石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性研究進展

肖 超, 鄭懷昌, 王 棟, 李 明, 張曉君, 劉志河

(山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 山東 淄博255091)

21世紀初，國內先后發(fā)生十余起石膏礦采空區(qū)大冒落，給人們人身安全帶來了巨大危害，對采空區(qū)進行穩(wěn)定評價是安全管理采空區(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，再加上石膏礦經濟效益低，很多礦山不能及時治理采空區(qū)，產生了大批未治理的采空區(qū).隨著時間的延續(xù)，采空區(qū)面積不斷變大，給礦山生產帶來了極大安全隱患[2].目前缺乏可靠、普適、系統(tǒng)的穩(wěn)定性評價方法，這也是采空區(qū)安全管理的重大障礙，及時進行石膏礦山穩(wěn)定性分析具有重要意義.

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

1 經典理論的采空區(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，運用巖體靜力學進行分析.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介質理論.

我國學者發(fā)展成為了概率積分法冒落巖塊鉸結論以及砌體梁平衡說及采場薄板礦壓理論，王學濱[3]根據(jù)漸進破壞的礦柱，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)的尖點突變模型，并基于此模型又分析預測了礦柱失穩(wěn)機理；吳啟紅[5]建立了基于突變理論的強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)定性支撐結構的演變對采空區(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，利用相似模擬實驗研發(fā)治理；基于尖點突變理論，分析不同形式下的采空區(qū)的穩(wěn)定性，頂板冒頂規(guī)律的準確預測在控制和消除相關問題是非常重要的，模糊邏輯被應用到煤礦預測冒頂規(guī)律[8].張曉君[9]認為礦柱支撐面積與礦柱面積之比和采深等因素對采空區(qū)的穩(wěn)定性影響很大.陳建平[10]通過對采空區(qū)的現(xiàn)場調查礦巖取樣及圍巖節(jié)理裂隙的綜合分析，對現(xiàn)有空區(qū)穩(wěn)定性進行了論證.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)定性模糊評判方法.鄭茂興[12]運用綜合評判法，依據(jù)綜合得分對采空區(qū)穩(wěn)定性進行合理劃分.

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；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聯(lián)系，所以有廣泛的應用價值.根據(jù)不同特征的采空區(qū)評價采空區(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),分析對比了長期強度對采空區(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]運用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D,對采空區(qū)的破壞過程以及采空區(qū)巖性對采空區(qū)頂板大面積冒落破壞過程進行了相應數(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的應力應變情況；運用FLAC3D軟件建立粘彈塑性本構模型(cvisc模型)，對石膏礦房礦柱的長期穩(wěn)定性進行了數(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力分布情況.

3 石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性動態(tài)研究

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

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

在采空區(qū)穩(wěn)定性長期強度方面，劉沐宇[21]采取室內純扭轉流變實驗的手段，探究了硬石膏的流變特性；Auvray等[22]分析了相對濕度造成礦柱強度的衰減；Biswas[23]針對不同時間的礦柱作出了應力測量,建立了風化厚度與礦柱時間之間的關系；Castellanza等[24]由水影響下石膏礦柱單軸壓縮實驗數(shù)據(jù)建立相應風化模型來預測礦柱穩(wěn)定時間.

巖石流變導致長期強度下降，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作用造成了損傷，長久的累計損傷更近一步弱化了支撐系統(tǒng)[26-27]；而且，采空區(qū)應力場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.

爆破對支撐采空區(qū)穩(wěn)定性的礦柱及頂板上的巖石產生了損傷，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)的尖點突變模型；易平[30]運用GeoFBARV4.0數(shù)值模擬軟件，對采空區(qū)圍巖破壞發(fā)展的動態(tài)數(shù)值過程進行模擬分析.地震、爆破等動力作為影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素之一，不但對采空區(qū)圍巖產生損傷和擾動，甚至引起采空區(qū)破壞和塌陷.楊金林等[31]通過改變擾動應力波峰值的大小，考查動力擾動強度的變化對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響.鄭懷昌[1]認為多因素耦合動態(tài)演化導致了采空區(qū)長期穩(wěn)定性研究的復雜性.

4 存在的問題

石膏礦采空區(qū)應該看成一個系統(tǒng)，深入探討石膏礦采空區(qū)礦柱-頂板-底板系統(tǒng)多因素耦合下動態(tài)演變機制，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新的臺階.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，還要考慮經濟因素.

(2)對石膏礦采空區(qū)無論靜態(tài)數(shù)值分析或動態(tài)分析，大多基于單因素分析.如何運用系統(tǒng)觀點，基于數(shù)學模型﹑數(shù)值模擬等定量科學手法，缺乏石膏礦采空區(qū)巖石流變﹑爆破﹑地下水﹑長期強度等多因素耦合模型及動態(tài)演變機制.

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

(4)當前大范圍利用數(shù)值模擬技術分析采空區(qū)穩(wěn)定性，對采空區(qū)安全管理具有重要的指導意義.但是，分析中所運用的巖石力學參數(shù)和采空區(qū)應力分布多是根據(jù)某一時間的靜態(tài)值.這種分析方法的準確程度有待進一步提高.需要加深石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性動態(tài)分析，建立基于常應力的石膏礦采空區(qū)動態(tài)破壞準則.

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

(2)數(shù)值模擬可以比較系統(tǒng)的研究在動應力作用下采空區(qū)圍巖的動應力場分布規(guī)律及動靜應力場的疊加作用機理，可以對FLAC3D自定義本構模型進行二次開發(fā)，將動態(tài)數(shù)值模擬編入FLAC3D模擬中，也可運用虛擬現(xiàn)實等軟件模擬宏觀的應力場變化與微觀的巖石損傷累積關系.

(3)國內外分別從巖石流變、爆破擾動等單因素方面對采空區(qū)及地下空間工程的長期穩(wěn)定性進行了相關研究，也有相關學者通過流變擾動效應試驗開展了巖石處于強度鄰域時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﹑長期強度等多因素進行耦合探究，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力場與爆破沖擊能量場的耦合“力場”，隨開采推進，對于特定研究點而言也是處于衰減狀態(tài).運用能量觀點，可以建立適應常應力狀態(tài)的動態(tài)破壞準則.

(5)可以把石膏礦采空區(qū)看成一個系統(tǒng)，運用科學數(shù)值方法建立量化的以時間﹑應力狀態(tài)﹑損傷特征﹑巖石含水率﹑擾動次數(shù)為變量和彈模﹑長期強度為結果的時域曲面和石膏礦采空區(qū)多因素耦合模型，建立動態(tài)演變機制.

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