石膏矿采空区稳定性研究进展

肖 超, 郑怀昌, 王 栋, 李 明, 张晓君, 刘志河

(山东理工大学 资源与环境工程学院, 山东 淄博255091)

21世纪初，国内先后发生十余起石膏矿采空区大冒落，给人们人身安全带来了巨大危害，对采空区进行稳定评价是安全管理采空区的必要条件[1].我国现有石膏矿山300余座，采空区1亿多立方米，普遍采用房柱法开采，再加上石膏矿经济效益低，很多矿山不能及时治理采空区，产生了大批未治理的采空区.随着时间的延续，采空区面积不断变大，给矿山生产带来了极大安全隐患[2].目前缺乏可靠、普适、系统的稳定性评价方法，这也是采空区安全管理的重大障碍，及时进行石膏矿山稳定性分析具有重要意义.

采空区稳定性是一个包含采空区本身和周围地质构造及所覆岩层岩性性质，同时又受到开采和爆破造成的扰动﹑地下水﹑时间引起的流变等复杂多因素影响的大尺度平衡问题.

1 经典理论的采空区稳定性研究

早期采空区理论研究大多基于支撑采空区的矿柱和顶板自持能力，运用岩体静力学进行分析.M.M.普罗托吉亚科夫﹑哈元﹑舒尔茨﹑施托克﹑李特维尼申分别提出拱形冒落论﹑压力拱假说﹑悬臂梁(板)冒落论﹑冒落岩块碎胀充填论及开采沉陷的随机介质理论.

我国学者发展成为了概率积分法冒落岩块铰结论以及砌体梁平衡说及采场薄板矿压理论，王学滨[3]根据渐进破坏的矿柱，整理出矿柱剪切失稳判据的解析式.近期学者在采空区稳定性分析中引入突变理论，王连国[4]由分支曲线方程及定态曲面方程，利用突变理论建立了矿柱失稳的尖点突变模型，并基于此模型又分析预测了矿柱失稳机理；吴启红[5]建立了基于突变理论的强度折减法来分析多层采空区顶板稳定性.

郑怀昌[6]引用界壳理论探讨采空区稳定性支撑结构的演变对采空区稳定性的影响；赵忠明[7]在采空区遭受库水的浸泡﹑冲掏和溶蚀条件下，利用相似模拟实验研发治理；基于尖点突变理论，分析不同形式下的采空区的稳定性，顶板冒顶规律的准确预测在控制和消除相关问题是非常重要的，模糊逻辑被应用到煤矿预测冒顶规律[8].张晓君[9]认为矿柱支撑面积与矿柱面积之比和采深等因素对采空区的稳定性影响很大.陈建平[10]通过对采空区的现场调查矿岩取样及围岩节理裂隙的综合分析，对现有空区稳定性进行了论证.邓红卫[11]通过分析采空区稳定性各影响因素，建立基于不确定型层次分析法(UAHP) 的采空区稳定性模糊评判方法.郑茂兴[12]运用综合评判法，依据综合得分对采空区稳定性进行合理划分.

2 采空区稳定性静态数值分析

理论分析给予石膏矿采空区稳定性分析定性指导；而数值模拟能定量﹑快速分析采空区稳定性，且能解决繁琐的材料本构联系，所以有广泛的应用价值.根据不同特征的采空区评价采空区的稳定性，现有可利用数值模拟软件有ANSYS、FLAC、RFPA、3DEC等.

李明等[13]采用FLAC3D软件模拟分析了石膏矿山采空区的稳定性状态,分析对比了长期强度对采空区稳定性的影响；杨宇江等[14]利用FLAC3D软件和Mohr-Coulomb屈服准则，研究了在附加载荷的作用下，不同厚度的空区顶板的稳定性；张晓君[15]运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,对采空区的破坏过程以及采空区岩性对采空区顶板大面积冒落破坏过程进行了相应数值模拟研究;张晓君[16]利用ANSYS软件，数值模拟了采空区在不同深度不同倾角时的应力应变情况；运用FLAC3D软件建立粘弹塑性本构模型(cvisc模型)，对石膏矿房矿柱的长期稳定性进行了数值模拟研究[17]；李长洪[18]利用3DEC软件数值模拟分析了采空区形成后围岩变形和应力分布情况.

3 石膏矿采空区稳定性动态研究

随着时间推移，受岩石流变﹑爆破﹑地下水多因素影响，采空区岩石强度及矿柱-顶板-底板系统抵抗冒落能力都已大大折减，经典常规的静态分析石膏矿采空区已不能满足现实情况.

决定采空区稳定性的是顶板、矿柱、底板及支护共同组成的支撑系统的稳定性.王金安[19]认为渐进破坏的顶板和矿柱造成采空区坚硬顶板瞬间失稳及塌陷；运用力学分析采空区的模型中，J. A. Wang等[20]阐述了顶板力学状态与矿柱总面积之间的联系.分析了风化及剥落造成矿柱承载面积减小对采空区顶板稳定性状态的影响，然而没有总结怎样将矿柱自身流变与采空区顶板的稳定性时间联系起来.

在采空区稳定性长期强度方面，刘沐宇[21]采取室内纯扭转流变实验的手段，探究了硬石膏的流变特性；Auvray等[22]分析了相对湿度造成矿柱强度的衰减；Biswas[23]针对不同时间的矿柱作出了应力测量,建立了风化厚度与矿柱时间之间的关系；Castellanza等[24]由水影响下石膏矿柱单轴压缩实验数据建立相应风化模型来预测矿柱稳定时间.

岩石流变导致长期强度下降，影响采空区长期稳定性，王金安[25]基于自建的矿柱-顶板体系流变力学模型，又依据推出的位移控制方程分析讨论了不同阶段下采空区顶板破坏.构成采空区支撑系统的矿柱和顶板的岩体受到多次爆破扰动作用造成了损伤，长久的累计损伤更近一步弱化了支撑系统[26-27]；而且，采空区应力场受到岩石的流变作用发生了变化[28]，加快了采空区失稳的演化历程.

爆破对支撑采空区稳定性的矿柱及顶板上的岩石产生了损伤，赵延林等[29]提出采空区重叠顶板安全系数的概念，建立其竖向位移序列与折减系数的尖点突变模型；易平[30]运用GeoFBARV4.0数值模拟软件，对采空区围岩破坏发展的动态数值过程进行模拟分析.地震、爆破等动力作为影响采空区稳定性的主要因素之一，不但对采空区围岩产生损伤和扰动，甚至引起采空区破坏和塌陷.杨金林等[31]通过改变扰动应力波峰值的大小，考查动力扰动强度的变化对采空区稳定性的影响.郑怀昌[1]认为多因素耦合动态演化导致了采空区长期稳定性研究的复杂性.

4 存在的问题

石膏矿采空区应该看成一个系统，深入探讨石膏矿采空区矿柱-顶板-底板系统多因素耦合下动态演变机制，为采空区长期稳定性探究新研究方法，可使石膏矿采空区稳定性分析研究上升到一个新的台阶.问题如下：

(1)石膏矿采空区分析周期长，加上石膏矿利润低，不能单纯追求效果，还要考虑经济因素.

(2)对石膏矿采空区无论静态数值分析或动态分析，大多基于单因素分析.如何运用系统观点，基于数学模型﹑数值模拟等定量科学手法，缺乏石膏矿采空区岩石流变﹑爆破﹑地下水﹑长期强度等多因素耦合模型及动态演变机制.

(3)现阶段的采空区稳定性理论方面研究距离实际有不少差距，指导实际工程作用不大，并且当前多集中在对矿柱、顶板的稳定性研究，缺少对顶板-矿柱-底板系统以及采空区整体稳定性的研究.

(4)当前大范围利用数值模拟技术分析采空区稳定性，对采空区安全管理具有重要的指导意义.但是，分析中所运用的岩石力学参数和采空区应力分布多是根据某一时间的静态值.这种分析方法的准确程度有待进一步提高.需要加深石膏矿采空区稳定性动态分析，建立基于常应力的石膏矿采空区动态破坏准则.

5 石膏矿采空区稳定性研究展望

以下为石膏矿采空区稳定研究的一些建议及新思路：

(1)采空区的长期稳定性研究是一个非常复杂的问题.根据岩石力学参数与静态地压分析得到的采空区稳定性与经受几十年流变和开采爆破影响的矿柱-顶板-底板体系实际稳定性有较大差异，所以准确分析采空区长期稳定性需要将流变和爆破扰动对岩石力学性质的作用等量化到数值分析中.

(2)数值模拟可以比较系统的研究在动应力作用下采空区围岩的动应力场分布规律及动静应力场的叠加作用机理，可以对FLAC3D自定义本构模型进行二次开发，将动态数值模拟编入FLAC3D模拟中，也可运用虚拟现实等软件模拟宏观的应力场变化与微观的岩石损伤累积关系.

(3)国内外分别从岩石流变、爆破扰动等单因素方面对采空区及地下空间工程的长期稳定性进行了相关研究，也有相关学者通过流变扰动效应试验开展了岩石处于强度邻域时的双因素耦和作用的影响研究. 将石膏矿采空区岩石流变﹑爆破﹑地下水﹑长期强度等多因素进行耦合探究，可以为采空区这类大尺度地下空间工程长期稳定性研究开辟新的途径.

(4)可以采用抗塌性衡量采空区“矿柱-顶板-底板”体系.作用于抗塌性体系的静应力场与爆破冲击能量场的耦合“力场”，随开采推进，对于特定研究点而言也是处于衰减状态.运用能量观点，可以建立适应常应力状态的动态破坏准则.

(5)可以把石膏矿采空区看成一个系统，运用科学数值方法建立量化的以时间﹑应力状态﹑损伤特征﹑岩石含水率﹑扰动次数为变量和弹模﹑长期强度为结果的时域曲面和石膏矿采空区多因素耦合模型，建立动态演变机制.

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