陳蘭蘭，肖海平

（1.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

金屬礦山采空區(qū)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

陳蘭蘭1，肖海平2

（1.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

金屬礦資源在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著非常重要的地位，但隨著社會發(fā)展需求，礦產(chǎn)資源遭受到了前所未有的高強度開采，當(dāng)前許多礦區(qū)出現(xiàn)了大量的采空區(qū)，給周邊的居民帶來了巨大的隱患，時刻威脅著人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。因此，對采空區(qū)穩(wěn)定性研究已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。本文從采空區(qū)探測技術(shù)、采空區(qū)穩(wěn)定性以及采空區(qū)控制等方面進(jìn)行綜合評述，簡要概述了采空區(qū)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，指出目前研究中存在的不足，并分析認(rèn)為對采空區(qū)實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)控、優(yōu)化采空區(qū)的實際模型、克服高應(yīng)力作用和巖體本身力學(xué)性質(zhì)變化等將是治理采空區(qū)的有效措施。

金屬礦山；采空區(qū)；穩(wěn)定性；現(xiàn)狀；鎢礦山

0 引言

采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū)，按礦產(chǎn)被開采的時間，可分為老采區(qū)、現(xiàn)采區(qū)和未來采區(qū)[1]。我國礦產(chǎn)資源豐富，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著非常重要的地位，但隨著社會發(fā)展的需求，我國礦產(chǎn)資源遭受到了前所未有的高強度開采，并形成了大量的采空區(qū)，據(jù)有關(guān)資料顯示，我國歷史采空區(qū)體積超過250億m3[2]。金屬礦山的采空區(qū)，不僅容易產(chǎn)生井下生產(chǎn)安全隱患，也往往導(dǎo)致地表裂縫、塌陷和沉降等問題，給周邊的居民帶來了巨大的隱患，時刻威脅著人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

因此，對采空區(qū)的監(jiān)測、穩(wěn)定性預(yù)測分析及控制等方面日益成為研究的熱點問題，國內(nèi)外專家學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，并都取得了一定成績。但相比于煤礦采空區(qū)研究來說，由于金屬礦山地質(zhì)條件復(fù)雜以及礦體形態(tài)各異等原因，各方面研究還沒有形成比較完善的理論與方法，相關(guān)資料文獻(xiàn)也相對較少。鑒于此，本文從采空區(qū)探測技術(shù)、采空區(qū)穩(wěn)定性以及采空區(qū)控制等方面進(jìn)行綜合評述，指出目前金屬礦采空區(qū)研究中存在的不足并進(jìn)行分析，為相關(guān)研究提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 采空區(qū)探測技術(shù)及方法

目前，國內(nèi)外對采空區(qū)的探測，主要有現(xiàn)場調(diào)查、物探和鉆探等三類方法[3]。饒運章等[4]采用調(diào)查的方法，對某鎢礦山采空區(qū)進(jìn)行了分析，為正確評價采空區(qū)穩(wěn)定性和地壓控制奠定了基礎(chǔ)。但由于采空區(qū)隱覆在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的區(qū)域，單純的通過資料的收集以及現(xiàn)場調(diào)查，不能夠獲得較為準(zhǔn)確的采空區(qū)信息。因此，為了能夠更加精確的探測采空區(qū)的位置、大小以及數(shù)量等信息，需要輔以物探方法進(jìn)行探測，再以鉆探方法進(jìn)行驗證。

對采空區(qū)的探測，美國、日本以及俄羅斯等發(fā)達(dá)國家起步較早，都積累了較為豐富的經(jīng)驗，發(fā)展了較多的探測方法，尤其在地球物理探測技術(shù)方面發(fā)展較為全面。在美國，電法、電磁法、微重力法、地震勘探等技術(shù)都有較高水平，其中以淺層地震勘探最為突出[5]，并發(fā)展了高分辨率地震反射法[6]；在日本，地震波法應(yīng)用最為廣泛，電法、電磁法及地球物理測井等方法的應(yīng)用也比較多，此外，日本VIC公司研制的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘探系統(tǒng)，在采空區(qū)勘測方面具有良好的效果；在俄羅斯，直流電法、瞬變電磁法，井間電磁波透視、聲波透視及射氣測量技術(shù)等方面發(fā)展較為迅速。

近年來，由于采空區(qū)安全事故頻發(fā)，國內(nèi)專家學(xué)者開始對采空區(qū)探測技術(shù)及方法的研究進(jìn)行廣泛關(guān)注，做了大量的研究工作，并取得了卓有成效的貢獻(xiàn)。李夕兵等[7]采用高密度電阻率法、地震映像法、探地雷達(dá)法以及激光3D法等對三道莊鉬礦進(jìn)行金屬礦地下采空區(qū)探測和監(jiān)控；魯輝等[8]研究用電法、電磁法以及可控源法等進(jìn)行采空區(qū)探測，提出了采空區(qū)在探測過程中存在的問題及今后的研究方向；張淑坤等[9]采用高分辨率地震探測及高分辨電阻率探測方法，并輔以鉆孔聲波探測、鉆孔電視成像技術(shù)及深部鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行采空區(qū)探測研究；羅周全等[10-11]利用三維激光對采空區(qū)進(jìn)行探測，搜集信息，實現(xiàn)對采空區(qū)的三維可視化；陳祥祥[12]等采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)坍塌地壓災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測分析

江西省占據(jù)了全國鎢儲量的2/3，為了保障鎢礦山的安全生產(chǎn)和管理，江西理工大學(xué)和贛州有色冶金研究所自20世紀(jì)60年代開始就對采空區(qū)穩(wěn)定性及其處理進(jìn)行了研究[13-14]。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者則通過理論分析法、預(yù)測模型評價法、物理模型試驗法以及數(shù)值模擬法對采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測進(jìn)行了分析，并取得了可喜的成績。

（1）理論分析法。理論分析法是對采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析的一種定性研究方法，主要是利用力學(xué)模型將采空區(qū)簡化進(jìn)行求解。早期的于學(xué)馥提出“軸變理論”，認(rèn)為巷道垮塌可以用彈性理論的方法進(jìn)行分析研究[15]。賀廣零等[16]為對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，將采空區(qū)頂板近似為彈性板，并利用溫克爾假設(shè)和板殼力學(xué)理論對其進(jìn)行研究分析，較好地揭示了采空區(qū)頂板破壞的機理；V.M.Seryakov[17]針對采空區(qū)上覆巖體情況，建立了可靠地數(shù)學(xué)模型，并對地下巖體狀態(tài)能較好地識別。

（2）預(yù)測模型評價法。預(yù)測評價法是根據(jù)以往工程經(jīng)驗及研究，對影響采空區(qū)穩(wěn)定性因素進(jìn)行分類，并確定各影響因素的權(quán)重，建立預(yù)測評價模型，以達(dá)到對采空區(qū)變形規(guī)律進(jìn)行提前預(yù)警的方法。該方法具有較強的客觀性、靈活性以及檢驗性等特點。目前，國內(nèi)外學(xué)者在考慮各因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響基礎(chǔ)上，建立了各類預(yù)測評價模型，主要有基于模糊理論、未確知理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論以及支持向量機等非線性評價模型。但該方法需要在獲取大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，才能達(dá)到真實準(zhǔn)確預(yù)警的目的。宮鳳強等[18]考慮到在進(jìn)行采空區(qū)危險性評價時，由于許多影響因素存在著不確定性，建立了基于未確知測度理論的危險性評價模型，較好地對各影響因素進(jìn)行了定性和定量，預(yù)測結(jié)果達(dá)到預(yù)期。

（3）物理模型試驗法。物理模型試驗法是依照工程實際，在實驗室構(gòu)建與其相似的物理模型，并可以通過相應(yīng)的方法進(jìn)行反復(fù)觀測，直觀地反映出原監(jiān)測區(qū)的變形規(guī)律，是眾多工程領(lǐng)域研究最主要的實驗方法。該方法具有投入成本小、獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確以及很強的針對性等特點。但由于物理模型脫離了原型本身所處的各種復(fù)雜環(huán)境，所獲得的數(shù)據(jù)不能完全準(zhǔn)確反映實體變形規(guī)律。宋衛(wèi)東等[19]通過物理模型試驗研究方法，借助全站儀等儀器設(shè)備對采空區(qū)開采過程中圍巖的冒落及破壞進(jìn)行監(jiān)測，較好地解釋了圍巖的變形、破壞機理。

（4）數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬方法是依據(jù)巖體自身的本構(gòu)模型，考慮巖體賦存的復(fù)雜地質(zhì)條件及其他因素，通過模擬分析的方法對巖體的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行模擬分析。史秀志等[20]采用FLAC3D對銅綠山1號礦體在不同跨度和不同立柱厚度情況下的采空區(qū)圍巖的變形和破壞特征進(jìn)行了分析。隨著商業(yè)軟件的不斷成熟，數(shù)值模擬在地下工程穩(wěn)定性方面的應(yīng)用將會不斷增加。為了更真實地反映巖體復(fù)雜的變形規(guī)律，關(guān)鍵問題在于選擇合理的物理力學(xué)參數(shù)。另外，數(shù)值分析計算與其他計算方法，如智能算法、工程可靠性等的結(jié)合，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可能會有更重要的突破。

1.3 采空區(qū)穩(wěn)定性控制及處理技術(shù)研究

目前，全國各礦山賦存著大量的采空區(qū)，隨著時間的推移、采空區(qū)所處狀態(tài)以及礦山開采的進(jìn)一步推進(jìn)等原因，采空區(qū)的安全問題日益凸顯。如何對存在安全隱患的采空區(qū)進(jìn)行控制和處理，是金屬礦山開采過程中防止災(zāi)害發(fā)生的一項重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)治理采空區(qū)的主要措施有崩落法治理采空區(qū)、充填法治理采空區(qū)、保留永久礦柱支護(hù)、隔離和封堵治理采空區(qū)以及聯(lián)合治理采空區(qū)等[21]。贛州有色冶金研究所邵億生[22]針對江西鎢礦采空區(qū)處理方法進(jìn)行了較全面的分析，并提出了意見和建議。

（1）崩落法治理采空區(qū)。由于金屬礦山巖體整體穩(wěn)定性較好，不易隨礦山的開采自行冒落，為避免采空區(qū)頂板及圍巖大量不穩(wěn)定巖石突然冒落，造成事故，必須及時對其進(jìn)行處理。而崩落法治理采空區(qū)是通過一定的方式將頂板或者圍巖崩落的巖塊或廢石充填采空區(qū)，達(dá)到對采空區(qū)進(jìn)行治理的方法。但由于在進(jìn)行頂板崩落的過程中可能出現(xiàn)地表塌陷，因此，地表允許塌陷是使用崩落法治理采空區(qū)的前提條件。該方法的具有成本低、見效快、工藝簡單的特點，在國內(nèi)外采空區(qū)治理中被廣泛采用。

（2）充填法治理采空區(qū)。是將充填料通過一定的方式送入到采空區(qū)內(nèi)部，并充填密實，以達(dá)到控制地壓活動、較小上覆巖層崩落及地表下沉的目的，是采空區(qū)穩(wěn)定性控制的最主要方法之一，并且對保護(hù)地表建筑物及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境起著重要的作用。目前，主要有干式充填和濕式充填兩種。針對不同采空區(qū)，應(yīng)根據(jù)巖體性質(zhì)、充填要求及成本進(jìn)行合理選擇，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、適用的效果。萬林海[23]為防止某白鎢礦山采空區(qū)和地表的沉陷和塌方，研究設(shè)計了全尾砂膠結(jié)充填的方法。

（3）保留永久礦柱支護(hù)。此法是通過留設(shè)永久礦柱加強對采空區(qū)頂板的支護(hù)，減小其暴露面積，控制上覆巖層下沉的一種方法。該方法主要應(yīng)用于巖性比較穩(wěn)定的采空區(qū)，但由于采空區(qū)所處的環(huán)境比較復(fù)雜以及各種因素的影響，采空區(qū)穩(wěn)定性一直處于變化的狀態(tài)。因此，設(shè)計礦柱尺寸和數(shù)量時，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)實際賦存的環(huán)境綜合考慮，以減少災(zāi)害的發(fā)生。但實踐表明，隨著時間的推移，僅采用留柱支護(hù)法，并不能避免頂板冒落或礦壓沖擊的影響。

（4）隔離和封堵治理采空區(qū)。利用封堵墻將與采空區(qū)連接的主要通道進(jìn)行封堵，使工作區(qū)與采空區(qū)隔離，避免因頂板突然大面積冒落時，產(chǎn)生的沖擊地壓對周圍構(gòu)筑物造成損害，特別是保證井下工作人員的生命安全。該方法對小體積采空區(qū)控制效果較好，而對于大面積采空區(qū)防護(hù)作用則較差，并且對地表起不到任何保護(hù)作用，移動帶仍需監(jiān)測、隔離[24]。因此，隔離和封堵治理采空區(qū)法主要適用于體積不大且離工作區(qū)較遠(yuǎn)、地表及巖層允許崩落或下沉等情況的采空區(qū)。

（5）聯(lián)合治理采空區(qū)。由于采空區(qū)所賦存的環(huán)境復(fù)雜，很多情況下進(jìn)行采空區(qū)治理時，由于使用某一種方法無法達(dá)到有效治理的目的，則可以根據(jù)實際情況，利用不同方法的優(yōu)勢，選擇兩種或者兩種以上方法相結(jié)合，對采空區(qū)進(jìn)行處理。

因此，在實際治理過程中，應(yīng)充分考慮安全、經(jīng)濟(jì)、可行的原則，有針對性地選擇，充分發(fā)揮其各自優(yōu)點，克服存在的不足，確?？諈^(qū)穩(wěn)定。

2 存在的問題及解決問題的建議

采空區(qū)穩(wěn)定性問題作為采礦工程中一項重要的研究課題，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，借助新技術(shù)、新方法已成為采空區(qū)穩(wěn)定性研究的總體發(fā)展趨勢。但從以上的研究來看，仍存在一定的不足：

（1）在采空區(qū)探測技術(shù)研究方面，國內(nèi)外都取得了一定的成果，但由于金屬礦山本身的特點，其礦床賦存于復(fù)雜的地質(zhì)條件中，單一的探測技術(shù)不能完全滿足精確探測的要求。因此，研究一種快速、精確的綜合探測方法，顯得尤為重要，目前尚缺少相關(guān)研究和報道。此外，隨著數(shù)字礦山的進(jìn)一步發(fā)展，將三維激光掃描儀、3DMine及FLAC3D等其他相關(guān)軟件耦合，建立可視化三維模型，增強變形規(guī)律的直觀性，實現(xiàn)采空區(qū)的動態(tài)實時監(jiān)測，是今后課題研究的重點。

（2）在采空區(qū)頂板失穩(wěn)理論分析研究方面，從總體來看，簡支梁理論相比于荷載傳遞交匯線理論及厚跨比理論來說特別考慮了巖體自身特性、頂板自重以及空間跨度等，其計算結(jié)果較為切合工程實際。但將頂板視為彈性梁的近似處理方法，無法考慮巖石的材料性質(zhì)及空間效應(yīng)。為此，很多學(xué)者將采空區(qū)以彈性薄板力學(xué)模型研究釆空區(qū)頂板穩(wěn)定性。

但對于金屬礦采空區(qū)來說，由于采空區(qū)頂板的寬度與長度相差不大，不滿足彈性薄板力學(xué)模型要求（厚度h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于寬度b的彈性板稱為“薄板”），所以，在對頂板進(jìn)行分析時，寬度和長度是不能忽略的。因此，可以考慮以彈性厚板理論對采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，目前這方面的研究資料和文獻(xiàn)較少。

（3）在采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測及評價研究方面，從參考文獻(xiàn)研究內(nèi)容來看，預(yù)測評價模型都存在一定的不足，比如各項影響因素權(quán)重的確定問題、地質(zhì)構(gòu)造等定性模糊指標(biāo)的量化問題等。因此，如何優(yōu)化模型或提出建立更符合采空區(qū)實際的模型，以避免或減小在評價中存在的主觀性和隨機性，將是采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測和評價研究中需要解決的問題，并借助計算機技術(shù)實現(xiàn)對采空區(qū)穩(wěn)定性的對比分析，以及動態(tài)預(yù)測和反饋。

（4）隨著礦山開采深度的進(jìn)一步推進(jìn)，采空區(qū)賦存的地質(zhì)條件越發(fā)復(fù)雜，除了會受到高應(yīng)力和周圍擾動應(yīng)力的影響外，巖體本身的力學(xué)性質(zhì)也將發(fā)生變化，使研究內(nèi)容更加復(fù)雜。因此，高應(yīng)力作用下的采空區(qū)頂板及巖層穩(wěn)定性是礦山開采中又一大研究難題。

（5）目前，各礦區(qū)賦存的采空區(qū)不是單獨存在的，而是形成了采空區(qū)群。此時，采空區(qū)群頂板穩(wěn)定性與單獨采空區(qū)所受因素的影響有很大的區(qū)別，雖然目前研究采空區(qū)群穩(wěn)定性的成果較多，但主要集中在反映單個采空區(qū)群巖體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律方面，缺乏系統(tǒng)性的分析。因此，如何揭示采空區(qū)群之間各影響因素的內(nèi)在聯(lián)系，確定其影響范圍的大小，是控制采空區(qū)破壞研究的重要方向。

3 總結(jié)

金屬礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性受到巖體地質(zhì)特征、空間分布情況、開采方式以及空區(qū)環(huán)境等方面因素的影響，要準(zhǔn)確地研究采空區(qū)頂板及巖層穩(wěn)定性，必須運用多種理論，依靠實測資料、模擬試驗和數(shù)值分析的方法對采空區(qū)進(jìn)行綜合分析。同時，充分利用諸如三維激光掃描等先進(jìn)技術(shù)和方法，實現(xiàn)對采空區(qū)的三維可視化進(jìn)行穩(wěn)定性分析和評價，達(dá)到動態(tài)實時監(jiān)測和預(yù)警，為指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，保障人民生命財產(chǎn)提供技術(shù)支持。

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Research StatusofM etalM ine Goaf Stability

CHENLanlan1,XIAOHaiping2
(1.CollegeofApplied Science,JiangxiUniversity ofScienceand Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.SchoolofEnvironmentScienceand Spatial Informatics,China UniversityofMiningand Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)

With the ever-rising demand for the economic growth,mineral resources have been mining at an unprecedented speed.The induced goafs,in addition to the huge risk to the production safety,threatened the public security.Therefore,the research ofgoaf stability has long been a hot topic.This paper analyzed the current research statusofgoafstability from the aspectsofgoafdetecting technology and goaf control.Pointed out the shortcomingsof current research and analysis of goaf dynamic real-timemonitoring and optimization of the actualmodel,overcome thegoaf in high stressand rockmechanicalproperties changewillbe the effectivemeasures to control thegoaf.

metalmine;goaf;stability;currentstatus;tungstenmines

TD853.391+.2

A

（編輯：劉新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.03.003

2016-11-23

國家自然科學(xué)青年基金項目（41601429）；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（GJJ161570）

陳蘭蘭（1981-），女，江西新干人，講師，主要從事邊坡監(jiān)測與控制和數(shù)據(jù)處理方面的研究。