复杂采空区稳定性及近区开采安全性的探讨

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[摘 要]矿产资源是我国的重要资源，目前很多矿区的采空区存在着形状复杂、数量多、体积大等特点，对于矿区的安全生产有着极大的威胁。因此，要想在采空区近区进行安全的开采工作，应当对采空区探测技术进行研究，分析采空区群环境下矿柱、空区顶板等岩体结构的稳定性。对采空区利用足够强度填充体进行处理，增强复杂采空区的稳定性，实现采空区近区的安全开采。

[关键词]复杂采空区;稳定性;近区开采

中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）23-0118-01

前言：在当前的社会中，矿产资源是最为重要的工业原料和一次性能源来源，矿产资源的开发利用效率，对于社会经济发展有着至关重要的影响。不过，我国当前的矿产资源开采管控程度不足，很多矿区复杂采空区稳定性不足，存在着很大的安全风险，尤其是在采空区近区开采中，时常会发生一些安全事故，造成了严重的财产损失和人员伤亡。同时，由于采空区地下缺乏稳定支撑，在一些极端天气的影响下，很容易引发塌方、山体滑坡、泥石流等自然灾害。

一、 矿区基本情况

本文以某山矿矿区为例，地下矿床的开采方式为分段空场法，采空区多大数百万立方米，数量超过200个，叫小体积的采空区体积在数百立方米，体积较大的采空区则超过了10万立方米。采空区形状十分复杂，部分空区面积超过4000m2面积和100m高度。采空区顶板冒落、矿主片帮情况较为严重，很多采空区近区矿柱产生开裂破坏，使得采空区稳定性较差，近区开采危险性较高。

二、 范围采空区群探测成像

采空区主要指的是地下矿产等资源开采之后，留下的空洞空间，在过去矿区开采中，对于开采后留下的采空区，往往不进行其它处理，因而容易引发一些安全事故[1]。对此，为了避免采空区发生塌方等事故，应对其进行探测成像，以了解内部具体情况。主要利用电法探测的方法，包括大地电磁测深、瞬变电磁法、激发极化法、电阻率法等，均具有较为良好的效果。对于重要采空区，可利用激光探测技术进行探测，具有直观成像、探测精度高等优点。探测中，对采空区信息进行扫描和收集。在扫描之后，会得到一些数据点集，这些数据点集往往是无序、杂乱的坐标点，因而对于复杂采空区来说，难以对其三位形态进行直观观察。所以，在探测扫描之后，应利用采空区成像处理技术，对扫描结果进行处理。

三、 采空区群环境下关键岩体稳定性

如果将采空区群环境视为一栋建筑，那么其框架就是采空区的间柱、顶板等结构，采空区群的稳定性，与这些框架的力学稳定性有着直接的联系。对此，在采空区顶板的合理厚度、安全性等参数的分析当中，可以采用有限元数值模拟法、长宽比梁板法、厚跨比法、荷载传递线交汇法、鲁佩涅伊特法、结构力学法等方法进行分析，以此对采空区顶板安全厚度进行确定。对于采空区矿柱动力响应特征，可利用数值方法对爆破振动等动载扰动的情况进行研究[2]。通过这种方法，能够对采空区矿柱的破坏防护、力学规律等提供帮助和参考。此外，对于采空区的稳定性，可以通过废石、围岩耦合作用力学模型进行分析。以此为基础，对楔体模型进行建立，从而进一步确定采空区稳定性。

四、 采空区掩体强度填充

由于复杂采空区范围较大，同时人员无法进入部分采空区，对此，采用填充的方法，能够提高采空区稳定性，降低安全事故的发证纪律。同时，采用填充的方法，还可以对采矿尾砂进行利用。在实际应用中，可采用尾砂胶结填充的方法进行处理，利用水泥浆等胶结剂、不脱泥或脱泥尾砂，按照一定比例混合成为硬化固体，内部存在气泡、微孔隙、微裂纹，其力学特征与传统的混凝土、岩石不同[3]。由于填充体具有相对较软的介质，因而能够达到小于岩石102以上数量级的形变模量。同时，由于填充体具有多于岩石的孔隙、裂缝等损伤缺陷，因而强度比岩石低，具有柔性形变的特质。不过，由于尾砂填充料浆通过自流输送到井下之后，通常会达到60%到75%左右的浓度，因而需要进行脱水处理。在脱水过程中会发生离析，从而使其强度低于混凝土。尾砂填充体的骨料采用尾砂，是一种多相凝胶复合的材料，具有非线性的力学性质，而填充体的配比不同，其力学特性、破坏规律等也会不同。填充后，才空气岩体、填充体之间，能够形成相互的力学作用，维持能量平衡。岩体具有越大的弹性模量和越高的刚度，采空区就会具有更强的稳定性。

五、 采空区近区开采安全性

通过对采空区近区安全开采建立力学分析模型，结果显示，矿柱宽度、采场宽度、开采深度等，都会对矿柱应力大小产生影响。开采高度和矿柱宽度成反比，高度越高，宽度越小，稳定性越低。矿柱宽度和矿柱内垂直压应力、水平剪应力成正比，不过不会对侧向压应力产生太大影响。根据矿区采空区的实际情况，对保安矿柱的尺寸进行计算，通常情况下，70m以下的开采中段高度，应至少设置12m以上的保安矿柱宽度[4]。利用极限平衡分析法对填充体和填充区域围岩的力学作用进行分析，对采空区近区开采填充体的强度、暴露面积等进行计算。根据实际情况通常控制3500m2以下的填充体暴露面积，同时填充体的配比可采用1：10的比例进行设置，能够满足复杂采空区近区开采安全性的要求。

结论：矿区采空区通常十分复杂，并且具有较多的数量和较大的体积，利用采空区探测方法，对采空区进行探测，了解其地下具体情况，分析采空区群环境下，矿柱、顶板等关键的岩体结构的稳定性。针对矿区的实际情况，选择采用尾砂胶结填充体对采空区进行填充，增强采空区的稳定性。对采空区填充体合理的暴露面积、矿柱尺寸等进行研究，使其更好的与周围岩体相匹配，增强复杂采空区稳定性，确保近区开采的安全性。

参考文献：

[1] 寇向宇，贾明涛，王李管，吴霞. 基于CMS及DIMINE-FLAC～（3D）耦合技术的采空区稳定性分析与评价[J]. 矿业工程研究，2010，01：31-35.

[2] 吴启红，彭振斌，陈科平，彭文祥，陈乐求. 矿山采空区稳定性二级模糊综合评判[J]. 中南大学学报（自然科学版），2010，02：661-667.

[3] 赵延林，吴启红，王卫军，万文，赵伏军. 基于突变理论的采空区重叠顶板稳定性强度折减法及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2010，07：1424-1434.

[4] 倪勇，王述红，昝世明. 在不同顶板厚度下采空区安全开采跨度确定方法及应用[J]. 水利与建筑工程学报，2015，05：31-35+140.