肖 超, 鄭懷昌, 王 棟, 李 明, 張曉君, 劉志河

(山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 淄博255091)

21世紀(jì)初，國內(nèi)先后發(fā)生十余起石膏礦采空區(qū)大冒落，給人們?nèi)松戆踩珟砹司薮笪：?，?duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)是安全管理采空區(qū)的必要條件[1].我國現(xiàn)有石膏礦山300余座，采空區(qū)1億多立方米，普遍采用房柱法開采，再加上石膏礦經(jīng)濟(jì)效益低，很多礦山不能及時(shí)治理采空區(qū)，產(chǎn)生了大批未治理的采空區(qū).隨著時(shí)間的延續(xù)，采空區(qū)面積不斷變大，給礦山生產(chǎn)帶來了極大安全隱患[2].目前缺乏可靠、普適、系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，這也是采空區(qū)安全管理的重大障礙，及時(shí)進(jìn)行石膏礦山穩(wěn)定性分析具有重要意義.

采空區(qū)穩(wěn)定性是一個(gè)包含采空區(qū)本身和周圍地質(zhì)構(gòu)造及所覆巖層巖性性質(zhì)，同時(shí)又受到開采和爆破造成的擾動(dòng)﹑地下水﹑時(shí)間引起的流變等復(fù)雜多因素影響的大尺度平衡問題.

1 經(jīng)典理論的采空區(qū)穩(wěn)定性研究

早期采空區(qū)理論研究大多基于支撐采空區(qū)的礦柱和頂板自持能力，運(yùn)用巖體靜力學(xué)進(jìn)行分析.M.M.普羅托吉亞科夫﹑哈元﹑舒爾茨﹑施托克﹑李特維尼申分別提出拱形冒落論﹑壓力拱假說﹑懸臂梁(板)冒落論﹑冒落巖塊碎脹充填論及開采沉陷的隨機(jī)介質(zhì)理論.

我國學(xué)者發(fā)展成為了概率積分法冒落巖塊鉸結(jié)論以及砌體梁平衡說及采場(chǎng)薄板礦壓理論，王學(xué)濱[3]根據(jù)漸進(jìn)破壞的礦柱，整理出礦柱剪切失穩(wěn)判據(jù)的解析式.近期學(xué)者在采空區(qū)穩(wěn)定性分析中引入突變理論，王連國[4]由分支曲線方程及定態(tài)曲面方程，利用突變理論建立了礦柱失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型，并基于此模型又分析預(yù)測(cè)了礦柱失穩(wěn)機(jī)理；吳啟紅[5]建立了基于突變理論的強(qiáng)度折減法來分析多層采空區(qū)頂板穩(wěn)定性.

鄭懷昌[6]引用界殼理論探討采空區(qū)穩(wěn)定性支撐結(jié)構(gòu)的演變對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響；趙忠明[7]在采空區(qū)遭受庫水的浸泡﹑沖掏和溶蝕條件下，利用相似模擬實(shí)驗(yàn)研發(fā)治理；基于尖點(diǎn)突變理論，分析不同形式下的采空區(qū)的穩(wěn)定性，頂板冒頂規(guī)律的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在控制和消除相關(guān)問題是非常重要的，模糊邏輯被應(yīng)用到煤礦預(yù)測(cè)冒頂規(guī)律[8].張曉君[9]認(rèn)為礦柱支撐面積與礦柱面積之比和采深等因素對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性影響很大.陳建平[10]通過對(duì)采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查礦巖取樣及圍巖節(jié)理裂隙的綜合分析，對(duì)現(xiàn)有空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了論證.鄧紅衛(wèi)[11]通過分析采空區(qū)穩(wěn)定性各影響因素，建立基于不確定型層次分析法(UAHP) 的采空區(qū)穩(wěn)定性模糊評(píng)判方法.鄭茂興[12]運(yùn)用綜合評(píng)判法，依據(jù)綜合得分對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行合理劃分.

2 采空區(qū)穩(wěn)定性靜態(tài)數(shù)值分析

理論分析給予石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析定性指導(dǎo)；而數(shù)值模擬能定量﹑快速分析采空區(qū)穩(wěn)定性，且能解決繁瑣的材料本構(gòu)聯(lián)系，所以有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.根據(jù)不同特征的采空區(qū)評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性，現(xiàn)有可利用數(shù)值模擬軟件有ANSYS、FLAC、RFPA、3DEC等.

李明等[13]采用FLAC3D軟件模擬分析了石膏礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性狀態(tài),分析對(duì)比了長期強(qiáng)度對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響；楊宇江等[14]利用FLAC3D軟件和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，研究了在附加載荷的作用下，不同厚度的空區(qū)頂板的穩(wěn)定性；張曉君[15]運(yùn)用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D,對(duì)采空區(qū)的破壞過程以及采空區(qū)巖性對(duì)采空區(qū)頂板大面積冒落破壞過程進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值模擬研究;張曉君[16]利用ANSYS軟件，數(shù)值模擬了采空區(qū)在不同深度不同傾角時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況；運(yùn)用FLAC3D軟件建立粘彈塑性本構(gòu)模型(cvisc模型)，對(duì)石膏礦房礦柱的長期穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[17]；李長洪[18]利用3DEC軟件數(shù)值模擬分析了采空區(qū)形成后圍巖變形和應(yīng)力分布情況.

3 石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)研究

隨著時(shí)間推移，受巖石流變﹑爆破﹑地下水多因素影響，采空區(qū)巖石強(qiáng)度及礦柱-頂板-底板系統(tǒng)抵抗冒落能力都已大大折減，經(jīng)典常規(guī)的靜態(tài)分析石膏礦采空區(qū)已不能滿足現(xiàn)實(shí)情況.

決定采空區(qū)穩(wěn)定性的是頂板、礦柱、底板及支護(hù)共同組成的支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性.王金安[19]認(rèn)為漸進(jìn)破壞的頂板和礦柱造成采空區(qū)堅(jiān)硬頂板瞬間失穩(wěn)及塌陷；運(yùn)用力學(xué)分析采空區(qū)的模型中，J. A. Wang等[20]闡述了頂板力學(xué)狀態(tài)與礦柱總面積之間的聯(lián)系.分析了風(fēng)化及剝落造成礦柱承載面積減小對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性狀態(tài)的影響，然而沒有總結(jié)怎樣將礦柱自身流變與采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性時(shí)間聯(lián)系起來.

在采空區(qū)穩(wěn)定性長期強(qiáng)度方面，劉沐宇[21]采取室內(nèi)純扭轉(zhuǎn)流變實(shí)驗(yàn)的手段，探究了硬石膏的流變特性；Auvray等[22]分析了相對(duì)濕度造成礦柱強(qiáng)度的衰減；Biswas[23]針對(duì)不同時(shí)間的礦柱作出了應(yīng)力測(cè)量,建立了風(fēng)化厚度與礦柱時(shí)間之間的關(guān)系；Castellanza等[24]由水影響下石膏礦柱單軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)風(fēng)化模型來預(yù)測(cè)礦柱穩(wěn)定時(shí)間.

巖石流變導(dǎo)致長期強(qiáng)度下降，影響采空區(qū)長期穩(wěn)定性，王金安[25]基于自建的礦柱-頂板體系流變力學(xué)模型，又依據(jù)推出的位移控制方程分析討論了不同階段下采空區(qū)頂板破壞.構(gòu)成采空區(qū)支撐系統(tǒng)的礦柱和頂板的巖體受到多次爆破擾動(dòng)作用造成了損傷，長久的累計(jì)損傷更近一步弱化了支撐系統(tǒng)[26-27]；而且，采空區(qū)應(yīng)力場(chǎng)受到巖石的流變作用發(fā)生了變化[28]，加快了采空區(qū)失穩(wěn)的演化歷程.

爆破對(duì)支撐采空區(qū)穩(wěn)定性的礦柱及頂板上的巖石產(chǎn)生了損傷，趙延林等[29]提出采空區(qū)重疊頂板安全系數(shù)的概念，建立其豎向位移序列與折減系數(shù)的尖點(diǎn)突變模型；易平[30]運(yùn)用GeoFBARV4.0數(shù)值模擬軟件，對(duì)采空區(qū)圍巖破壞發(fā)展的動(dòng)態(tài)數(shù)值過程進(jìn)行模擬分析.地震、爆破等動(dòng)力作為影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素之一，不但對(duì)采空區(qū)圍巖產(chǎn)生損傷和擾動(dòng)，甚至引起采空區(qū)破壞和塌陷.楊金林等[31]通過改變擾動(dòng)應(yīng)力波峰值的大小，考查動(dòng)力擾動(dòng)強(qiáng)度的變化對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響.鄭懷昌[1]認(rèn)為多因素耦合動(dòng)態(tài)演化導(dǎo)致了采空區(qū)長期穩(wěn)定性研究的復(fù)雜性.

4 存在的問題

石膏礦采空區(qū)應(yīng)該看成一個(gè)系統(tǒng)，深入探討石膏礦采空區(qū)礦柱-頂板-底板系統(tǒng)多因素耦合下動(dòng)態(tài)演變機(jī)制，為采空區(qū)長期穩(wěn)定性探究新研究方法，可使石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析研究上升到一個(gè)新的臺(tái)階.問題如下：

(1)石膏礦采空區(qū)分析周期長，加上石膏礦利潤低，不能單純追求效果，還要考慮經(jīng)濟(jì)因素.

(2)對(duì)石膏礦采空區(qū)無論靜態(tài)數(shù)值分析或動(dòng)態(tài)分析，大多基于單因素分析.如何運(yùn)用系統(tǒng)觀點(diǎn)，基于數(shù)學(xué)模型﹑數(shù)值模擬等定量科學(xué)手法，缺乏石膏礦采空區(qū)巖石流變﹑爆破﹑地下水﹑長期強(qiáng)度等多因素耦合模型及動(dòng)態(tài)演變機(jī)制.

(3)現(xiàn)階段的采空區(qū)穩(wěn)定性理論方面研究距離實(shí)際有不少差距，指導(dǎo)實(shí)際工程作用不大，并且當(dāng)前多集中在對(duì)礦柱、頂板的穩(wěn)定性研究，缺少對(duì)頂板-礦柱-底板系統(tǒng)以及采空區(qū)整體穩(wěn)定性的研究.

(4)當(dāng)前大范圍利用數(shù)值模擬技術(shù)分析采空區(qū)穩(wěn)定性，對(duì)采空區(qū)安全管理具有重要的指導(dǎo)意義.但是，分析中所運(yùn)用的巖石力學(xué)參數(shù)和采空區(qū)應(yīng)力分布多是根據(jù)某一時(shí)間的靜態(tài)值.這種分析方法的準(zhǔn)確程度有待進(jìn)一步提高.需要加深石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析，建立基于常應(yīng)力的石膏礦采空區(qū)動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則.

5 石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性研究展望

以下為石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定研究的一些建議及新思路：

(1)采空區(qū)的長期穩(wěn)定性研究是一個(gè)非常復(fù)雜的問題.根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)與靜態(tài)地壓分析得到的采空區(qū)穩(wěn)定性與經(jīng)受幾十年流變和開采爆破影響的礦柱-頂板-底板體系實(shí)際穩(wěn)定性有較大差異，所以準(zhǔn)確分析采空區(qū)長期穩(wěn)定性需要將流變和爆破擾動(dòng)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的作用等量化到數(shù)值分析中.

(2)數(shù)值模擬可以比較系統(tǒng)的研究在動(dòng)應(yīng)力作用下采空區(qū)圍巖的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及動(dòng)靜應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用機(jī)理，可以對(duì)FLAC3D自定義本構(gòu)模型進(jìn)行二次開發(fā)，將動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬編入FLAC3D模擬中，也可運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)等軟件模擬宏觀的應(yīng)力場(chǎng)變化與微觀的巖石損傷累積關(guān)系.

(3)國內(nèi)外分別從巖石流變、爆破擾動(dòng)等單因素方面對(duì)采空區(qū)及地下空間工程的長期穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究，也有相關(guān)學(xué)者通過流變擾動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)開展了巖石處于強(qiáng)度鄰域時(shí)的雙因素耦和作用的影響研究. 將石膏礦采空區(qū)巖石流變﹑爆破﹑地下水﹑長期強(qiáng)度等多因素進(jìn)行耦合探究，可以為采空區(qū)這類大尺度地下空間工程長期穩(wěn)定性研究開辟新的途徑.

(4)可以采用抗塌性衡量采空區(qū)“礦柱-頂板-底板”體系.作用于抗塌性體系的靜應(yīng)力場(chǎng)與爆破沖擊能量場(chǎng)的耦合“力場(chǎng)”，隨開采推進(jìn)，對(duì)于特定研究點(diǎn)而言也是處于衰減狀態(tài).運(yùn)用能量觀點(diǎn)，可以建立適應(yīng)常應(yīng)力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)破壞準(zhǔn)則.

(5)可以把石膏礦采空區(qū)看成一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)用科學(xué)數(shù)值方法建立量化的以時(shí)間﹑應(yīng)力狀態(tài)﹑損傷特征﹑巖石含水率﹑擾動(dòng)次數(shù)為變量和彈模﹑長期強(qiáng)度為結(jié)果的時(shí)域曲面和石膏礦采空區(qū)多因素耦合模型，建立動(dòng)態(tài)演變機(jī)制.

[1]鄭懷昌，李明，劉志河，等.石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)演化規(guī)律研究[J].化工礦物與加工，2012(12)：28-31.

[2]鄭懷昌，宋存義，胡龍，等.采空區(qū)頂板大面積冒落誘發(fā)沖擊氣浪模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(3)：277-281.

[3]王學(xué)濱.屈服礦柱漸進(jìn)破壞及應(yīng)力分布數(shù)值模擬[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治報(bào),2006,17(2):50-56.

[4]王連國，繆協(xié)興.基于尖點(diǎn)突變模型的礦柱失穩(wěn)機(jī)理研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006,23(2):137-140.

[5]吳啟紅.礦山復(fù)雜多層采空區(qū)穩(wěn)定性綜合分析及安全治理研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[6]鄭懷昌，李明.界殼理論在采空區(qū)失穩(wěn)判定與危害控制研究中的應(yīng)用探討[J].黃金，2005，26(12)：19-22.

[7]趙忠明.小浪底庫區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性研究[D].焦作:河南理工大學(xué),2011:1-90.

[8]Razani M , Yazdani-Chamzini A , Yakhchali S H.A novel fuzzy inference system for predicting roof fall rate in underground coal mines[J].Safety Science,2013,55:26-33.

[9]張曉君.影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素敏感性分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006(2):14-16.

[10]陳建平.采空區(qū)穩(wěn)定性論證[J].采礦技術(shù)，2012(3)：52-54.

[11]鄧紅衛(wèi).基于UAHP 的采空區(qū)穩(wěn)定性模糊綜合評(píng)判[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2012 (4)：24-28.

[12]鄭茂興.石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性分類的綜合評(píng)判法研究[J].化工礦物與加工，2012(5)：24-27.

[13]李明，鄭懷昌,劉志河，等.石膏長期強(qiáng)度對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響分析[J].化工礦物與加工，2010(2)：21-23.

[14]楊宇江，高晗，李元輝.附加載荷作用下空區(qū)頂板穩(wěn)定性分析，東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，32(9)：1332-1335.

[15]張曉君.采空區(qū)頂板大面積冒落的數(shù)值模擬[J].化工礦物與加工，2007，27(1)：17-18

[16]張曉君.礦柱及圍巖對(duì)采空區(qū)破壞影響的數(shù)值模擬研究[J]采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006(3)：123-126.

[17]楊布華.我國非煤礦山地下采空區(qū)穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2008(10) :473-478.

[18]李長宏，程巖.基于3DEC 的采空區(qū)穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2012 (4) :144-147.

[19]王金安，尚新春，劉紅等.采空區(qū)堅(jiān)硬頂板破斷機(jī)理與災(zāi)變塌陷研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(8):850-855.

[20]Wang J A，Shang X C，Ma H T. Investigation of catastrophic ground collapse in Xingtai gypsum mines in China[J]. InternationalJournal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45(8)：1480-1499.

[21]劉沐宇,徐長佑.硬石膏的流變特性及其長期強(qiáng)度的確定[J].中國礦業(yè)，2000,9(2): 53-55.

[22]Castellanza R, Gerolymatou E, Nova R. An attempt to predict the failure time of abandoned mine pillars [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2008, 41( 3 ): 377-401.

[23]Auvray C，Homand F, Hoxha D. The influence of relative humidity on the rate of convergence in an underground gypsum mine[J]. International Journal of Rock Mechanics and MinngSciences, 2008,45(8) : 1454-1463.

[24]Sterpi D, Gioda G. Visco-plastic behaviour around advancing tunnels in squeezing rock[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2009, 42(2):319-339.

[25]王金安,李大鐘,馬海濤.采空區(qū)礦柱——頂板體系流變力學(xué)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(3)：577-582.

[26]Nazarov L A, Nazarova L A.Estimate of the interchamber pillar stability based on the damage accumulation criterion[J]. Journal of Mining Science,2007，43(6)：575-584.

[27]Ma G W, Hao H，Wang F. Simulations of explosion-induced damage to underground rock chambers[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2011, 3 (1): 19-29.

[28]王波,高延法,王軍.流變擾動(dòng)效應(yīng)引起圍巖應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2010，35(9)：1446-1450.

[29]趙延林，吳啟紅，王衛(wèi)軍，等.基于突變理論的采空區(qū)重疊頂板穩(wěn)定性強(qiáng)度折減法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(7)：1424-1434.

[30]易平.地下采空區(qū)圍巖破壞發(fā)展的有限元數(shù)值分析運(yùn)用[J].有色設(shè)計(jì)與研究，2010，31(5)：5-7.

[31]楊金林，李夕兵，周子龍，等.動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響的離散元分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2010,28(4)：48-52.