某石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價

李國新

（湖南金水塘礦業(yè)有限責任公司，湖南 衡陽 421622）

某石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價

李國新

（湖南金水塘礦業(yè)有限責任公司，湖南 衡陽 421622）

將集對理論應(yīng)用至某膏體礦山采空區(qū)穩(wěn)定評價中，通過建立單個礦山采空區(qū)因素值與標準值之間的同、異、反聯(lián)系度，從而得到該礦山采空區(qū)的評價值，為礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供了一條新的思路。

集對理論；聯(lián)系度；采空區(qū)穩(wěn)定性

目前，我國地下開采的石膏礦山普遍采用房柱法開采，留設(shè)的礦柱維持著整個采場的穩(wěn)定，同時，不可避免地遺留了大量的采空區(qū)。因此，采空區(qū)作為礦山安全生產(chǎn)的重大隱患之一，對采空區(qū)穩(wěn)定性進行合理評價，對礦山安全生產(chǎn)有著重要的意義［1］。

1 石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外專家對采空區(qū)穩(wěn)定性的研究方法主要集中運用數(shù)學預(yù)測分析方法、傳統(tǒng)力學分析方法、數(shù)值模擬方法等。

1.數(shù)學預(yù)測分析方法。該類方法主要以層次分析法、最大隸屬度等為主，其主要是通過分析影響采空區(qū)穩(wěn)定性的各個因素做出定量或定性分析，最終對采空區(qū)穩(wěn)定性做出判斷。

2.傳統(tǒng)力學分析方法。該方法主要是以彈性力學、結(jié)構(gòu)力學等傳統(tǒng)力學為代表，將礦山原有復(fù)雜的模型進行簡化，結(jié)合傳統(tǒng)的經(jīng)典力學公式，計算出相關(guān)安全系數(shù)，判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性。徐必根等［2］在傳統(tǒng)力學模型的基礎(chǔ)上，以湖南常德某礦山的實測數(shù)據(jù)為例，分析了護頂層礦層穩(wěn)定性的影響因素，根據(jù)該石膏礦開采結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出合理的護頂層厚度，為石膏礦山采場護頂層厚度的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

3.數(shù)值模擬方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，借助離散元FLAC，有限元軟件ANSYS等計算機數(shù)值模擬軟件，通過對空區(qū)地質(zhì)、力學環(huán)境簡化，設(shè)置一定的模擬條件，進而得到了安全系數(shù)，實現(xiàn)對采空區(qū)穩(wěn)定性的判斷。廖文景［3］以湖南某石膏礦為例，結(jié)合室內(nèi)力學參數(shù)試驗，采用二維彈塑性有限元分析程序，對比分析在干燥采場和泡水采場的礦柱穩(wěn)定性，從而分析了水對采場采空區(qū)的影響。

4.經(jīng)驗類比法。即參照同類礦山采空區(qū)地質(zhì)情況，比如，采空區(qū)冒落前出現(xiàn)的頂板掉渣等現(xiàn)象，進而判斷采空區(qū)穩(wěn)定性。

礦山現(xiàn)有的采空區(qū)評價方法往往只選取少量信息，難以采集到影響采空區(qū)穩(wěn)定性的全部信息，難以全面、準確地反映現(xiàn)場采空區(qū)情況。比如，傳統(tǒng)力學模型，往往將礦山的地質(zhì)條件進行簡化，然后運用相關(guān)力學計算出采空區(qū)頂板或者頂板的安全系數(shù)，進而判斷采空區(qū)的安全性。此類方法雖然在一定程度上解決了采空區(qū)“信息”綜合過程，但往往簡化模型的參數(shù)選取的代表性有待斟酌。而數(shù)值模擬方法，該類方法對技術(shù)人員的計算機水平要求較高，很難在普通的技術(shù)領(lǐng)域推廣，存在一定的局限性。因此，如何將采空區(qū)穩(wěn)定性“特征”信息進行最大程度綜合，方便易行，需針對實際情況采取合理的治理措施。

2 集對理論簡介

2.1 集對分析原理

集對分析作為一種用來處理不確定性模糊耦合問題的系統(tǒng)分析方法，是由我國學者趙克勤提出，關(guān)鍵是處理不確定性與確定性這一系統(tǒng)［4～6］。

2.2 聯(lián)系度

對于2個給定的集合組成的集對H＝｛A，B｝，在某個具體問題W中進行分析，共得到N個特征，其中，有S個特征相同，Q個特征對立，在其余的P個特征（N＝S＋P＋Q）上關(guān)系不確定，此集對聯(lián)系度μ：

其中，a、b、c分別稱為集對的同一度、差異度和對立度，i，j分別為差異度及對立度所對應(yīng)的系數(shù)，一般i取值為0.8，j取值為－1。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分類影響因素分析

采空區(qū)失穩(wěn)歸根到底是礦柱或圍巖的失穩(wěn)。石膏礦山采空區(qū)穩(wěn)定性受多種因素影響，結(jié)合國內(nèi)外研究成果及采空區(qū)管理的實際經(jīng)驗，采空區(qū)穩(wěn)定性分類應(yīng)重點考慮：采空區(qū)存在時間、采空區(qū)的面積、采空區(qū)礦柱面積比率、礦柱寬高比、采空區(qū)是否有水、采空區(qū)當前地壓及周邊情況等標志。

1.采空區(qū)賦存時間。軟弱的石膏，在地應(yīng)力及二次應(yīng)力擾動的耦合作用下，具有變形隨時間延長而其強度變低的流變特性。根據(jù)相關(guān)研究表明，當采空區(qū)存在時間超過10 a，礦柱支撐能力減弱，采空區(qū)穩(wěn)定性難以保證。

2.采空區(qū)面積。根據(jù)相關(guān)研究表明，當石膏礦采空區(qū)規(guī)模達到20 000 m2時，其穩(wěn)定性將受到明顯不利影響。結(jié)合石膏礦采空區(qū)人工放頂?shù)膶嶋H經(jīng)驗，當采空區(qū)面積小于2 000 m2時，采空區(qū)冒落的可能性不大。

3.礦柱面積比率。結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，當?shù)V柱面積比率在65%以上時，礦柱可維持較高的支撐強度，采空區(qū)一般不易發(fā)生大面積地壓；當?shù)V柱面積比率小于50%、礦柱較稀疏時，采空區(qū)失穩(wěn)機率較大。

4.礦柱寬高比。根據(jù)相關(guān)研究，當?shù)V柱寬高比大于1∶1時，礦柱的穩(wěn)定性好，支撐能力強，而當?shù)V柱寬高比小于1∶2時，礦柱尺寸偏小，失穩(wěn)機率大，對采空區(qū)的穩(wěn)定性不利。

5.采空區(qū)當前地壓。在若干影響因素的共同作用下，石膏礦山采空區(qū)在不同的時間段內(nèi)，一般會有一定的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

6.采空區(qū)積水因素。在現(xiàn)有的石膏礦開采方法中，主要是以房柱法為主。因此，采空區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)由礦房和礦柱兩個基本要素共同決定。石膏礦內(nèi)積水后，石膏石泡水后的抗壓及抗拉強度嚴重下降，石膏礦柱的地基安全系數(shù)弱化，對采空區(qū)穩(wěn)定性有較大影響。

7.采空區(qū)周邊情況。周圍是否存在冒落區(qū)、采空區(qū)所處的應(yīng)力環(huán)境如何、有無斷層等不利地質(zhì)條件對采空區(qū)的穩(wěn)定性均有一定影響。斷層、節(jié)理弱面或其它地質(zhì)構(gòu)造因素對巖體強度弱化，同時外界的爆破震動等因素也對采空區(qū)穩(wěn)定性造成不利影響。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性分類

考慮到分類標志多，影響程度不同，且各個分類標志本身存在不同情況，總結(jié)礦山現(xiàn)有實踐經(jīng)驗，現(xiàn)將采空區(qū)穩(wěn)定性劃分整理成表，詳情見表1。

表1 采空區(qū)穩(wěn)定性分類表

5 工程案例

以某石膏礦采空區(qū)為例，該采空區(qū)形成于2008年，埋深約300 m，采空區(qū)面積15 000 m2。礦山現(xiàn)有的采礦方法為房柱法采礦法，礦房長度為15 m，寬10 m，高9 m，礦柱尺寸多為（15～30）m×（6～10）m。同時，該采空區(qū)局部礦柱有輕微的開裂現(xiàn)象，頂、底板均無明顯變化。該采空區(qū)內(nèi)基本無水，周邊也無地質(zhì)構(gòu)造等不利情況，實測指標情況見表2。

表2 實測指標值

根據(jù)集對理論原理，并結(jié)合表2，進行某石膏礦采空區(qū)的處理，得出該采空區(qū)的評價值，其結(jié)果見表3。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價結(jié)果

由于u（Aj，B3）最大，其聯(lián)系度最大，故評價結(jié)果為Ⅲ級。

6 結(jié) 論

1.采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素很多，從采空區(qū)賦存時間、采空區(qū)面積、礦柱寬高比等幾個因素出發(fā)，分析影響礦山現(xiàn)有采空區(qū)穩(wěn)定性的因素，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，將采空區(qū)穩(wěn)定性劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個標準，為采空區(qū)穩(wěn)定性劃分提供了一定的技術(shù)支持。

2.將某石膏礦采空區(qū)的具體指標與各個分類對應(yīng)，得出采空區(qū)穩(wěn)定性集對理論穩(wěn)定性評價值同、異、反聯(lián)系度，得出該穩(wěn)定性評價為Ⅲ級，該理論方法不僅為礦山穩(wěn)定性評價提供了新的思路，同時為礦山進一步安全管理和相關(guān)生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。

［1］ 鄭茂興，陳明磊，楊久富，等.石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性分類綜合評判法［J］.化工礦物與加工，2012，（5）：24－28.

［2］ 徐必根，黃英華，劉小林.護頂層對石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性影響研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27（5）：20－22.

［3］ 廖文景.石膏礦采空區(qū)積水對礦柱穩(wěn)定性的影響分析［J］.采礦技術(shù)，2009，9（3）：52－54.

［4］ 肖超，鄭懷昌，武文治，等.基于集對分析的石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價［J］.中國礦業(yè)，2014，（10）：40－45.

［5］ 吳大國，汪明武，張薇薇.基于集對分析的圍巖穩(wěn)定性評價［J］.西部探礦工程，2008，20（2）：6－7.

［6］ 高黎，何曉嘩，劉小兵，等.基于集對分析與粗糙集理論的綜合評價模型［J］.后勤工程學院學報，25（4）：81－85.

The Stability Evalutation of a Gypsum Mine Goaf

LI Guo-xin

（Hunan Jingshuitang Mining Co.，Ltd.，Hengyang 421622，China）

The set pair analysis is applied to the evaluction of a paste mine goaf stability.First，establish the connection degreee between a single factor of the goaf and the standard values，then get the goaf stability evaluation value.It provids a new way to evaluate the stability of the goaf.

set pair analysis；connection degree；the stability of the goaf

TD76

A

1003－5540（2015）03－0007－03

2015－03－10

李國新（1988－），男，助理工程師，主要從事礦山現(xiàn)場管理工作。