平邑縣安泰石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評價方法

孟婷婷,馬鵬

(臨沂市國土資源局，山東 臨沂 276000)

0 引言

臨沂市石膏資源豐富，目前已探明的儲量位居全國地級市第二位。大規(guī)模的開采石膏礦，一度促進了地方經濟的發(fā)展，但創(chuàng)造經濟效益的同時也留下了極大的安全隱患。大面積的采空區(qū)導致地質災害頻發(fā)，2015年12月25日，玉榮商貿有限公司石膏礦區(qū)發(fā)生的采空區(qū)坍塌事故就是其中一例。該事故導致1人死亡，13名礦工失聯，360余公頃(5400余畝)農田受損，同時塌陷造成周圍幾個村莊的民房受損、地下水位下降，嚴重危害了人民群眾的生命和財產安全[1]。各級政府高度重視石膏礦采空區(qū)防治工作，要求按照“先急后緩、突出重點、防治結合、務求實效”的原則，對經調查評價確認穩(wěn)定性較差、危險性較大、可能造成重大生命和財產安全隱患的采空區(qū)，要優(yōu)先安排資金，率先開展隱患治理。因此，準確評價各采空區(qū)的穩(wěn)定情況，為采空區(qū)防治措施選擇和資金安排提供科學依據顯得尤為重要。

石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價，目前常用4種方法：第一種是參照地質和開采條件類似的礦山相關經驗，判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的經驗類比法[2-3]，如Mathews穩(wěn)定圖法。該方法需要大量的經驗，且各采空區(qū)情況不盡相同，一般無法準確判斷。第二種是借助各種計算機模擬軟件，通過簡化各種地質和力學參數、設置模擬條件，計算采空區(qū)受力狀態(tài)，判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的數值模擬法[4-5]。采空區(qū)地質條件和受力狀態(tài)復雜多變，模擬參數難以簡單量化，模擬結果有時與實際情況出入較大。第三種是應用最為廣泛的數學預測法，首先選擇影響采空區(qū)穩(wěn)定性的各種因素，然后利用各種數學預測方法定量計算采空區(qū)穩(wěn)定性，最后與預先設定的評價指標進行對比得到采空區(qū)的穩(wěn)定性。綜合評判法、集對理論、模糊綜合評判法、綜合指數法都屬于數學預測法的范疇[6-9]。該方法受評價因素及其權重影響較大，評價因素越全面、各因素權重越合理，預測結果就越準確。第四種是力學分析法，該方法認為礦柱和護頂層是影響石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素，通過計算礦柱安全系數和護頂層抗壓縮破壞安全系數，判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性[10-11]，經室內實驗和實地驗證，認為評價結果較為客觀準確，但力學參數是否具有代表性將直接決定評價結果準確與否。

以上4種評價方法各有優(yōu)缺點，單獨應用其中一種可能得不到準確的評價結論。綜合評判法考慮的影響因素較為全面，評價過程簡便，結果較準確；而礦柱穩(wěn)定性是最能直接反映采空區(qū)穩(wěn)定性的指標，因此，該文嘗試聯合綜合評判法和礦柱安全系數法，以求全面、客觀、準確地評價石膏礦采空區(qū)的穩(wěn)定性。

1 礦區(qū)基本情況

平邑縣安泰石膏礦始建于1994年10月，設計開采礦層為Ⅲ礦層，年設計生產能力為20萬t。采取一對斜井開拓，開采方式為地下開采，設計開采標高從+170m～-250m。根據礦體賦存情況，在傾向上，先采上山后采下山，上(下)山均由高處向低處回采。礦床呈層狀賦存于卞橋組二段巖層中，含礦1層，礦層產狀與地層產狀一致，走向100°～108°，傾向NE，傾角16～23°，區(qū)域上對比相當于Ⅲ礦層。

礦區(qū)范圍內地質資源儲量315.7萬t，扣除斷層保安礦柱、村莊保安礦柱、井筒保安礦柱及邊角損失共計76.4萬t后，可利用資源儲量為239.3萬t。開采回采率為29.9%，可采出礦石量為71.6萬t，綜合回采率為22.7%。礦山采用房柱式采礦方法采礦，礦房之間留連續(xù)礦柱，礦房寬度8m，礦柱寬度6m。盤區(qū)長度一般為200m。礦房高度一般不超過10m，留護頂厚度一般2.0m，底膏層留1.0m。閉坑時，礦柱不回收，為永久性礦柱。回采工藝選擇淺眼爆破法落礦，采后依靠所留礦柱有效地支承采場頂板。

礦山現有采空區(qū)共劃分為9處(編號依次為C1，C2，……，C8，C9)，其中C1采空區(qū)形成于1996年；C2采空區(qū)形成于1997—1998年；C3采空區(qū)形成于1999—2000年；C4采空區(qū)形成于2002年；C5采空區(qū)形成于2003年；C6采空區(qū)形成于2000—2001年；C7采空區(qū)形成于2004—2005年；C8采空區(qū)形成于2008—2009年；C9采空區(qū)形成于2010—2013年，各采空區(qū)基本情況如表1所示。

表1 采空區(qū)基本情況

2015年10月至2016年3月該石膏礦陸續(xù)發(fā)生了七起采空塌陷，地表塌陷面積約2km2。塌陷區(qū)中心最大坍塌深度約3～4m，在公路路面及兩側農田內形成整體呈SN向的多條地裂縫，裂縫最寬處約0.3m，受塌陷區(qū)邊緣拉張裂縫影響，公路路面擠壓隆起，附近部分房屋傾斜，墻體斑裂，門窗破碎，嚴重危害了群眾的生命財產安全。

2 基于綜合評判法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價

2.1 確定影響因素

采空區(qū)的穩(wěn)定性受地質條件、開采條件、周圍環(huán)境等眾多因素影響，該文根據國內相關研究[2,6,12-13]，采用采空區(qū)形成時間、采空區(qū)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)當前來壓情況、采空區(qū)周邊情況7個因素，綜合分析采空區(qū)穩(wěn)定性。

2.2 影響因素權重賦值

影響采空區(qū)穩(wěn)定性的各因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度是不同的，各因素之間也不是單獨作用、毫無關聯的，而是具有一定聯系的。為反映7個影響因素的綜合影響，需賦予各個因素不同的權重。結合相關研究成果[4]及工作經驗，確定各因素的權重為：采空區(qū)存在時間W1為0.18；采空區(qū)面積W2為0.09；礦柱面積比率W3為0.14；礦柱寬比高W4為0.16；采空區(qū)來壓情況W5為0.20；采空區(qū)是否有水W6為0.12；采空區(qū)周邊情況W7為0.11。

2.3 單個影響因素分級賦值

每個影響因素都存在不同的情況，需要對每個因素按照不同級別賦予不同的分值。約定對單個因素來說，影響程度越大，分值越高。結合相關研究成果及工作經驗，確定單個影響因素分級賦值結果如表2所示。

表2 各影響因素分級賦值

2.4 采空區(qū)穩(wěn)定性的綜合評判標準

設采空區(qū)第i個影響因素的權重為Wi,實際分值為Fi，則該采空區(qū)的綜合得分為：

P=∑Wi·Fi

工程實踐表明，采空區(qū)穩(wěn)定性采用以下評判標準較為合理：當P>55分時，判定為不穩(wěn)定采空區(qū)；當42

2.5 評價結果

根據表1中各采空區(qū)的基本特征，應用綜合評判法，對C1～C9采空區(qū)穩(wěn)定性進行了評價，結果如表3所示，可以看出，C1～C7為不穩(wěn)定采空區(qū)，C8，C9為基本穩(wěn)定采空區(qū)。這與國內眾多專家研究結果較為一致[6,10]，石膏礦礦柱的穩(wěn)定支撐時間大概為10年，5年以內的礦柱穩(wěn)定性較好。近期部分采空區(qū)地表又出現了一些細小的裂縫，有進一步垮塌的危險，與評價結果較為一致。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

3 基于礦柱安全法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價

國內專家的研究表明，石膏礦采空區(qū)失穩(wěn)的形式主要有兩種，一種是礦柱失穩(wěn)，導致頂板大面積坍塌，甚至造成地表塌陷；另一種是礦柱穩(wěn)定，頂板巖層破壞，該類事故多發(fā)生在單個采場或小面積區(qū)域內[14-15]。因此，采空區(qū)是否穩(wěn)定可以通過礦柱強度與礦柱所受應力對比來進行預測。評價過程如下：

3.1 礦柱的平均應力

礦柱的面積承載理論認為，礦柱所承受的載荷是其所支撐的頂板范圍內直通地表的上覆巖柱的重力，該巖柱的底面積S為按巖柱分攤的開采面積與礦柱自身面積之和。以矩形礦柱為例，礦柱的平均應力為：

式中：γ為巖石容重(kN/m3)；z為埋藏深度(m)；Wo為礦房寬度(m)；Wp為礦柱的寬度(m)。

3.2 礦柱強度

Bieniawski礦柱強度公式來源于面積承載理論，該理論在礦山生產中應用較多，預測結果的準確度較高，計算公式如下[14]：

式中：Sp為礦柱的強度(MPa)；Sl為礦柱平均抗壓強度(MPa)；Wp為礦柱的寬度(m)；h為礦柱的高度(m)；a為常數，當礦柱寬高比大于5時，a=1.4，而當寬高比小于5時，a=1.0。

3.3 礦柱安全系數

根據Bieniawski推薦的礦柱強度設計公式及礦柱載荷計算公式，計算礦柱結構的安全系數F，其公式為：

根據國內生產礦山的實踐經驗總結及彭斌等人的研究成果[15]，當石膏礦柱的安全系數為1.5～2.0時，礦柱能滿足長期穩(wěn)定性的要求。

3.4 評價結果

應用礦柱安全法對C1～C9采空區(qū)穩(wěn)定性進行了評判，結果如表4所示，可以看出，該石膏礦的9個采空區(qū)礦柱安全系數均小于1.5，不滿足長期安全要求。

表4 礦柱安全法評價結果

4 結論

該文應用綜合評判法和礦柱安全系數法對石膏礦穩(wěn)定性進行了綜合評價，兩種方法評價結果較為一致。綜合評判法表明，目前已有7個采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，礦柱安全系數法表明所有采空區(qū)的礦柱均不能滿足長期穩(wěn)定的要求。地表觀測結果表明，評價結論與實際情況吻合較好。評價結果為預測采空區(qū)穩(wěn)定性發(fā)展趨勢和分類治理提供了科學的依據，該方法可以為其他地區(qū)石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價提供借鑒。

參考文獻：

[1] 楊明,郭長勝,楊月,等.山東省平邑玉榮石膏礦“12.25”事故救援過程中的水文地質問題分析[J].山東國土資源,2016,32(12):41-49.

[2] 李國新.某石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價[J].湖南有色金屬,2015,31(3):7-9.

[3] 胡高建,楊天鴻,胡忠強,等.基于Mathews穩(wěn)定圖等方法的多角度采空區(qū)群穩(wěn)定性分析評價[J].采礦與安全工程學報,2017,34(2):348-354.

[4] 彭欣,崔棟梁,李夕兵,等.特大采空區(qū)近區(qū)開采的穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè),2007,16(4):70-73.

[5] 羅周全,譚浪浪,鄧俏.基于FLAC3D-RSM的采空區(qū)失穩(wěn)概率分析及驗證[J].科技導報,2012,30(10):43-48.

[6] 鄭茂興,陳明磊,楊久富,等.石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性分類的綜合評判法研究[J].化工礦物與加工,2012(5):24-27.

[7] 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),2014,23(10):107-110.

[8] 陳江軍,劉波余,榮華,等.基于模糊綜合法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價—以荊門市子陵石膏礦采空區(qū)為例[J].資源環(huán)境與工程,2016,30(6):927-932.

[9] 康欽容,張衛(wèi)中,倪小山,等.采空區(qū)穩(wěn)定性評價的綜合指數法[J].資源環(huán)境與工程,2016,30(6):927-932.

[10] 鄭懷昌,趙小稚,李明,等.采空區(qū)頂板大面積冒落危害及其控制[J].化工礦物與加工,2004(12):28-31.

[11] 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,2009,9(3):52-53.

[12] 李明,鄭懷昌,劉志河,等．石膏長期強度對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響分析[J].化工礦物與加工,2010(2):21-23.

[13] 劉沐宇,徐長佑.硬石膏的流變特性及其長期強度的確定[J].中國礦業(yè),2000,9(2):53-55.

[14] 廖文景,徐必根,唐紹輝.石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性主要影響因素正交試驗研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2011,31(6):14-17.

[15] 彭斌,陳才賢,楊軍偉.石膏礦礦柱穩(wěn)定性分析及試驗研究[J].采礦技術,2011,11(2):18-21.