采空区利用的岩石稳定性影响因素分析研究＊

吴慧

（宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川750021）

1 引言

随着经济社会的快速发展，地球资源消耗增加，向地下要空间、要资源成为寻求良好生存环境、探索人类可持续发展的有效途径。地下空间开发难度大、成本高、危险性大是一直以来存在的问题。而在当下中国传统产业转型和升级过程中提出去产能、去库存的理念致使大量矿井关闭，未来还将陆续有矿井关闭，这是必然趋势，在如此大体量之下，对这些废弃矿井的地下空间重新利用，不但能够节省地下空间建造费用，还能避免地下空间资源的浪费。在开发过程中采空区岩体的稳定性决定着开发过程中的安全问题，本文对采空区岩体在开发过程中可能会导致围岩失稳的因素进行了分析，同时对地下采空区的岩石类别及其岩性进行了分析，认为地下采空区的利用要充分考虑围岩可能会发生的失稳情况以及各类岩石的强度特性。

2 采空区岩体失稳机理

采空区一般指将地下矿藏物质采掘完成之后留下的空区，由于矿产品的赋存是大面积成片出现的，形成的采空区也连续出现，空间结构很大。采掘完成之后所形成的空间结构主要依靠上部支撑岩层（上覆岩层）结构的强度及其稳定性，岩层一旦产生变形可能导致整体地下空间结构失稳而引起上覆岩层破坏和地表下沉。经过调查发现，大部分废弃采空区失稳破坏并导致上覆岩层破坏和地表发生沉降的主要原因为矿柱失稳、矿柱压入底板发生底鼓、顶板坍塌等，不同的破坏机制将造成不同的塌陷形态[1]。

2.1 矿柱失稳

矿柱指在采矿工作中，为了保护人员安全和巷道的完整而留下一定数量的矿体。矿柱作为采空区的支撑体系，一旦发生失稳会破坏采空区，特别对于采深较大的老采空区影响更大。矿柱的形状一般为长方形或正方形，国内外许多学者曾进行了矿柱破坏机理的大量研究。研究表明矿柱的稳定性主要取决于矿柱强度和矿柱应力，当矿柱应力超过矿柱强度时，矿柱将失稳破坏[2]。在实际当中可用安全系数来判定矿柱的稳定性。

2.2 采空区底板产生底鼓

采空区中巷道顶底板和两侧岩体产生变形并向巷道内产生位移，导致巷道底板向上隆起的现象称为底鼓。产生底鼓的主要因素是底板岩层性质、围岩应力、水理作用、岩体强度和地温等。其中岩层本身属性及地下水对其产生的影响和围岩应力是导致底鼓发生的主要因素，试验研究表明有效控制底鼓的方法主要是采取防治措施，将底鼓变形量减少到安全允许值范围；对已经产生的底鼓清除底鼓，将巷道已发生底鼓的部分岩石清除，恢复采空区面积。对于废弃老采空区，由于地下水和地面附加荷载的作用，将加剧矿柱压入底板和底鼓现象发生。大面积矿柱压入底板和底鼓造成的地面沉降形式一般为较平缓的塌陷盆地[3]。

2.3 顶板坍塌

采空区顶板坍塌主要是岩层强度较差和矿柱间距过大造成的。顶板坍塌导致采空区上部地表将形成塌陷。采空区上方的覆岩中的硬岩层可阻止坍塌继续发展；在采掘深度较大的地方，岩层的坍塌发展到一定的程度后将停止，采空区上方的岩层只产生弯曲下沉，最终在地表形成一个下沉盆地。顶板的坍塌破坏可分为上覆岩层逐层垮落和整体塌陷两种形式[4]。

3 不同类别岩石采空区围岩状态分析

不同类型的采空区围岩岩性特点各异，在外部环境因素影响条件下会表现出不同的状态。通常来说岩浆岩和变质岩所构成的采空区围岩致密坚硬，稳定性高；沉积岩岩石采空区所对应的围岩硬度系数较变质岩低些；采空区的环境恒温恒湿，不同区域岩性不一致表现出来的性质也不同，在实际利用过程中要综合考量，表1 给出了不同类围岩的岩性特征和在采空区的状态，在一定程度上可以为采空区利用提供参考。

表1 不同种类的矿井围岩状态分析

不同埋深与岩性的地下采空区空间围岩稳定性不同，但绝大多数岩浆岩如花岗岩物理力学性质长期稳定，而变质岩中诸如石英岩等性质也十分稳定，沉积岩中诸如砂岩、页岩等性质也比较致密，力学性质较好，这些岩石在一定时期内可以保持较好的稳定性，对于矿区地下空间利用较有利。开发关停后的矿井采空区地下空间时必须考虑围岩岩性及其稳定性状态，地下空间的开发需求不一，对岩性的影响因素重点考量点也不一，同一类型的废弃矿井围岩在不同位置特性都有所差别，开发利用时所适用的建筑物及构筑物类型也有所差别，实际开发时都要考虑这些因素[5]。

4 结论

采空区岩体失稳机制主要有三方面：矿柱压入底板发生底鼓、矿柱破坏、顶板坍塌。这三个因素都与岩体在长期荷载作用下的强度及其稳定性有直接关系，在进行规划设计时应重点考虑。同时，不同区域的岩体岩性不一致，在开发利用时要参考表1 统计的围岩状态，作出初步判断，开展进一步研究。同时，结合采空区当下环境，顶板如在特定时间内垮落，顶板岩石重新充填并再次压实，采空区的利用需重新评价。地下采空区内的环境千差万别，巷道的布置也存在差别，在开发过程中，还需对地下的整体环境进行分区，还需要测算不同区域不同时间的巷道下沉系数，充分评价地下可利用巷道空间的基岩稳定性。