳定性数值计算。

（2）通过对该矿山Ⅱ-1头部复杂采空区群的稳定性计算，得到复杂采空区群的应力、位移分布情况及塑性破坏区。根据数值分析结果，大矿体采空区上盘及东南方向顶板存在垮落隐患；五盘区采空区西北方向顶板“跳板状”围岩在残矿回采过程中将发生大幅形变；主采区各采空区相隔的间柱存在较大的应力集中现象，随着时间的推移容易发生矿柱的垮落，使得各采空区之间发生进一步的联通，扩大了采空区隐患的影响范围。

（3）根据采空区安全分级评价结果，一级采空区（大矿体采空区体积）和二级采空区（五盘区采空区）具有体积大、暴露面积大的特征，并提出了相应的处理措施建议。研究结果为复杂采空区群的隐患治理提供了数据支撑。