周逸文，張 濤，段隆臣，李建文

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100013)

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，自然資源需求不斷擴大，極大地推動了我國礦山企業(yè)的快速發(fā)展。礦山企業(yè)對礦產(chǎn)資源的開采規(guī)模逐年增加，而開采過程中形成了大量的采空區(qū)。據(jù)初步統(tǒng)計，截至2015年年底，全國地下礦山開采共形成12.8億m3的采空區(qū)，分布在28個省(市、區(qū))[1]。大量的采空區(qū)如得不到合理處置，將會在礦山及其附近區(qū)域留下嚴(yán)重的安全隱患。礦山采空區(qū)引起的主要災(zāi)害有巷道頂板冒頂、井下突水、礦山地震以及礦區(qū)地面塌陷，通常會造成重大安全事故的發(fā)生[2-4]。國家安全監(jiān)管部門高度重視礦山生產(chǎn)安全，礦山安全整治工作得到了積極的開展，安全問題得到了有效的控制，礦山采空區(qū)治理也得到了長足的發(fā)展。

由于我國礦山采空區(qū)分布廣泛、存量大、類型豐富，不同成因的采空區(qū)特點不同，引起的安全問題也不盡相同，因此礦山采空區(qū)治理非常困難，需要系統(tǒng)地開展綜合治理工作[3-5]。礦山采空區(qū)治理主要包括采空區(qū)探測、采空區(qū)穩(wěn)定性評價和采空區(qū)處置3個方面內(nèi)容。近年來，為了契合國家生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求，膠結(jié)充填法以能夠?qū)⒐腆w廢棄物資源化利用的特點成為處理礦山采空區(qū)最常用的方法。但是，傳統(tǒng)的膠結(jié)充填法常以水泥為膠凝材料，存在成本高、固廢物利用率低、采空區(qū)處置效果不顯著等問題。因此，為了部分或完全替代水泥，研發(fā)成本低、性能優(yōu)良且能夠充分消納固廢物的新型膠凝材料，成為了國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的重點[6-9]。本文針對我國礦山采空區(qū)治理現(xiàn)狀和存在的問題，在分析我國礦山采空區(qū)類型特點和存在的安全隱患的基礎(chǔ)上，綜述了現(xiàn)有礦山采空區(qū)治理的主要手段，系統(tǒng)性介紹了礦山采空區(qū)探測、采空區(qū)穩(wěn)定性評價、采空區(qū)處置技術(shù)以及礦山采空區(qū)充填方法和充填材料的應(yīng)用狀況，明確了現(xiàn)有的礦山采空區(qū)處置技術(shù)存在的局限性，并對其挑戰(zhàn)和機遇進行了展望。

1 我國礦山采空區(qū)治理現(xiàn)狀和存在的問題

1. 1 礦山采空區(qū)類型

礦山采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞，不同成因條件的采空區(qū)形態(tài)和特征各異。根據(jù)礦山采空區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同，我國礦山采空區(qū)大致可分為以下幾種類型，見表1[3-5,10]。

表1 礦山采空區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)及其類型[3-5,10]

我國老礦山采空區(qū)的資料少、形態(tài)不清、狀況不明、邊界難尋，治理難度最大[11]；充水采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性差、坍塌風(fēng)險大，而且易誘發(fā)突水、透水事故[11-12];急傾斜采空區(qū)比水平及緩傾采空區(qū)瞬時地表變形大，地表殘余變形的下沉速度呈“波浪”式變化[13];采空區(qū)群面積大、體積大、空間錯綜復(fù)雜，穩(wěn)定狀態(tài)一直處于動態(tài)變化之中[4];短壁式采空區(qū)包括空場法開采采空區(qū)、條帶式開采采空區(qū)，一般由留置礦柱支撐頂板，整體穩(wěn)定性相對較好[4,14];長壁式采空區(qū)頂板暴露面積較大，容易在地表產(chǎn)生沉陷盆地，引起大面積的地表變形[10,13,15]。

綜上所述，礦山不同類型采空區(qū)的空間特征、周圍巖體的變形破壞規(guī)律以及沉陷機理均不相同，因此針對礦山不同類型的采空區(qū)，需要采取專門的分析方法和治理方案。

1. 2 礦山采空區(qū)工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問題

未處置的礦山采空區(qū)是礦山生產(chǎn)的重要安全隱患，也會引起工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問題。引發(fā)采空區(qū)安全問題的原因主要是采空區(qū)失穩(wěn)、采空區(qū)積水和采空區(qū)有毒有害氣體聚集等[2-4,10-18]。本文歸納了礦山采空區(qū)相關(guān)的工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問題，見表2。

表2 礦山采空區(qū)工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問題[2-4,10-18]

1.2.1 工程安全問題

采空區(qū)失穩(wěn)是產(chǎn)生礦區(qū)地壓災(zāi)害的根本原因。在礦山開采過程中，由于破壞了采空區(qū)原有的平衡狀態(tài)，可能會誘發(fā)巷道頂板冒落、圍巖片幫和底板隆起，影響正常的生產(chǎn)活動。當(dāng)頂板出現(xiàn)大面積突然垮落時，崩落的圍巖會在巷道中產(chǎn)生巨大的氣浪沖擊波，會對人員和設(shè)備造成巨大的傷害，還可能會誘發(fā)礦震，嚴(yán)重威脅礦區(qū)整體的穩(wěn)定性[2-4]。如圖1所示，當(dāng)埋深較淺的采空區(qū)頂板垮落時，如果裂隙帶和彎曲帶發(fā)展到地表則會引起地面大范圍的沉降、地裂縫以及坍塌坑，危害地表基礎(chǔ)設(shè)施的使用并破壞地基穩(wěn)定性。同時，采空區(qū)域沉降穩(wěn)定時間周期較長，將會導(dǎo)致地面土地失去建設(shè)利用價值。

圖1 礦山采空區(qū)地表沉陷示意圖[10,15,19-20]Fig.1 Diagram of surface subsidence above goaf[10,15,19-20]

采空區(qū)積水是導(dǎo)致工程透水和突水安全事故的重要原因[2,11]，積水會軟化圍巖，使含水采空區(qū)失穩(wěn)的風(fēng)險增大。

采空區(qū)有毒有害氣體聚集導(dǎo)致的工程安全問題主要出現(xiàn)在煤炭和硫化礦石的采空區(qū)。煤炭采空區(qū)的遺煤和含硫礦床的硫礦石氧化或自燃會釋放大量的有毒有害氣體，在采礦及施工過程中，若巷道通風(fēng)不足或工作面有毒有害氣體突出，易誘發(fā)人員中毒窒息、采空區(qū)火災(zāi)和爆炸等安全事故[2,17-18]。

1.2.2 生態(tài)環(huán)境安全問題

礦山采空區(qū)生態(tài)環(huán)境安全問題是指由礦山采空區(qū)引起的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染、人居功能破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問題。

采空區(qū)失穩(wěn)會導(dǎo)致地面塌陷、地表開裂、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[16]。如圖2所示，礦山采空區(qū)地面塌陷會破壞地表植被，損毀地表建筑、管道線路和道路交通等，而且隨著地表的破壞，荒漠化、鹽堿化和沼澤化等生態(tài)環(huán)境問題也將加劇。除此之外，當(dāng)采空區(qū)上部覆巖裂隙聯(lián)通到地表時，會形成與地表水和空氣傳導(dǎo)的通道，為采空區(qū)水的補給和排泄提供通道，并為采空區(qū)礦石氧化提供氧氣，將可能誘發(fā)涌水潰砂和火災(zāi)等安全事故[12,17]。

圖2 礦山采空區(qū)地表塌陷引起的生態(tài)環(huán)境危害[21]Fig.2 Eco-environmental hazards caused by surface subsidence in mine goaf[21]

礦山采空區(qū)水的補給來源豐富且賦存時間長，水中存在大量的化學(xué)污染物和微生物，當(dāng)采空區(qū)與外部空間相連形成傳導(dǎo)通道時，污染水可能滲入到采空區(qū)周圍的含水層和排入附近河流之中，將會嚴(yán)重危害采空區(qū)周圍區(qū)域的生態(tài)環(huán)境安全和居民飲水安全[17-18,22]。

對于礦山采空區(qū)的有毒有害氣體，當(dāng)采空區(qū)周圍巖體的裂隙與地表形成通道時，有毒有害氣體以及攜帶的煙塵可能會涌出地面，嚴(yán)重威脅周圍區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量和居民生命安全。

2 礦山采空區(qū)探測

我國礦山地下采空區(qū)具有整體可見性差、隱蔽性強、分布范圍廣、規(guī)模大小各異、規(guī)整性差以及空間分布規(guī)律差等特點，部分采空區(qū)互相連通構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的采空區(qū)群[3-5]。因此，為了能夠更準(zhǔn)確地了解礦山采空區(qū)的賦存狀態(tài)，選擇有效的探測手段對未知采空區(qū)狀況進行勘查以及對已知采空區(qū)進行測量是治理礦山采空區(qū)的前提。

2. 1 礦山采空區(qū)勘查

2.1.1 采空區(qū)調(diào)查

礦山采空區(qū)調(diào)查主要通過收集采礦的相關(guān)資料和現(xiàn)場實地調(diào)查，初步確定采空區(qū)大致的位置和規(guī)模，為后續(xù)的詳勘、穩(wěn)定性分析和治理方案制訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[23]。資料收集主要針對勘查區(qū)域的地質(zhì)圖件、采礦相關(guān)圖件和衛(wèi)星圖片等;現(xiàn)場實地調(diào)查主要包括工程地質(zhì)條件、采礦情況、采空區(qū)性質(zhì)、地面構(gòu)(建)筑物分布情況調(diào)查以及地表變形監(jiān)測等。根據(jù)采空區(qū)調(diào)查的結(jié)果可以大致掌握采空區(qū)情況、確定采空區(qū)范圍，有助于后續(xù)勘探工作的科學(xué)布置，從而降低勘查工作量和成本。

2.1.2 工程鉆探技術(shù)

工程鉆探[2,3,12,24]主要利用鉆探設(shè)備通過鉆孔進行探測，是一種準(zhǔn)確性高、針對性強的礦山采空區(qū)勘探方法。工程鉆探方法的優(yōu)點是能夠直接通過鉆鉆進難度、沖洗液漏失情況以及巖芯巖性、采取率、強度等特性，有效了解地下采空區(qū)內(nèi)部填充物和外部巖體的情況，也能夠確定布孔處采空區(qū)的頂板位置和高度，可用于驗證物探數(shù)據(jù)和已有材料的有效性，并可為孔內(nèi)物探、孔內(nèi)電視等物探方法提供通道。但該方法存在耗費時間長、工作量較大、成本高，而且無法探明大范圍礦山采空區(qū)等局限性。

2.1.3 工程物探技術(shù)

工程物探技術(shù)是探測采空區(qū)最為重要的技術(shù)手段之一，可用于大范圍的礦山采空區(qū)勘探，在國內(nèi)外已有廣泛的應(yīng)用。礦山采空區(qū)地面常用的工程物探技術(shù)主要包括直流電法、電磁法、地震法和其他方法4種類型，常用的物探方法見表3[3,5,10,24-29]。其中，高密度電阻率法是在電剖面法和電測深法技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具有剖面測量和測深的功能，其工作原理與傳統(tǒng)電阻率法基本相同，但是測量精度、工作效率都有較大的提升[11-12];瞬變電磁法是目前應(yīng)用最廣泛的電磁物探方法，其基本原理是向地下發(fā)射地磁脈沖激發(fā)地質(zhì)體產(chǎn)生二次場，通過分析二次場的衰變特征，判斷采空區(qū)的特征和位置[25-26]；微動測量法是一種新興的工程物探技術(shù)，已在軌道交通下伏采空區(qū)以及煤礦采空區(qū)陷落柱探測方面有所應(yīng)用，其工作原理是利用采集天然場源的微動信號提取瑞雷波信息，通過地質(zhì)體與周圍介質(zhì)的波速差異來探測采空區(qū)[27-28]。

表3 礦山采空區(qū)主要工程物探技術(shù)對比[3,5,10,11,24-29]

不同工程物探技術(shù)都有各自的優(yōu)點和局限性，選擇合適的采空區(qū)探測方法對于某一實際礦山采空區(qū)治理工程是十分重要的。實際的采空區(qū)探測過程中，遇到的采空區(qū)通?？臻g形態(tài)十分復(fù)雜，單一的探測方法無法滿足探測采空區(qū)的需求，可以使用不同工程物探技術(shù)相結(jié)合的方法來彌補各自的不足。例如城市地下采空區(qū)的探測，為了避免噪聲擾民、破壞地表以及提高探測精度，可綜合利用無損、快速的高密度電阻率法和瞬時電磁法的組合來進行工程勘察。雖然高密度電阻率法由于體積效應(yīng)而精度不高，但是利用它獲取地層信息量大的特點可較為容易地圈定采空區(qū)的大致范圍，再利用瞬變電磁法具有精度高、抗干擾能力強以及能夠探測含水地質(zhì)體等優(yōu)勢，可以快速確定采空區(qū)的形態(tài)、位置以及含水狀態(tài)，有助于軌道交通的安全施工和礦山采空區(qū)治理[5,24]。由此可見，采用多種工程物探技術(shù)的綜合探測是現(xiàn)階段礦山采空區(qū)最為理想的物探方式[29]。

2. 2 礦山采空區(qū)測量

礦山采空區(qū)的探測手段包括勘探和測繪方法，一般通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探和物探方法進行探測，便可滿足礦山采空區(qū)治理的需要。但對于大型礦山且條件復(fù)雜的采空區(qū)治理工程，為了更準(zhǔn)確地掌握礦山采空區(qū)的形狀、大小和變化規(guī)律，僅靠地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探等勘查方法是遠遠不夠的。因此，學(xué)者們提出通過勘探鉆孔的孔內(nèi)電視法測試[30]、孔內(nèi)地震測試[31]、孔內(nèi)窺視[32]或三維激光掃描法[33]等對采空區(qū)賦存狀態(tài)進行高精度的定量化測量分析，以為后續(xù)的穩(wěn)定性分析與評價、工程設(shè)計與施工提供依據(jù)。其中，三維激光掃描法作為先進的測繪技術(shù)已在礦山領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，該方法是一種三維空間影像技術(shù)，主要通過三維激光掃描儀掃描周圍環(huán)境來快速獲取精度較高的全景空間的點云數(shù)據(jù)(見圖3)，并經(jīng)計算機軟件處理后，能夠構(gòu)建出最大限度還原真實環(huán)境的三維空間模型[29,33-34]。相比于傳統(tǒng)的采空區(qū)測繪方法，非接觸式測量的三維激光掃描法工作效率高、安全性高，可獲取的空間數(shù)據(jù)精度高，并且掃描儀有豐富的數(shù)據(jù)接口有助于后期各類軟件對坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，具有良好的應(yīng)用前景[12,35]。根據(jù)測量方式的不同，三維激光掃描法可分為架站式、延伸桿式和無人機三維激光掃描方法[33,36]。常用的三維激光掃描裝備有國外公司生產(chǎn)的CMS空區(qū)探測系統(tǒng)、C-ALS空區(qū)激光探測系統(tǒng)以及國內(nèi)的BLSS-PE型礦用三維激光掃描儀等[12,35,37]。因此，礦山采空區(qū)治理過程中，需根據(jù)采空區(qū)的復(fù)雜特點和治理工程的重要性，選擇適宜的探測方法。尤其是對于大型礦山、條件復(fù)雜的采空區(qū)治理工程，可以結(jié)合三維激光掃描法和多種探測手段共同對采空區(qū)進行高精度測繪，實現(xiàn)對礦山采空區(qū)的可視化和動態(tài)監(jiān)測，為礦山開采、采空區(qū)安全管理以及后續(xù)的治理工作提供重要的依據(jù)。

圖3 通過三維激光掃描儀獲取的空間點云數(shù)據(jù)[34]Fig.3 Spatial point cloud data obtained by 3D laser scanner[34]

3 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價

3. 1 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素

礦山采空區(qū)失穩(wěn)是多因素綜合作用的結(jié)果，因此需要對影響礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的因素進行分析。國內(nèi)外學(xué)者將礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素歸納為地質(zhì)因素、水文因素、力學(xué)因素、采空區(qū)形態(tài)因素和工程環(huán)境因素5大類，見表4[4,12,38-46]。其中，地質(zhì)因素與巖體組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，是影響巖體穩(wěn)定性的最基本因素[42]；水文因素是指地下水與圍巖之間發(fā)生的物理化學(xué)和力學(xué)作用，是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素[43-44];采空區(qū)形態(tài)因素是指采空區(qū)形態(tài)和整體結(jié)構(gòu)對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，采空區(qū)形態(tài)也是構(gòu)建與分析采空區(qū)數(shù)值模型的基本條件[43-46]；工程環(huán)境因素[43-44]是指采空區(qū)內(nèi)及其周圍的工程活動對采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的影響，是影響礦山生產(chǎn)安全、采空區(qū)群治理質(zhì)量的重要因素。

表4 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素及評價指標(biāo)[4,12,38-46]

3. 2 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法

礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價是基于對礦山采空區(qū)上覆巖層移動破壞規(guī)律、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性以及地表變形破壞規(guī)律等的分析，利用相關(guān)方法對礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價的過程。結(jié)合上述礦山采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素的分析，將礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法主要分為理論分析法、預(yù)測評價法和模擬法3類，見表5[4,13,43]。其中，理論分析法和預(yù)測評價法是礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價的常規(guī)方法[4,38,43-44];模擬法是利用物理相似模型和數(shù)值軟件對礦山采空區(qū)圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變、位移進行仿真模擬，通常將該方法與理論分析和預(yù)測模型相結(jié)合來對礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價，這是目前最為全面的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法，也是未來礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價的發(fā)展趨勢[47-48]。

表5 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法分類[4,13,43]

常用的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法各有優(yōu)缺點，其中突變理論[43,49-50]是一種可以定量描述地質(zhì)體非線性力學(xué)行為的理論，適用于采空區(qū)突然失穩(wěn)臨界狀態(tài)的計算，其優(yōu)點是能夠定量或定性地評價礦山采空區(qū)失穩(wěn)的過程，但是目前該理論只能應(yīng)用于簡單的地質(zhì)力學(xué)模型；基于層次分析(AHP)法的模糊綜合評價法適用于礦山采空區(qū)穩(wěn)定分級評價，其優(yōu)點是能夠?qū)?fù)雜采空區(qū)的隨機性、模糊性問題進行綜合的定量描述，適合對礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進行分級評價，但是該方法在選擇礦山采礦區(qū)穩(wěn)定性影響因素以及專家打分方面，存在主觀性較強的問題[38-39,41,43,51]；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為的數(shù)學(xué)模型，適合用于礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測，其具有強大的學(xué)習(xí)能力、高效的解決問題能力等優(yōu)點，但是也存在算法設(shè)計復(fù)雜、無法解釋推理過程、需要大量的樣本數(shù)據(jù)才能有效預(yù)測等問題[40,43,52-53]。

綜上，理論分析法更偏向于經(jīng)驗計算，對于賦存條件復(fù)雜的采空區(qū)，多種因素作用對圍巖穩(wěn)定性影響機制的研究還有待深入；預(yù)測評價法的預(yù)測結(jié)果存在一定的主觀性和隨機性，如何優(yōu)化預(yù)測模型、提升預(yù)測精度和保證結(jié)論的客觀性是后續(xù)研究的重要方向；模擬法研究問題通常會對模型進行簡化計算，如何提高計算速度以及構(gòu)建與實際情況相符合的復(fù)雜地質(zhì)模型對礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析具有重大意義[48,54]。在實際工程中，考慮到研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及影響采空區(qū)穩(wěn)定性的諸多因素，為了保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要以數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)綜合各種力學(xué)理論以及預(yù)測評價方法，全面掌握礦山采空區(qū)圍巖的應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性情況，建立一套有效的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價體系，從而指導(dǎo)采空區(qū)的治理工作。

4 礦山采空區(qū)處置技術(shù)

礦山采空區(qū)治理是一項系統(tǒng)工程，不僅要制定周密合理的治理方案，還要協(xié)調(diào)好與礦山生產(chǎn)、工程建設(shè)以及地表環(huán)境的關(guān)系。目前我國礦山工程中常用的采空區(qū)處置技術(shù)或方法主要有崩落圍巖法、封閉隔離法、支撐加固法和充填法等，各種方法的特點和適用條件見表6[3,12,19,44,55-57]。

表6 我國礦山采空區(qū)處置方法及其特點和適用條件[3,12,19,44,55-57]

4. 1 崩落圍巖法

崩落圍巖法處理采空區(qū)是指利用崩落采空區(qū)頂板及上盤圍巖來充填采空區(qū)或形成一定厚度的緩沖保護墊層，從而達到改善井下圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實現(xiàn)對地壓的有效控制以及減少頂板冒落產(chǎn)生氣流危害的目的[44]。崩落圍巖法又分為自然崩落法和強制崩落法，其中自然崩落法是對頂板拉底、側(cè)幫做切割后，讓頂板在自重和上覆巖層的壓力作用下自然崩落；強制崩落法是利用爆破技術(shù)強制崩落頂板巖層。崩落圍巖法具有處理成本低、治理效率高、工藝簡單等優(yōu)點，但是由于其處理過程會產(chǎn)生地表沉降，因此只適合用于允許地表塌陷的礦山采空區(qū)。

4. 2 封閉隔離法

封閉隔離法處理采空區(qū)是指封閉采空區(qū)，利用隔離墻或構(gòu)造一定厚度的緩沖層將主生產(chǎn)區(qū)與采空區(qū)進行隔離，可避免冒落產(chǎn)生的沖擊波危及主生產(chǎn)區(qū)的人員和設(shè)備的安全，同時能改善井下通風(fēng)環(huán)境，減少漏風(fēng)量[56]。封閉隔離法具有處理成本低、工程量少、施工周期短等優(yōu)點，但是該方法不能消除采空區(qū)，將不利于礦山后期回采，而且無法控制地表變形，因此在使用封閉隔離法處置采空區(qū)時，還需要配合其他方法來控制圍巖移動。

4. 3 支撐加固法

支撐加固法處理采空區(qū)是指設(shè)立永久礦柱或人工礦柱對采空區(qū)頂板進行支撐以及利用錨索或錨桿對采空區(qū)頂板進行加固[3,12,19]。支撐加固法包括加強礦柱、設(shè)立人工礦柱和頂板加固等方法。該方法具有技術(shù)簡單高效、安全性高等優(yōu)點，適合用于緩傾斜、地表允許塌陷、頂板比較穩(wěn)定的采空區(qū)，但是該方法處理成本較高、工程量大，僅能暫時改善采空區(qū)地壓狀況，無法真正保障頂板的穩(wěn)定性，因此為了解決采空區(qū)的穩(wěn)定性問題，還需要與其他方法聯(lián)合使用。

4. 4 充填法

充填法處理采空區(qū)是指以充填料來填充采空區(qū)的方法。在實際應(yīng)用中，通過利用充填料建立充填系統(tǒng)，再通過采空區(qū)的鉆孔或天井將材料自流或壓力充填至井下采空區(qū)，形成具有一定強度、整體性的充填體[3,4,7,57]。膠結(jié)或堆積形成的充填體雖不能夠完全消除采空區(qū)圍巖的變形和破壞，但是可以改善巖體應(yīng)力的分布效果，減少采空區(qū)頂板冒落的風(fēng)險，很大程度地限制了上覆巖層的移動和自由發(fā)展，從而達到控制地壓和控制地表塌陷的目的。充填法雖然存在投資大、充填工藝較為復(fù)雜等缺點，但是由于其處理適用范圍廣、充填密實、控制圍巖移動的效果好，而且大量利用固體廢物進行充填還能解決環(huán)境污染和固體廢物資源化[7-9,58-60]等問題，因此仍是處置采空區(qū)最為重要的方法和研究重點，將在下面做重點介紹。

綜上所述，礦山采空區(qū)每種處置方法都有其各自的優(yōu)點、局限性和適用條件，通常單一處置方法難以獲得理想的治理結(jié)果，因此需要充分考慮采空區(qū)空間特征、圍巖巖性和分布特征等因素，因地制宜結(jié)合多種方法制定出高效、經(jīng)濟的治理方案。

5 礦山采空區(qū)充填技術(shù)

國內(nèi)外眾多學(xué)者對充填法處置礦山采空區(qū)開展了系統(tǒng)研究，取得了豐碩的成果，研究重點常用于采空區(qū)地表塌陷問題的治理。按照充填物料是否含水可將充填法分為干式充填法和濕式充填法，各種方法的優(yōu)點和局限性見表7[4,7]。干式充填法由于充填體壓縮性大、治理效果較差，通常不用于礦山采空區(qū)治理，但在礦體規(guī)模較小的中小礦山及老礦山或建礦初期有所應(yīng)用；濕式充填法研究較多、應(yīng)用較廣，根據(jù)充填技術(shù)的不同又可將其分為水砂充填法和膠結(jié)充填法，其中膠結(jié)充填法是目前濕式充填法的主要技術(shù)。

表7 干式、濕式充填法特點[4,7]

5. 1 膠結(jié)充填法

膠結(jié)充填法是指將水泥、砂漿等膠凝類材料作為黏結(jié)劑，以砂石、礫石以及塊石等惰性材料作為骨料支撐，經(jīng)過加水混合拌合形成膠結(jié)的充填漿體，以重力自流或管道泵機械壓力向采空區(qū)輸送和堆放，最后形成具有一定強度、自立性和整體性的充填體[8,61]。根據(jù)充填工藝的不同可將膠結(jié)充填法[7,62]劃分為分級尾砂膠結(jié)充填、全尾砂膠結(jié)充填、塊石砂漿膠結(jié)充填和膏體膠結(jié)充填等。其中，分級尾砂膠結(jié)充填較水砂充填的效果好，但尾砂利用率低、成本高且需要脫水，可能會造成井下污染；全尾砂膠結(jié)充填對尾砂的利用率高，達到95%以上，可有效解決充填料不足的問題，但成本較高、脫水工藝復(fù)雜；塊石砂漿膠結(jié)充填的工藝簡單、水泥用量少、成本較低，硬化后抗壓強度相較于尾砂膠結(jié)充填體能夠提高1～2倍[7-8,62]；膏體膠結(jié)充填是目前國內(nèi)外礦山應(yīng)用和研究的熱點，其具有固體利用率高、充填體強度大、接頂率高、污染較小等優(yōu)點，但是也存在充填系統(tǒng)投資高、充填料輸送難、維護管理復(fù)雜等缺點[7,57,62-63]。

總體而言，相對于非膠結(jié)充填，膠結(jié)充填具有填充量大、強度大、壓縮性低、充填速度快等優(yōu)點，缺點是充填成本高。據(jù)統(tǒng)計，膠結(jié)充填成本占采礦成本的1/3左右，水泥在膠結(jié)充填成本中約占30%～60%[9]。因此，在保證充填材料強度的情況下，開發(fā)低成本、能部分或完全取代水泥的充填材料是膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展趨勢[7-9,64]。

5. 2 新型充填膠凝材料

從環(huán)保、節(jié)約成本和固體廢物資源化的角度出發(fā)，陸續(xù)出現(xiàn)了一系列新型的膠結(jié)充填材料，比如粉煤灰、黏土、礦渣、尾礦和高水材料等[7-8,64]，可部分或完全代替水泥膠結(jié)材料。新型充填膠凝材料的特點和適用范圍，見表8[7-9,58-61,64-71]。其中，黏土水泥以能固化的黏土漿液為主要注漿材料，漿液固化后具有良好的抗震性能，適合強度要求低、有隔水要求的采空區(qū)[65-66]；粉煤灰水泥具有材料來源廣、耐腐蝕、流動性好等優(yōu)點，是膏體膠結(jié)充填最常用的膠凝材料，適合強度要求較低、充水的各類采空區(qū)[58-59,64]；赤泥基膠凝材料的化學(xué)組分與硅酸鹽水泥相似而且強度等各項指標(biāo)也比較接近，同時比水泥有更好的穩(wěn)定性，可用于非強酸環(huán)境的含水采空區(qū)[67-68]；高爐礦渣水泥、尾礦(砂)基膠凝材料是一種性能較穩(wěn)定的綠色膠凝材料，可以將工業(yè)廢渣進行再利用，相較于水泥膠結(jié)充填成本更低，有著廣闊的應(yīng)用前景[8,69-70]；高水速凝充填材料具有很強的固水能力，可凝結(jié)87%～90%的水,當(dāng)水體積超過90%時，可稱作超高水速凝充填材料，適用于低溫、封閉以及潮濕的各類采空區(qū)[9,71]。

表8 新型充填膠凝材料的特點和適用范圍[7-9,58-61,64-71]

對于新型膠結(jié)充填材料的性能要求，主要有強度和流動性兩方面，由于骨料、膠凝材料以及配比的不同，最終產(chǎn)生充填體和漿料的各項力學(xué)指標(biāo)也有差異。對于強度指標(biāo)，不同礦山采空區(qū)對充填體的強度要求各不相同。各類用于礦山采空區(qū)膠結(jié)充填的材料在養(yǎng)護齡期28 d時抗壓強度的范圍僅為2～4.5 MPa(見圖4)。實際工程中，采空區(qū)充填材料不存在強度最優(yōu)的配比，在滿足充填強度以及可泵性要求的條件下，應(yīng)采用最低成本的配比。另外，漿料的可泵性與塌落度有關(guān)，而固料的質(zhì)量濃度、灰砂比以及顆粒組成[60,72]均會對礦山采空區(qū)膠結(jié)充填材料塌落度產(chǎn)生影響(見圖5)。根據(jù)工程經(jīng)驗，塌落度在20 cm以上就可以進行泵送，塌落度為24～28 cm可實現(xiàn)自流輸送[73-74]。為了提高尾礦砂的利用率，經(jīng)常會用強大的泵送設(shè)備對流動性很差的高濃度尾砂充填材料進行運輸?？傮w而言，新型充填膠凝材料解決了傳統(tǒng)水泥膠結(jié)成本高、井下脫水困難、強度低且存在污染風(fēng)險等問題。對于充分利用黏土、尾礦等廢棄物開發(fā)出來的新型充填膠凝產(chǎn)品，其最大優(yōu)勢就是可以就地取材，提高固體廢物的綜合利用率，還能很好地滿足降低成本、高性能等需求，但利用固體廢物開發(fā)新型充填膠凝材料亦存在部分固體廢物沒有膠結(jié)能力以及對環(huán)境造成污染等問題[62,68]。因此，如何高效激發(fā)和活化固體廢物、固定其污染成分是該類膠凝材料的研發(fā)重點之一[7-8]。

圖4 養(yǎng)護齡期對礦山采空區(qū)膠結(jié)充填材料抗壓強度 的影響Fig.4 Effect of curing time on compressive strength of cemented filling materials for mine goaf

圖5 各因素對礦山采空區(qū)膠結(jié)充填材料塌落度的影響Fig.5 Effect of various factors on the slump of cemented filling materials for mine goaf

6 礦山采空區(qū)治理未來的發(fā)展趨勢

綜合上述我國礦山采空區(qū)治理現(xiàn)狀和存在的問題，本文對礦山采空區(qū)治理未來的發(fā)展方向進行了展望，具體分析如下：

(1) 建立礦山采空區(qū)賦存情況數(shù)據(jù)庫。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)廣泛應(yīng)用和5G時代的到來，加強相關(guān)建設(shè)生產(chǎn)部門的技術(shù)和經(jīng)濟投入，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立礦山采空區(qū)賦存情況數(shù)據(jù)庫，可為后續(xù)的工程建設(shè)節(jié)約探測費用，也將有助于政府對礦山采空區(qū)進行標(biāo)準(zhǔn)化安全管理。

(2) 加大高濃度膠結(jié)充填技術(shù)的推廣。高濃度充填技術(shù)已在礦山采空區(qū)治理中有所應(yīng)用，諸如膏體充填[62-64]可將漿體濃度提高至80%以上，在大量消納礦山尾礦、廢石的同時，膏體固化形成的充填體強度大、接頂率高，能有效控制礦山采空區(qū)的圍巖移動，以消除安全隱患。同時，高濃度膠結(jié)充填技術(shù)具有耗水量少、脫水率低、能顯著減少水資源的浪費并降低水污染風(fēng)險的優(yōu)勢，因此具有極大的推廣價值，是礦山采空區(qū)充填方法今后重點的研究方向。

(3) 建立并完善礦山采空區(qū)智能化處置系統(tǒng)[4]。在監(jiān)測采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性、處理采空區(qū)的過程中，應(yīng)積極引入聲發(fā)射技術(shù)、光纖傳感技術(shù)[11]等監(jiān)測技術(shù)、人工智能系統(tǒng)以及自動化裝備。利用人工智能系統(tǒng)對監(jiān)測采集的大量數(shù)據(jù)進行處理，在對采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性進行實時預(yù)測評價的同時，提供合適的采空區(qū)處置方案并結(jié)合自動化設(shè)備對施工的各環(huán)節(jié)進行精細化調(diào)整，這將極大地減少操作人員的失誤與工作量，以實現(xiàn)對采空區(qū)的精細化、智能化處置。

(4) 加大對低成本、多用途充填材料的研發(fā)力度。積極利用粉煤灰、煤矸石等礦山工業(yè)固體廢物，經(jīng)改性處理后，制備成低成本、能改善充填體性能的新型充填膠凝材料以替代水泥膠結(jié)材料，在降低充填成本、提高礦山采空區(qū)治理效果的同時，可實現(xiàn)對固體廢物資源化、無害化的處置。此外,充填材料中可以加入具有一定特殊功能的材料，諸如拌合一定量的冰等能降低深部礦井溫度的蓄冷介質(zhì)[75]或石英砂石等利于地?zé)崮荛_發(fā)的蓄熱材料[76]，從而擴展充填材料的功能,以滿足礦山采空區(qū)治理的不同需求。

(5) 加大對礦山采空區(qū)地下空間資源的充分利用。礦山采空區(qū)的治理不僅能消除采空隱患、減少地面塌陷，而且隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷推進，建設(shè)用地日益短缺，尤其在資源型地區(qū)，對采空區(qū)域地上、地下空間的開發(fā)利用已成為我國工程建設(shè)的關(guān)注重點，因此礦山采空區(qū)治理對空間的合理利用極具現(xiàn)實意義。經(jīng)處理達到安全使用標(biāo)準(zhǔn)的礦山采空區(qū)能夠向地下擴展人類生產(chǎn)、娛樂等活動空間，有助于緩解城市建設(shè)用地供給緊張的問題，而且綜合其隱蔽性好、隔離性好、抗震性好、溫度穩(wěn)定性好等特點，可建立地下軍事基地、精密儀器實驗室等地下構(gòu)筑物，用于確保國防、實驗室等重要設(shè)施的安全。由于地下空間開發(fā)形式多樣、不同城鎮(zhèn)對地下空間的需求不同，需要因地制宜合理開發(fā)礦山采空區(qū)，以實現(xiàn)對其空間資源的充分利用。

7 結(jié) 論

本文對我國礦山采空區(qū)治理研究現(xiàn)狀進行了概括，系統(tǒng)總結(jié)了礦山采空區(qū)賦存類型以及存在的安全問題，歸納了礦山采空區(qū)治理過程所涉及的關(guān)鍵方法，包括采空區(qū)探測、采空區(qū)穩(wěn)定性評價和采空區(qū)處置技術(shù)，重點闡述了礦山采空區(qū)充填技術(shù)方面的研究進展，并對礦山采空區(qū)治理的信息化、智能化和無廢化等發(fā)展趨勢進行了展望。主要得到以下幾點結(jié)論：

(1) 我國礦山采空區(qū)具有分布廣泛、數(shù)量巨大、類型豐富等特點，不斷誘發(fā)的生產(chǎn)安全事故和生態(tài)環(huán)境災(zāi)難已嚴(yán)重影響到國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。目前，礦山采空區(qū)安全和治理問題在各級政府的監(jiān)管下得到了有效控制，并在治理過程中綜合應(yīng)用了探測技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)和力學(xué)等理論知識，固體廢物資源化處置與礦山采空區(qū)治理的互補互惠也得到了長足發(fā)展。

(2) 礦山采空區(qū)探測手段與采空區(qū)賦存情況、治理工程需求等因素密切相關(guān)，選擇經(jīng)濟、合理的探測手段意義明顯。礦山采空區(qū)勘探以工程物探技術(shù)為主，多種礦山物探技術(shù)的綜合勘測是最理想的物探方式。測繪手段中的三維激光掃描法提高了測量工作的安全性和精度，并能夠動態(tài)監(jiān)測礦山采空區(qū)的空間狀況，可為礦山安全開采、采空區(qū)管理工作提供重要依據(jù)，具有良好的大規(guī)模工程應(yīng)用前景。

(3) 礦山采空區(qū)失穩(wěn)的動力災(zāi)害是礦山采空區(qū)治理的核心問題之一。綜合分析各類影響因素與礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，并通過理論計算、模型預(yù)測評價以及模擬法等現(xiàn)有的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法大多能有效解決目標(biāo)工程問題，其中以數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)，綜合力學(xué)理論、預(yù)測技術(shù)建立的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評價體系能夠獲得相對全面、可靠的評價結(jié)果。

(4) 礦山采空區(qū)可通過崩落法、封閉隔離法、支撐加固法和充填法等進行工程處置，其中充填法應(yīng)用范圍廣、處置效果好、對固體廢物利用率高，是處置礦山采空區(qū)的首選方法，但水泥的大量使用導(dǎo)致成本偏高。采用基于固體廢物的新型充填膠凝材料有望突破此局限，其在滿足膠結(jié)填充體力學(xué)性能的同時，可降低水泥用量和成本，也符合當(dāng)前“低碳”主題，是值得重點發(fā)展的方向之一。