金属矿山采空区稳定性研究现状分析

陈兰兰，肖海平

（1.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

金属矿山采空区稳定性研究现状分析

陈兰兰1，肖海平2

（1.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000；2.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

金属矿资源在我国经济发展中占据着非常重要的地位，但随着社会发展需求，矿产资源遭受到了前所未有的高强度开采，当前许多矿区出现了大量的采空区，给周边的居民带来了巨大的隐患，时刻威胁着人民群众的生命和财产安全。因此，对采空区稳定性研究已成为国内外学者研究的热点问题。本文从采空区探测技术、采空区稳定性以及采空区控制等方面进行综合评述，简要概述了采空区稳定性的研究现状，指出目前研究中存在的不足，并分析认为对采空区实现动态实时监控、优化采空区的实际模型、克服高应力作用和岩体本身力学性质变化等将是治理采空区的有效措施。

金属矿山；采空区；稳定性；现状；钨矿山

0 引言

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现采区和未来采区[1]。我国矿产资源丰富，在国民经济发展中占据着非常重要的地位，但随着社会发展的需求，我国矿产资源遭受到了前所未有的高强度开采，并形成了大量的采空区，据有关资料显示，我国历史采空区体积超过250亿m3[2]。金属矿山的采空区，不仅容易产生井下生产安全隐患，也往往导致地表裂缝、塌陷和沉降等问题，给周边的居民带来了巨大的隐患，时刻威胁着人民群众的生命和财产安全。

因此，对采空区的监测、稳定性预测分析及控制等方面日益成为研究的热点问题，国内外专家学者也进行了大量的研究，并都取得了一定成绩。但相比于煤矿采空区研究来说，由于金属矿山地质条件复杂以及矿体形态各异等原因，各方面研究还没有形成比较完善的理论与方法，相关资料文献也相对较少。鉴于此，本文从采空区探测技术、采空区稳定性以及采空区控制等方面进行综合评述，指出目前金属矿采空区研究中存在的不足并进行分析，为相关研究提供参考。

1 国内外研究现状

1.1 采空区探测技术及方法

目前，国内外对采空区的探测，主要有现场调查、物探和钻探等三类方法[3]。饶运章等[4]采用调查的方法，对某钨矿山采空区进行了分析，为正确评价采空区稳定性和地压控制奠定了基础。但由于采空区隐覆在地质条件比较复杂的区域，单纯的通过资料的收集以及现场调查，不能够获得较为准确的采空区信息。因此，为了能够更加精确的探测采空区的位置、大小以及数量等信息，需要辅以物探方法进行探测，再以钻探方法进行验证。

对采空区的探测，美国、日本以及俄罗斯等发达国家起步较早，都积累了较为丰富的经验，发展了较多的探测方法，尤其在地球物理探测技术方面发展较为全面。在美国，电法、电磁法、微重力法、地震勘探等技术都有较高水平，其中以浅层地震勘探最为突出[5]，并发展了高分辨率地震反射法[6]；在日本，地震波法应用最为广泛，电法、电磁法及地球物理测井等方法的应用也比较多，此外，日本VIC公司研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘探系统，在采空区勘测方面具有良好的效果；在俄罗斯，直流电法、瞬变电磁法，井间电磁波透视、声波透视及射气测量技术等方面发展较为迅速。

近年来，由于采空区安全事故频发，国内专家学者开始对采空区探测技术及方法的研究进行广泛关注，做了大量的研究工作，并取得了卓有成效的贡献。李夕兵等[7]采用高密度电阻率法、地震映像法、探地雷达法以及激光3D法等对三道庄钼矿进行金属矿地下采空区探测和监控；鲁辉等[8]研究用电法、电磁法以及可控源法等进行采空区探测，提出了采空区在探测过程中存在的问题及今后的研究方向；张淑坤等[9]采用高分辨率地震探测及高分辨电阻率探测方法，并辅以钻孔声波探测、钻孔电视成像技术及深部钻孔数据进行采空区探测研究；罗周全等[10-11]利用三维激光对采空区进行探测，搜集信息，实现对采空区的三维可视化；陈祥祥[12]等采用微震监测系统对采空区坍塌地压灾害进行监测。

1.2 采空区稳定性预测分析

江西省占据了全国钨储量的2/3，为了保障钨矿山的安全生产和管理，江西理工大学和赣州有色冶金研究所自20世纪60年代开始就对采空区稳定性及其处理进行了研究[13-14]。与此同时，国内外学者则通过理论分析法、预测模型评价法、物理模型试验法以及数值模拟法对采空区稳定性预测进行了分析，并取得了可喜的成绩。

（1）理论分析法。理论分析法是对采空区进行稳定性分析的一种定性研究方法，主要是利用力学模型将采空区简化进行求解。早期的于学馥提出“轴变理论”，认为巷道垮塌可以用弹性理论的方法进行分析研究[15]。贺广零等[16]为对采空区的稳定性进行分析，将采空区顶板近似为弹性板，并利用温克尔假设和板壳力学理论对其进行研究分析，较好地揭示了采空区顶板破坏的机理；V.M.Seryakov[17]针对采空区上覆岩体情况，建立了可靠地数学模型，并对地下岩体状态能较好地识别。

（2）预测模型评价法。预测评价法是根据以往工程经验及研究，对影响采空区稳定性因素进行分类，并确定各影响因素的权重，建立预测评价模型，以达到对采空区变形规律进行提前预警的方法。该方法具有较强的客观性、灵活性以及检验性等特点。目前，国内外学者在考虑各因素对采空区稳定性的影响基础上，建立了各类预测评价模型，主要有基于模糊理论、未确知理论、神经网络、灰色理论以及支持向量机等非线性评价模型。但该方法需要在获取大量的现场数据的基础上，才能达到真实准确预警的目的。宫凤强等[18]考虑到在进行采空区危险性评价时，由于许多影响因素存在着不确定性，建立了基于未确知测度理论的危险性评价模型，较好地对各影响因素进行了定性和定量，预测结果达到预期。

（3）物理模型试验法。物理模型试验法是依照工程实际，在实验室构建与其相似的物理模型，并可以通过相应的方法进行反复观测，直观地反映出原监测区的变形规律，是众多工程领域研究最主要的实验方法。该方法具有投入成本小、获取数据准确以及很强的针对性等特点。但由于物理模型脱离了原型本身所处的各种复杂环境，所获得的数据不能完全准确反映实体变形规律。宋卫东等[19]通过物理模型试验研究方法，借助全站仪等仪器设备对采空区开采过程中围岩的冒落及破坏进行监测，较好地解释了围岩的变形、破坏机理。

（4）数值模拟法。数值模拟方法是依据岩体自身的本构模型，考虑岩体赋存的复杂地质条件及其他因素，通过模拟分析的方法对岩体的应力应变规律进行模拟分析。史秀志等[20]采用FLAC3D对铜绿山1号矿体在不同跨度和不同立柱厚度情况下的采空区围岩的变形和破坏特征进行了分析。随着商业软件的不断成熟，数值模拟在地下工程稳定性方面的应用将会不断增加。为了更真实地反映岩体复杂的变形规律，关键问题在于选择合理的物理力学参数。另外，数值分析计算与其他计算方法，如智能算法、工程可靠性等的结合，在大数据基础上，可能会有更重要的突破。

1.3 采空区稳定性控制及处理技术研究

目前，全国各矿山赋存着大量的采空区，随着时间的推移、采空区所处状态以及矿山开采的进一步推进等原因，采空区的安全问题日益凸显。如何对存在安全隐患的采空区进行控制和处理，是金属矿山开采过程中防止灾害发生的一项重要环节。目前，国内治理采空区的主要措施有崩落法治理采空区、充填法治理采空区、保留永久矿柱支护、隔离和封堵治理采空区以及联合治理采空区等[21]。赣州有色冶金研究所邵亿生[22]针对江西钨矿采空区处理方法进行了较全面的分析，并提出了意见和建议。

（1）崩落法治理采空区。由于金属矿山岩体整体稳定性较好，不易随矿山的开采自行冒落，为避免采空区顶板及围岩大量不稳定岩石突然冒落，造成事故，必须及时对其进行处理。而崩落法治理采空区是通过一定的方式将顶板或者围岩崩落的岩块或废石充填采空区，达到对采空区进行治理的方法。但由于在进行顶板崩落的过程中可能出现地表塌陷，因此，地表允许塌陷是使用崩落法治理采空区的前提条件。该方法的具有成本低、见效快、工艺简单的特点，在国内外采空区治理中被广泛采用。

（2）充填法治理采空区。是将充填料通过一定的方式送入到采空区内部，并充填密实，以达到控制地压活动、较小上覆岩层崩落及地表下沉的目的，是采空区稳定性控制的最主要方法之一，并且对保护地表建筑物及矿区生态环境起着重要的作用。目前，主要有干式充填和湿式充填两种。针对不同采空区，应根据岩体性质、充填要求及成本进行合理选择，达到安全、经济、适用的效果。万林海[23]为防止某白钨矿山采空区和地表的沉陷和塌方，研究设计了全尾砂胶结充填的方法。

（3）保留永久矿柱支护。此法是通过留设永久矿柱加强对采空区顶板的支护，减小其暴露面积，控制上覆岩层下沉的一种方法。该方法主要应用于岩性比较稳定的采空区，但由于采空区所处的环境比较复杂以及各种因素的影响，采空区稳定性一直处于变化的状态。因此，设计矿柱尺寸和数量时，应根据采空区实际赋存的环境综合考虑，以减少灾害的发生。但实践表明，随着时间的推移，仅采用留柱支护法，并不能避免顶板冒落或矿压冲击的影响。

（4）隔离和封堵治理采空区。利用封堵墙将与采空区连接的主要通道进行封堵，使工作区与采空区隔离，避免因顶板突然大面积冒落时，产生的冲击地压对周围构筑物造成损害，特别是保证井下工作人员的生命安全。该方法对小体积采空区控制效果较好，而对于大面积采空区防护作用则较差，并且对地表起不到任何保护作用，移动带仍需监测、隔离[24]。因此，隔离和封堵治理采空区法主要适用于体积不大且离工作区较远、地表及岩层允许崩落或下沉等情况的采空区。

（5）联合治理采空区。由于采空区所赋存的环境复杂，很多情况下进行采空区治理时，由于使用某一种方法无法达到有效治理的目的，则可以根据实际情况，利用不同方法的优势，选择两种或者两种以上方法相结合，对采空区进行处理。

因此，在实际治理过程中，应充分考虑安全、经济、可行的原则，有针对性地选择，充分发挥其各自优点，克服存在的不足，确保空区稳定。

2 存在的问题及解决问题的建议

采空区稳定性问题作为采矿工程中一项重要的研究课题，一直受到国内外学者的关注。随着计算机技术的快速发展，借助新技术、新方法已成为采空区稳定性研究的总体发展趋势。但从以上的研究来看，仍存在一定的不足：

（1）在采空区探测技术研究方面，国内外都取得了一定的成果，但由于金属矿山本身的特点，其矿床赋存于复杂的地质条件中，单一的探测技术不能完全满足精确探测的要求。因此，研究一种快速、精确的综合探测方法，显得尤为重要，目前尚缺少相关研究和报道。此外，随着数字矿山的进一步发展，将三维激光扫描仪、3DMine及FLAC3D等其他相关软件耦合，建立可视化三维模型，增强变形规律的直观性，实现采空区的动态实时监测，是今后课题研究的重点。

（2）在采空区顶板失稳理论分析研究方面，从总体来看，简支梁理论相比于荷载传递交汇线理论及厚跨比理论来说特别考虑了岩体自身特性、顶板自重以及空间跨度等，其计算结果较为切合工程实际。但将顶板视为弹性梁的近似处理方法，无法考虑岩石的材料性质及空间效应。为此，很多学者将采空区以弹性薄板力学模型研究釆空区顶板稳定性。

但对于金属矿采空区来说，由于采空区顶板的宽度与长度相差不大，不满足弹性薄板力学模型要求（厚度h远远小于宽度b的弹性板称为“薄板”），所以，在对顶板进行分析时，宽度和长度是不能忽略的。因此，可以考虑以弹性厚板理论对采空区顶板的稳定性进行研究，目前这方面的研究资料和文献较少。

（3）在采空区稳定性预测及评价研究方面，从参考文献研究内容来看，预测评价模型都存在一定的不足，比如各项影响因素权重的确定问题、地质构造等定性模糊指标的量化问题等。因此，如何优化模型或提出建立更符合采空区实际的模型，以避免或减小在评价中存在的主观性和随机性，将是采空区稳定性预测和评价研究中需要解决的问题，并借助计算机技术实现对采空区稳定性的对比分析，以及动态预测和反馈。

（4）随着矿山开采深度的进一步推进，采空区赋存的地质条件越发复杂，除了会受到高应力和周围扰动应力的影响外，岩体本身的力学性质也将发生变化，使研究内容更加复杂。因此，高应力作用下的采空区顶板及岩层稳定性是矿山开采中又一大研究难题。

（5）目前，各矿区赋存的采空区不是单独存在的，而是形成了采空区群。此时，采空区群顶板稳定性与单独采空区所受因素的影响有很大的区别，虽然目前研究采空区群稳定性的成果较多，但主要集中在反映单个采空区群岩体内应力应变规律方面，缺乏系统性的分析。因此，如何揭示采空区群之间各影响因素的内在联系，确定其影响范围的大小，是控制采空区破坏研究的重要方向。

3 总结

金属矿山采空区的稳定性受到岩体地质特征、空间分布情况、开采方式以及空区环境等方面因素的影响，要准确地研究采空区顶板及岩层稳定性，必须运用多种理论，依靠实测资料、模拟试验和数值分析的方法对采空区进行综合分析。同时，充分利用诸如三维激光扫描等先进技术和方法，实现对采空区的三维可视化进行稳定性分析和评价，达到动态实时监测和预警，为指导矿山安全生产，保障人民生命财产提供技术支持。

[1] 童立元，刘松玉，邱 钰，等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展[J].岩石力学与工程学报，2004，23（7）：1198-1202. TONG Liyuan，LIUSongyu，QIUYu，etal.Current research state of problemsassociated withmined-out regionsunder expressway and futuredevelopment[J].Chinese JournalofRock Mechanicsand Engineering，2004，23（7）：1198-1202.

[2] 段蔚平，郭金峰，汪 斌.我国金属矿山尾矿堆存技术及发展方向[J].金属矿山，2013，42（12）：118-122. DUAN Weiping，GUO Jinfeng，WANG Bin.Stacking process of metalmine tailings in China and its development trend[J].Metal Mine，2013，42（12）：118-122.

[3] 闫长斌，徐国元，中国生.复杂地下空区综合探测技术研究及其应用[J].辽宁工程技术大学学报，2005（4）：481-484. YAN Changbin，XU Guoyuan，ZHONG Guosheng.Research of composite prospecting and its application in complicated underground mined-out areas[J].Journal of Liaoning Technical University，2005（4）：481-484.

[4] 饶运章，冯 环.某钨矿岩体结构面调查与分析[J].中国钨业，2007（6）：36-39. RAOYunzhang，FENGHuan.On the rockmassstructuralplanesof a tungstenmine[J].China Tungsten Industry，2007（6）：36-39.

[5] SIGGINSA F.A radar investigation of fracture in agranite outcrop [J].Exploration Geophysics，1990，21（l/2）：105-110.

[6] HARARI Z.Ground-penetrating radar（GPR)for imaging stratigraphic featuresand groundwater in sand dunes[J].Journal of Applied Geophysics，1996，36（1）：43-52.

[7] 李夕兵，李地元，赵国彦，等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评判[J].采矿与安全工程学报，2006，23（1）：25-29. LIXibing，LIDiyuan，ZHAO Guoyan，et al.Detecting，disposal and safety evaluation of the underground goaf inmetalmines[J].Journal ofMiningand Safety Engineering，2006，23（1）：25-29.

[8] 鲁 辉，薛云峰，胡伟华.采空区的特征与探测技术研究[J].水利规划与设计，2014（2）：27-33. LU Hui，XUE Yunfeng，HUWeihua.Characteristics and detection technology ofmined-out area[J].Water Resources Planning and Design，2014（2）：27-33.

[9] 张淑坤，张向东，李永靖.高速公路下伏老采空区探测及验证技术[J].中南大学学报（自然科学版），2015（9）：3361-3367. ZHANG Shukun，ZHANG Xiangdong，LI Yongjing.Old goaf detection and verification techniques under highway[J].Journal of Central South University（Science and Technology），2015（9）：3361-3367.

[10] 罗周全，罗贞焱，徐 海，等.采空区激光扫描信息三维可视化集成系统开发关键技术 [J].中南大学学报（自然科学版），2014，45（11）：3930-3935. LUO Zhouquan，LUO Zhenyan，XU Hai，et al.Key technologies of 3D visualized integrated system for cavity’s laser-scan information [J].JournalofCentral South University（Science and Technology），2014，45（11）：3930-39325.

[11] 罗周全，周吉明，罗贞焱，等.采空区激光探测三维建模可视化集成系统CAD接口实现 [J].中南大学学报（自然科学版），2015，46（7）：2532-2538. LUO Zhouquan，ZHOU Jiming，LUO Zhenyan，et al.Realization of CAD interface in 3D modeling visualized integrated system of cavity’s laser detection [J].Journal of Central South University（Scienceand Technology），2015，46（7）：2532-2538.

[12] 陈祥祥，苏振豪，李凌飞，等.某钨矿地压微震监测系统技术应用研究[J].中国钨业，2016，31（4）：26-31. CHEN Xiangxiang，SU Zhenhao，LI Lingfei，et al.Application of microseismic monitoring system in a tungsten mine[J].China Tungsten Industry，2016，31（4）：26-31.

[13]陈道清.画眉坳钨矿岩层移动观测初步分析 [J].江西理工大学学报，1983（2）：3-12. CHENDaoqing.Preliminaryanalysisofstratamovementobservation in Huameiao tungsten mine[J].Journal of Jiangxi University of Scienceand Technology，1983（2）：3-12.

[14]邓左民，叶黔元，丁嘉榆.边界元法、有限元法在钨矿地压研究中的应用取得进展[J].江西冶金，1984（4）：3-5. DENGZuomin，YEQianyuan，DING Jiayu.Theapplication progress ofboundaryelementmethod and finiteelementmethod on the study of ground pressure in tungstenmines[J].JiangxiMetallurgy，1984（4）：3-5.

[15]于学馥，乔 端.轴变论和围岩稳定轴比三规律[J].有色金属工程，1981（3）：18-25. YU Xuefu，QIAODuan.Theory of axial variation and three rules of axial ratio for stabilizing country rock[J].NonferrousMetals，1981（3）：18-25.

[16] 贺广零，黎都春，翟志文，等.采空区顶板塌陷破坏的力学分析[J].石河子大学学报（自然科学版），2007，25（1）：103-108. HE Guangling，LIDuchun，ZHAIZhiwen，et al.Analysis of failureand instability ofstiff roof[J].JournalofShiheziUniversity（Natural Science），2007，25（1）：103-108.

[17]SERYAKOV VM.Calculation ofstress-strain state foran over-goaf rockmass[J].JournalofMining Science，2009，45（5）：420-426.

[18]宫凤强，李夕兵，董陇军，等.基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（2）：323-330. GONG Fengqiang，LI Xibing，DONG Longjun，et al.Underground goaf risk evaluation based on uncertainty measurement theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（2）：323-330.

[19]宋卫东，徐文彬，杜建华，等.长壁法开釆缓倾斜极薄铁矿体围岩变形破坏机理[J].北京科技大学学报，2011，33（3）：264-269. SONG Weidong，XU Wenbin，DU Jianhua，et al.Deformation and failure mechanism of cap rock in mining a gently inclined and extremely thin iron mine by the long-wallmethod[J].Journal of UniversityofScienceand TechnologyBeijing，2011，33（3）：264-269.

[20]史秀志，黄刚海，张 舒，等.基于FLAC3D的复杂条件下露天转地下开采空区围岩变形及破坏特征[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（6）：1710-1718. SHIXiuzhi，HUANGGanghai，ZHANGShu，etal.Goafsurrounding rock deformation and failure featuresusing FLAC3Din underground mining shifted from open-pit in complex situation[J].Journal of Central South University（Scienceand Technology），2011，42（6）：1710-1718.

[21]褚军凯，霍俊发，张碧踪.符山铁矿尾矿库民采空区治理技术研究[J].金属矿山，2011（5）：12-17. CHU Junkai，HUO Junfa，ZHANG Bizong.Research on the treatment scheme ofmined-outarea at tailings dam of Fushan iron mine[J].MetalMine，2011（5）：12-17.

[22]邵亿生.江西钨矿采空区处理方法浅析[J].江西冶金，1985（1）：23-26. SHAO Yisheng.The analysis of processing method on Jiangxi tungstenminegoaf[J].JiangxiMetallurgy，1985（1）：23-26.

[23]万林海.全尾砂胶结充填在某白钨矿山的应用 [J].中国钨业，2014，29（2）：1-4. WAN Linhai.Application ofWhole Tailings Backfill in a Scheelite Mine[J].China Tungsten Industry，2014，29（2）：1-4.

[24] 章 林，孙国权，李同鹏，等.地下矿山采空区探测及综合治理研究与应用[J].金属矿山，2013（11）：1-4. ZHANG Lin，SUN Guoquan，LI Tongpeng，et al.Research of detection and comprehensive treatment of underground mine goaf and itsapplication[J].MetalMine，2013（11）：1-5.

Research StatusofM etalM ine Goaf Stability

CHENLanlan1,XIAOHaiping2
(1.CollegeofApplied Science,JiangxiUniversity ofScienceand Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.SchoolofEnvironmentScienceand Spatial Informatics,China UniversityofMiningand Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)

With the ever-rising demand for the economic growth,mineral resources have been mining at an unprecedented speed.The induced goafs,in addition to the huge risk to the production safety,threatened the public security.Therefore,the research ofgoaf stability has long been a hot topic.This paper analyzed the current research statusofgoafstability from the aspectsofgoafdetecting technology and goaf control.Pointed out the shortcomingsof current research and analysis of goaf dynamic real-timemonitoring and optimization of the actualmodel,overcome thegoaf in high stressand rockmechanicalproperties changewillbe the effectivemeasures to control thegoaf.

metalmine;goaf;stability;currentstatus;tungstenmines

TD853.391+.2

A

（编辑：刘新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.03.003

2016-11-23

国家自然科学青年基金项目（41601429）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ161570）

陈兰兰（1981-），女，江西新干人，讲师，主要从事边坡监测与控制和数据处理方面的研究。