DOI:10.16283/j.cnki.hgkwyjg.2013.09.012
·试验研究· ＩＭ＆Ｐ化工矿物与加工 ２１３年第９期０
（）７５０００５０８２４２０１３０９２０１０ 文章编号：－－－
采空区稳定性主要影响因素分析
郑怀昌１，张军１李明１，刘志河１，苗强２，
（山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博２１．５０４９；５
）枣庄市峄城区建材局，山东枣庄２７３００２．７
＊
并采用数值模拟软件根据对石膏矿山采空区的现场调查，总结了影响此类采空区整体稳定性的主要因素， 摘要：
Ｄ对关键因素进行了验证分析，３提出了采用房柱采矿法开采的石膏类矿山预防采空区垮塌的措施，对类似矿山ＡＣＦＬ
的设计与安全生产有一定的指导意义。
关键词：石膏矿山；房柱采矿法；采空区；稳定性分析；影响因素中图分类号：Ｔ３２５．３ 文献标识码：ＡＤ
０ 引言
我国地下石膏矿山大多采用房柱法开采；在地表允许陷落的地区，采用房柱式崩落法，反之则采用房柱式空场法。由于石膏经济价值低及开采不规范等原因，所开采的区域大多形成了大面积的采空区，开采历史较长的矿山尤甚。从各矿山实际情况看，新形成的采空区状况相对完好，可人员通行、作业等，而某些开采历史较长的老采空区，矿柱片帮损毁，顶板冒落严重，整体稳定性情况差，存在突然冒落和垮塌的危险，而且因应力的传递转移给相邻阶段及生产矿块，存在极大安全隐患。本文在调研山东部分石膏矿的基础上，结合数值模拟分析了临沂和枣庄两石膏矿影响采空区稳定的关键因素。
１ 采空区稳定性影响因素
实地调查表明，影响采空区稳定性的因素较多，如工程及水文地质，矿块构成要素，矿体埋藏深度，隔离矿柱及采场内矿柱设计合理与否，爆破对矿体与围岩的震动和冲击，采空区形成时间长短，护顶及护底层的厚度，地下水、节理、裂隙等结构面的规模和分布，断层等地质构造的发育情况等因素对具体矿山采空区影响差异较大，主要归纳如下。
１ 矿柱稳定性１．
矿柱是影响采空区稳定与否的关键因素，采空区大面积垮塌多由矿柱失稳坍塌导致，而影响矿柱稳定的因素很多，如矿柱承受荷载情况、覆岩层厚度、矿柱宽高比与长径比、矿柱与矿房结构参数的相互协调性、矿柱内构造分布、矿柱自身强度、尺寸、几何形状等，这些因素相互渗透，密切相关，在其综合作用下，矿柱表现出来的稳定性往往是不确定的，因此矿山设计多采用类比法、经验法来确定矿柱结构参数。通过长期的生产实践、模型实验和数值分析研究等，人们逐渐认识到矿柱的几何形状、布置形式、长宽比等与矿柱承受应力、实际强度、整体矿柱安全系数等均呈现一定变化规律，如采场整体安全的矿柱安全系数即矿柱承载强度不应超过矿柱极限抗压强度的０．６９３倍，作为房柱法采场矿柱整体安全的强度准则，可
１、２、３、４］
。用于指导矿柱的设计［
１．２ 矿体埋藏深度
根据面积承载力理论，作用于矿体顶板及矿
５］
，且柱上的应力等于所承载的上覆岩层的自重［
此应力的大小与上覆岩层厚度成正比，故矿体埋藏深度越大，作用于矿体顶板的垂直压应力越大，
６］
。当埋藏深度对顶板与矿柱的稳定性构成威胁［
０１１５１３２０＊收稿日期： －－
，李明（副教授，硕导，山东理工大学资源与环境工程学院从事采矿工程及尾矿库安全的教学男，采矿工程博士，７０１９ 作者简介：－） 与科研工作。
·２０·
大时，若矿岩强度小，故矿柱安全支撑的顶板面积就小；若矿岩强度大，则矿柱安全支撑的顶板面积就大。随着开采深度不断加大，矿岩自身强度小时若仍采用房柱式空场法开采，则生产工艺方面难以接受较小的顶板暴露面积，反之采场整体安全性降低，加剧了护顶、护底膏层破坏，增大了矿柱崩塌、顶板冒落的安全隐患。３ 采空区规模１．
采用房柱法开采多年的石膏矿山，往往形成规格、形式各异的大面积采空区未处理，矿柱亦未按计划及时回收，如枣庄吴林石膏矿２００１年实施
２
；由于复人工强制放顶采空区的面积为０．９万ｍ
地下水对于矿山地下开采的影响害大于利，特别是对于石膏类等中软弱岩体，其物理力学性质决定了自身稳定性差，加之此类矿岩吸湿与吸水性较强，吸水后矿岩变软、膨胀、崩解等极大地降低了矿岩的稳定性。且大部分石膏矿层中夹有页岩、泥岩，遇水后抗压强度降低，极易发生“吐出”及上部膏块滑动的情况。若底板浸水，将出现矿柱整体下陷或沿倾向滑动，从而引起覆岩层失稳而冒落。相关研究的实验结果表明，石膏矿石泡水后试件的平均体积质量是新鲜石膏的石膏矿石浸泡水后试件的平均抗压强度和１５％；１
抗拉强度分别为新鲜石膏的７８％和６２％。矿柱长期浸泡在水中，其安全系数下降较大，甚至失去长期支撑顶板的作用，对采空区稳定性影响较
９］
。大［
采，该矿于２００２年５月突然塌陷二水平以下采空
２
，区面积为３２２万ｍ００７年１１月在三号下山下２
，由部二水平之上采空区冒落面积为２．６７万ｍ
于监控等措施及时、恰当，均未出现人身伤害事故。临沂玉荣石膏矿１＃、５＃井集中服务的４＃、区段－１００ｍ水平以上形成采空区面积大约是
２
未处理。采空区面积是造成采空区冒落１万ｍ２
１．６ 地质构造的影响
地质构造的存在状况直接影响地下矿山采空区的稳定性，由于构造活动，岩体内部形成了各种低强度的不连续面，如断层、褶皱、节理、片理及次生裂隙等，且形成了各种大小和形态各异的结构体，其频率、产状、规模、粗糙度、充填物和张开度等决定了矿岩的强度，矿岩的结构特性受控于结构面和结构体的组合，在一定条件下断裂破碎带阻隔了围岩变形和采动应力传播，从而加剧了断裂与开挖之间及断裂破碎带的围岩变形和应力集
１０］
。中，进而影响到采空区的整体稳定性［
的重要因素，根据山东境内石膏矿山几次人工强
２
制放顶经验得知，当采空区暴露面积在２０００ｍ
以下时，一般不会出现顶板垮塌等安全问题；当暴
２
时处理采空区比较容易露面积在５０００～６０００ｍ
控制；但当采空区暴露面积过大时，人工强制放顶就难以控制，且一旦垮塌，危害巨大。４ 采空区存在时间１．
调查发现枣庄与临沂境内石膏矿山建成投产的时间各异，因此各矿采空区形成的时间各不相同，如枣庄吴林石膏矿１现有规９８２年建成投产，；临沂玉荣模最大的采空区存在最长年限为２０ａ；平邑宝石膏矿现有采空区最长存在年限为１５ａ。在荷元石膏矿现有采空区存在最长年限为１７ａ载的长期作用下，石膏的流变特性随时间增长，变形增大，而岩体则随时间增长强度降低。硬石膏，此值仅为硬石膏的长期强度为τ∞＝２．７７ＭＰａ瞬时强度的６６％。根据长期强度可以判断岩体在长期荷载作用下的流变破坏情况，对于采空区
７］
。根据生产实践，的长期稳定性非常重要［一般
１．７ 围岩的稳定性
石膏类矿山上下盘围岩一般为泥岩、砂质泥岩、泥灰岩、页岩、粉砂岩、砂质粘土等，层理明显，各矿山会因赋存条件不同而略有差异，此类围岩抗风化能力差，裸露在空气中易风化、潮解、易泥化。若作为直接顶板因其抗压与抗拉强度小，稳定性较差，容易发生冒落；作为底板当承受较大压力时易产生塑性流动，表现为矿柱被压入底板围岩中，矿房内底板则发生开裂、隆起等破坏现象。８ 护顶层厚度１．
基于石膏矿体的赋存条件，生产矿山一般都留设一定厚度的护顶和护底膏层作为矿房的直接顶板与底板，用以与围岩隔离并对围岩起承托作用，维护采场顶板与底板的稳定，护顶与护底膏层的留设厚度亦因各矿山实际情况不同而各异，例如山东泰安汶阳石膏矿要求留设不小于１．５ｍ
采空区整体稳采空区存在时间达到１５～２０ａ时，定性往往就接近了由稳定到不稳定过渡的临界
８］
。值［
１．５ 地下水的影响
·２１·
厚的护顶层，护底层厚度要一般厚１．５～１．９ｍ，求不小于１．０ｍ。山东枣庄吴林石膏矿设计要求矿山实际留设达到４～５护顶膏层不小于１．０ｍ，有的部位护底膏层要求不小于０．５ｍ厚，ｍ厚，
但大部分区域未留设护底膏留设达到３ｍ厚，
层，或者被“起底”采掉。山东临沂玉荣石膏矿为避免顶板隔水层遭到破坏时上部灰岩裂隙岩溶水护威胁矿坑安全，设计护顶膏层厚度不小于２ｍ，底膏层厚度不小于１．０ｍ。多年开采实践证明，矿房的局部冒落多因留设的护顶层厚度不合理造成，因此在生产过程中要留设足够尺寸的护顶膏
１１、１２］
。层［
图２可知，在开采范围内，垂直或水由图１、
平应力均小于矿柱的强度，但各尺寸矿柱呈现不同程度的应力集中，其程度的大小与采空区面积和矿柱尺寸有关。在采深相同的情况下，矿柱尺寸越小，应力集中越明显。在矿柱完整的情况下，其支承能力良好，且不会发生破坏，但在开采过程中，由于开采、节理弱面等因素的影响，不可避免会造成矿柱的不完整，进而对护顶层的稳定性产生影响。
２ 围岩稳定性
分析２．
２ 采空区稳定性分析工程实例
３Ｄ
模拟软件对山东枣庄吴林石膏矿利用Ｆｌａｃ
和山东临沂玉荣石膏矿的采空区进行数值计算并分析。吴林石膏矿Ⅸ层膏埋藏较浅，计算模型中包含至地表的全部岩层，建立的计算模拟模型尺玉荣石膏矿埋藏较寸为２００ｍ×２００ｍ×２５０ｍ；深，建立的模型尺寸为３５０ｍ×６００ｍ×３２０ｍ。为简化模型，规范计算，在不影响计算结果的前提下进行概化处理。１ 矿柱稳定性分析２．
结合吴林石膏矿采空区现场实际，在模拟开留设５ｍ采过程中Ⅸ层膏矿房的尺寸为６ｍ宽，厚的护顶层，矿柱的留设尺寸分别为１ｍ护底层，１０ｍ×８ｍ、１５ｍ×８ｍ、２０ｍ×８ｍ。６ｍ×８ｍ、
通过对不同尺寸矿柱受力情况分析，研究采空区稳定性，如图１、图２和图３所示
。
图３ 各类矿柱底板受力状况
由图３可以看出，不同尺寸的矿柱底板呈现出不同程度的应力集中，矿柱尺寸越小，其存在区域的底板应力集中越明显，底板范围内应力集中的最大值可达到４ＭＰａ左右。护底层完整的情况下，该应力不会破坏底板；由于膏层的围岩属性较弱，若无护底层或者护底层不完整的部位，会产生底鼓现象。图４为采空区围岩ｓｙ应力分布
。ｙ
图４ 采空区围岩ｓｙ应力分布ｙ
图１ 各类矿柱及矿柱范围内ｓｚｚ
应力分布
由图４可知，由于Ⅸ层膏埋深较浅，随着矿体的开采，虽然对周围及上覆岩层有一定影响，但对其稳定性不构成威胁。因护顶层厚度较大，从应力分布云图上可以看出，开采对上覆岩层原有的应力分布状况影响并不明显。采空区的四周虽有一定的应力集中，但集中程度很小，其值约为１．８。ＭＰａ
图２ 矿柱范围内ｓｘｘ应力分布
２．３ 采空区对下层石膏开采的影响
·２２·
吴林石膏矿ＩＸ层膏与即将开采的下层膏之通过模拟采空区对下部岩层的应力间相距５０ｍ，与位移分布，分析上下膏层之间的影响程度。图图６分别为采空区对下部岩层的应力和位移的５、影响
。
段。破坏形式为拉伸破坏，主要原因为该区域埋深较大，矿房的护底层受挤压有底鼓趋势。护顶
７
，约为护顶层的层承受最大的压力为１．Ｐ１×１０ａ７
／主要集中在区域２最大压力１．Ｐ６２×１０ａ的２３，
的下部范围。但其破坏程度及范围比护底层略大，破坏形式为拉伸、剪切破坏，基本集中在区域护底层的稳定性分析，２的下部。通过对护顶层、
可知其存在对矿房的稳定性发挥至关重要的作用
。
图５
大尺寸矿柱采空区位移分布
图８ 护底层ｓｚｚ应力分布
３ 防止采空区垮塌的对策措施
大化小”１ 将老采空区“３．
对于形成时间长、规模大的采空区，为避免大面积的采空区突然垮塌，或降低大面积顶板垮塌
图６ 小尺寸矿柱采空区位移分布从图５与图６可知，随着矿柱尺寸的减小，采空区对下部岩层的影响范围逐渐扩大，但最大值亦未影响到下层膏，而且位移变化值很小。由此可见，在没有较大地质构造的情况下，上部采空区对下层石膏的开采不会产生大的影响。４ 护顶及护底层稳定性分析２．
玉荣石膏矿根据主要采空区分布特点将其面积较集中的采空区划分为４个区域，如图７。该矿开采膏层埋藏较深，通过模拟分析验证护顶及护底膏层的稳定与埋藏深度的关系，见图８
。
的危害程度，矿山在生产实践中主要采用如下措施：
要求充填宽度一般不小．在局部位置充填，ａ
达到至少两个矿房的宽度，于２保证起到隔０ｍ，断应力传递与防冲击气浪的作用，这种方法最为有效，但主要采用干式充填，耗时耗力且充填成本高，尤其是对于经济价值低的石膏矿山来说在经济上难以承受，因此只能选择小范围局部重点位置进行充填。
在顶板适当的位置拉槽，主要是基于顶板ｂ．
大面积垮塌时存在的拉动作用造成相邻矿房顶板的连续破坏垮塌，在适当位置顶板中穿透护顶膏层打２～３排上向浅孔，施行预裂爆破，相当于在顶板矿岩中拉开一条预裂槽，用于阻断可能的大面积空区垮冒，在拉槽时应尽量少装药，减小爆震力的影响，避免破坏相邻护顶膏层，此方法缺点是人为破坏了顶板的完整性，上向凿岩工程量大，尤其是采高大时凿岩困难。２ 规范留设隔离矿柱３．
图７ 三维模型中采空区分布
由图８可以看出，区域１、发生４护底层完好，破坏的区域主要集中在区域２及区域３的部分地
隔离矿柱对于隔断井下应力传递，防止大面积采空区垮落起了至关重要的作用，因此矿床开采时应严格按照设计要求留设足够尺寸的盘区隔
·２３·
离矿柱，盘区隔离矿柱沿走向方向一般不应少于沿倾斜方向不应少于３同时０ｍ宽，０～４０ｍ宽，２
在新采空区与老采空区之间应留设３０～４０ｍ宽的隔离矿柱，生产过程中避免破坏隔离矿柱的完整性或人为缩小隔离矿柱的尺寸，从而使隔离矿柱发挥应有的阻隔作用，保障相邻盘区进而整个矿井生产安全。起底”３ 杜绝二次“３．
部分石膏矿山在生产过程中未按照设计要求规范开采，在已经形成的采空区内局部石膏质量较好的部位进行二次“起底”开采，即在矿房内把作为底板的护底膏层开采掉。有的矿山护底膏层局部甚至更厚。这种“厚度能达到３～４ｍ，起底”开采人为的加高了房间矿柱，增大了房间矿柱的挠度，削弱了矿柱的支撑强度，使采空区冒落加速。
４ 综合治理采空区３．
目前多采用封闭、充填、崩落、加固等措施加强对采空区的治理，避免超宽、超高、越界开采，消除安全隐患。对于不稳定的采空区，可以通过打眼切顶崩落矿柱等方法强制性的崩落顶板释放压力，对暂时不具备处理条件的采空区，应采用视频与声发射等仪器监测与人工监测方法相结合，监控矿柱变形、开裂、片帮、底鼓等，做到有效监测，同时降低了投资与施工难度。４ 结论
石膏矿山采空区的整体稳定性是一个由多项影响因素共同决定的安全系统，其中各影响因素又构成了该安全系统中的子系统，通过结合数值模拟分析，从矿柱、护顶与护底层、埋藏深度及围岩等方面形象直观地进一步验证了对于采用房柱采矿法的石膏类矿山采空区稳定性的重要性，为此类矿山设计与规范生产提供了借鉴。５ 参考文献
［］刘爱华，刘志详．基于采场整体安全的矿柱科学设计赵国彦，１
（）：［］９００５，１７８３８５．９２Ｊ．地下空间与工程学报，－
［］黄英华，徐必根，唐绍辉．房柱法开采矿山采空区失稳模式及２
（）：］机理［矿业研究与开发，００９，２９４４６．２２２Ｊ．－
［］］邹学艳．矩形矿柱及其岩石力学分析和评价［３Ｊ．湖南有色金（）：属，４．００３，１９１１２－
［］窦源东，杨玉泉．矿柱失稳突变学机理及对夏甸金矿郭建军，４
（）：］矿柱稳定性分析［黄金，２００８，２９１１４８．２Ｊ．２－
［］］张世雄，曾国柱，任高峰．房柱法房间矿柱回采的研究［铜５Ｊ．（）：业工程，１００３，３．４９２－
［］］张钦礼，朱永刚．采空区顶板事故分析与安全管理［采矿技６Ｊ．（）：术，３００６，６３４０４４．３２－
］［］徐长佑．硬石膏的流变特性及其长期强度的确定［刘沐宇，Ｊ．７
（）：中国矿业，５０００，９２３５．５２－
［］］李明，李立群，郑怀昌，等．某石膏矿采空区处理的实践［化８Ｊ．（）：工矿物与加工，０１１４３５．３３２－
［］，］廖文景．采石膏矿采空区积水对矿柱稳定性的影响分析［９Ｊ（）：矿技术，５００９，９３２３．５２－
［］施斌，徐玉琳，等．南京石膏矿特大突水灾害机理研王光亚，１０
（）：］究［工程地质学报，６００８，１６５０５１５６．６Ｊ．２－
［］徐必根，黄英华，刘小林．护顶层对石膏矿采空区稳定性影响１１
（）：］研究［矿业研究与开发，００７，２７５０２．２２Ｊ．２－
［］周涛，］刘悟辉，戴塔根．邵东石膏矿采空区稳定性评价［１２Ｊ．（）：矿冶工程，１００７，２７６１４．１２－
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