采空區(qū)利用的巖石穩(wěn)定性影響因素分析研究＊

吳慧

（寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川750021）

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，地球資源消耗增加，向地下要空間、要資源成為尋求良好生存環(huán)境、探索人類可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。地下空間開發(fā)難度大、成本高、危險性大是一直以來存在的問題。而在當(dāng)下中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級過程中提出去產(chǎn)能、去庫存的理念致使大量礦井關(guān)閉，未來還將陸續(xù)有礦井關(guān)閉，這是必然趨勢，在如此大體量之下，對這些廢棄礦井的地下空間重新利用，不但能夠節(jié)省地下空間建造費用，還能避免地下空間資源的浪費。在開發(fā)過程中采空區(qū)巖體的穩(wěn)定性決定著開發(fā)過程中的安全問題，本文對采空區(qū)巖體在開發(fā)過程中可能會導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)的因素進行了分析，同時對地下采空區(qū)的巖石類別及其巖性進行了分析，認為地下采空區(qū)的利用要充分考慮圍巖可能會發(fā)生的失穩(wěn)情況以及各類巖石的強度特性。

2 采空區(qū)巖體失穩(wěn)機理

采空區(qū)一般指將地下礦藏物質(zhì)采掘完成之后留下的空區(qū)，由于礦產(chǎn)品的賦存是大面積成片出現(xiàn)的，形成的采空區(qū)也連續(xù)出現(xiàn)，空間結(jié)構(gòu)很大。采掘完成之后所形成的空間結(jié)構(gòu)主要依靠上部支撐巖層（上覆巖層）結(jié)構(gòu)的強度及其穩(wěn)定性，巖層一旦產(chǎn)生變形可能導(dǎo)致整體地下空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而引起上覆巖層破壞和地表下沉。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分廢棄采空區(qū)失穩(wěn)破壞并導(dǎo)致上覆巖層破壞和地表發(fā)生沉降的主要原因為礦柱失穩(wěn)、礦柱壓入底板發(fā)生底鼓、頂板坍塌等，不同的破壞機制將造成不同的塌陷形態(tài)[1]。

2.1 礦柱失穩(wěn)

礦柱指在采礦工作中，為了保護人員安全和巷道的完整而留下一定數(shù)量的礦體。礦柱作為采空區(qū)的支撐體系，一旦發(fā)生失穩(wěn)會破壞采空區(qū)，特別對于采深較大的老采空區(qū)影響更大。礦柱的形狀一般為長方形或正方形，國內(nèi)外許多學(xué)者曾進行了礦柱破壞機理的大量研究。研究表明礦柱的穩(wěn)定性主要取決于礦柱強度和礦柱應(yīng)力，當(dāng)?shù)V柱應(yīng)力超過礦柱強度時，礦柱將失穩(wěn)破壞[2]。在實際當(dāng)中可用安全系數(shù)來判定礦柱的穩(wěn)定性。

2.2 采空區(qū)底板產(chǎn)生底鼓

采空區(qū)中巷道頂?shù)装搴蛢蓚?cè)巖體產(chǎn)生變形并向巷道內(nèi)產(chǎn)生位移，導(dǎo)致巷道底板向上隆起的現(xiàn)象稱為底鼓。產(chǎn)生底鼓的主要因素是底板巖層性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、水理作用、巖體強度和地溫等。其中巖層本身屬性及地下水對其產(chǎn)生的影響和圍巖應(yīng)力是導(dǎo)致底鼓發(fā)生的主要因素，試驗研究表明有效控制底鼓的方法主要是采取防治措施，將底鼓變形量減少到安全允許值范圍；對已經(jīng)產(chǎn)生的底鼓清除底鼓，將巷道已發(fā)生底鼓的部分巖石清除，恢復(fù)采空區(qū)面積。對于廢棄老采空區(qū)，由于地下水和地面附加荷載的作用，將加劇礦柱壓入底板和底鼓現(xiàn)象發(fā)生。大面積礦柱壓入底板和底鼓造成的地面沉降形式一般為較平緩的塌陷盆地[3]。

2.3 頂板坍塌

采空區(qū)頂板坍塌主要是巖層強度較差和礦柱間距過大造成的。頂板坍塌導(dǎo)致采空區(qū)上部地表將形成塌陷。采空區(qū)上方的覆巖中的硬巖層可阻止坍塌繼續(xù)發(fā)展；在采掘深度較大的地方，巖層的坍塌發(fā)展到一定的程度后將停止，采空區(qū)上方的巖層只產(chǎn)生彎曲下沉，最終在地表形成一個下沉盆地。頂板的坍塌破壞可分為上覆巖層逐層垮落和整體塌陷兩種形式[4]。

3 不同類別巖石采空區(qū)圍巖狀態(tài)分析

不同類型的采空區(qū)圍巖巖性特點各異，在外部環(huán)境因素影響條件下會表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。通常來說巖漿巖和變質(zhì)巖所構(gòu)成的采空區(qū)圍巖致密堅硬，穩(wěn)定性高；沉積巖巖石采空區(qū)所對應(yīng)的圍巖硬度系數(shù)較變質(zhì)巖低些；采空區(qū)的環(huán)境恒溫恒濕，不同區(qū)域巖性不一致表現(xiàn)出來的性質(zhì)也不同，在實際利用過程中要綜合考量，表1 給出了不同類圍巖的巖性特征和在采空區(qū)的狀態(tài)，在一定程度上可以為采空區(qū)利用提供參考。

表1 不同種類的礦井圍巖狀態(tài)分析

不同埋深與巖性的地下采空區(qū)空間圍巖穩(wěn)定性不同，但絕大多數(shù)巖漿巖如花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)長期穩(wěn)定，而變質(zhì)巖中諸如石英巖等性質(zhì)也十分穩(wěn)定，沉積巖中諸如砂巖、頁巖等性質(zhì)也比較致密，力學(xué)性質(zhì)較好，這些巖石在一定時期內(nèi)可以保持較好的穩(wěn)定性，對于礦區(qū)地下空間利用較有利。開發(fā)關(guān)停后的礦井采空區(qū)地下空間時必須考慮圍巖巖性及其穩(wěn)定性狀態(tài)，地下空間的開發(fā)需求不一，對巖性的影響因素重點考量點也不一，同一類型的廢棄礦井圍巖在不同位置特性都有所差別，開發(fā)利用時所適用的建筑物及構(gòu)筑物類型也有所差別，實際開發(fā)時都要考慮這些因素[5]。

4 結(jié)論

采空區(qū)巖體失穩(wěn)機制主要有三方面：礦柱壓入底板發(fā)生底鼓、礦柱破壞、頂板坍塌。這三個因素都與巖體在長期荷載作用下的強度及其穩(wěn)定性有直接關(guān)系，在進行規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)重點考慮。同時，不同區(qū)域的巖體巖性不一致，在開發(fā)利用時要參考表1 統(tǒng)計的圍巖狀態(tài)，作出初步判斷，開展進一步研究。同時，結(jié)合采空區(qū)當(dāng)下環(huán)境，頂板如在特定時間內(nèi)垮落，頂板巖石重新充填并再次壓實，采空區(qū)的利用需重新評價。地下采空區(qū)內(nèi)的環(huán)境千差萬別，巷道的布置也存在差別，在開發(fā)過程中，還需對地下的整體環(huán)境進行分區(qū)，還需要測算不同區(qū)域不同時間的巷道下沉系數(shù)，充分評價地下可利用巷道空間的基巖穩(wěn)定性。