金屬礦山地下采空區(qū)問題研究現(xiàn)狀與展望

王旭軍

魯中礦業(yè)有限公司 山東濟南 271110

1 金屬礦山地下采空區(qū)治理的必要性

1.1 金屬礦山地下采空區(qū)易發(fā)生重大礦難

礦山地下采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，周圍地質(zhì)條件極為復(fù)雜。如果經(jīng)常受到外力的影響，采空區(qū)易發(fā)生透水、崩塌和冒頂，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的采礦事故。一堂血淋淋的教訓(xùn)，不僅提醒有關(guān)部門充分重視規(guī)范礦產(chǎn)資源開采行業(yè)的重要性，也提醒著礦產(chǎn)資源開采單位進一步采取相關(guān)措施，加強對地下采空區(qū)的治理，切實保障礦工生命安全與礦山工程順利進行[1]。

1.2 金屬礦山地下采空區(qū)難以有效處理

金屬礦產(chǎn)資源不斷滿足我國資源市場發(fā)展的需求，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，但長期以來，這一現(xiàn)象也導(dǎo)致了對礦產(chǎn)資源開采工作的監(jiān)管極其困難，特別是礦山地下采空區(qū)難以得到有效控制。許多礦山單位對地下采空區(qū)的治理不重視，在短時間內(nèi)不能采取科學(xué)合理的措施對地下采空區(qū)進行治理。特別是為了獲得額外的經(jīng)濟效益，一些礦業(yè)單位的經(jīng)營者不愿意花錢回填地下采空區(qū)，也不愿意采取其他措施處理地下采空區(qū)。甚至，在開采地下礦產(chǎn)資源的過程中，一些從業(yè)人員為了一點經(jīng)濟利益，將保留下來的礦柱進行回采，使地下采空區(qū)的安全隱患進一步增加。

2 存在的問題

（1）在采空區(qū)探測技術(shù)的研究中，由于金屬礦山地質(zhì)條件復(fù)雜，單一的探測技術(shù)不能滿足準(zhǔn)確探測的要求，也不能完全滿足探測的需要。（2）在采空區(qū)穩(wěn)定性分析方面，受目前技術(shù)條件的限制，無論是理論分析、相似模擬試驗還是數(shù)值模擬分析，都難以建立符合實際情況的計算模型。同時，由于采空區(qū)是一個高度非線性、復(fù)雜的大系統(tǒng)，且始終處于動態(tài)不可逆變化之中，分析結(jié)果往往難以令人信服。此外，各種模糊評價方法雖然考慮了許多影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素，但都存在定性模糊指標(biāo)量化、權(quán)重計算、隸屬函數(shù)建立等不足。（3）在采空區(qū)穩(wěn)定性控制與治理技術(shù)的研究中，雖然圍巖崩落、充填、護柱、封閉隔離、加固與組合等方法已形成成熟的技術(shù)，積累了大量的經(jīng)驗，但也有其局限性和側(cè)重點，崩落法處理采空區(qū)的前提是合理布置采空區(qū)礦柱，但大多是基于經(jīng)驗法或經(jīng)驗類比法，其系統(tǒng)理論有待進一步研究。（4）采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測分析具有真實可靠的優(yōu)點，可以杜絕事故的發(fā)生。然而，預(yù)測閾值或預(yù)警閾值的確定，難以準(zhǔn)確預(yù)測和預(yù)警，同時，監(jiān)測周期長，工作量大，成本高，難以掌握進行機理分析主要因素[2]。

3 金屬礦山地下采空區(qū)的處理措施

3.1 回填采空區(qū)

隨著社會的發(fā)展與進步，地下資源開采允許地表塌陷現(xiàn)象即將被嚴(yán)加管控。例如，地下采空區(qū)的頂部是建筑物、文物保護景點等所在的區(qū)域或露天采礦工作區(qū)。在這類地下采空區(qū)中，充填采空區(qū)是處理地下采空區(qū)的最佳方法。采空區(qū)回填材料均為當(dāng)?shù)夭牧?，主要包括開采過程中開采的廢石、廢渣和大量自然落下的廢石。充填方法主要是將上述充填材料運至鉆孔、天井或特殊通道，對充填材料進行加壓，使其流入地下采空區(qū)，將地下采空區(qū)充填起來。這種治理有幾個要求。首先，地下采空區(qū)必須與井眼、礦井或巷道相連接，這是充填材料順利進入采空區(qū)的首要前提，也就是說，只有有一定的通道，才能將充填材料順利輸送到地下采空區(qū)。二是進行回填作業(yè)時，作業(yè)人員必須充分了解金屬礦山地下采空區(qū)的具體情況，如地下采空區(qū)的位置、范圍、體積和回填通道的位置等。

3.2 封閉采空區(qū)

如果使地下采空區(qū)周圍的巖石應(yīng)力要完全集中，往往需要很長時間。量變是質(zhì)變的必要前提。地下采空區(qū)應(yīng)力集中必須經(jīng)歷一個最大化的過程，在此過程中，地下采空區(qū)相對安全。因此，有必要在這段時間內(nèi)組織有關(guān)人員立即撤離該地區(qū)居民和作業(yè)人員，確保人民生命財產(chǎn)安全，并對有關(guān)礦山作業(yè)區(qū)采取防護措施。只要該地區(qū)居民和工作人員安全撤離，即使井下采空區(qū)發(fā)生重大礦難，也不會造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。與地下采空區(qū)回填相比，封閉式地下采空區(qū)投資少、成本低，處理過程不需要耗費大量的人力物力，所需時間也較短，處理過程非常方便快捷。

3.3 放頂采空區(qū)

金屬礦山地下采空區(qū)頂部巖體的崩落處理，可使后向巖體直接充填采空區(qū)，形成緩沖層，減少大量巖體突然崩落產(chǎn)生的巨大沖擊力。自然崩落法和人工崩落法是礦山井下常見的崩落處理方法。就自然崩塌而言，如果巖石暴露時間過長或面積過大，巖石很容易自然崩塌。一般來說，巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造對巖體崩塌的影響較大，巖體可能在預(yù)定時間前開始崩塌。如果采空區(qū)周圍巖體結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很難自然崩塌，必須以爆破為主人工強制崩塌。

4 展望

（1）隨著數(shù)字礦山技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，數(shù)值模擬和智能監(jiān)測技術(shù)在地下工程穩(wěn)定性中的應(yīng)用將不斷增加。研究開發(fā)三維激光掃描儀、三維可視化、FLAC3D等相關(guān)軟件耦合技術(shù)，形成了以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以人工智能算法為核心、可靠性為保證的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，使之更加全面、客觀、準(zhǔn)確地分析采空區(qū)存在的問題，這將是今后一個重要的研究課題。（2）隨著開采深度的展開，深部巖石的力學(xué)行為與淺部巖石明顯不同，采空區(qū)地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，開采條件要求越來越高。因此，研究深部多介質(zhì)多場耦合誘發(fā)工程災(zāi)害的機理和過程，對于深部復(fù)雜環(huán)境下采空區(qū)頂板及圍巖穩(wěn)定性等工程災(zāi)害的防治具有重要意義。（3）針對采空區(qū)圍巖高度非線性、模糊性和不確定性的特點，在建立實用的采空區(qū)非線性穩(wěn)定性分析模型時，有必要加強對采空區(qū)穩(wěn)定性在線監(jiān)測和預(yù)警方法的研究。將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析模型相結(jié)合，實現(xiàn)了采空區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)仿真與在線分析控制平臺，這將是當(dāng)前采空區(qū)動態(tài)仿真研究的重點。

5 結(jié)語

目前，我國金屬礦采空區(qū)治理尚無規(guī)范、規(guī)程可循。因此，應(yīng)加強新方法的研究，并提出相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范或通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這需要各相關(guān)部門進行必要的協(xié)同合作，提出具有規(guī)范性質(zhì)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，供工程采用[3]。