某石膏礦采空區穩定性評價

李國新

（湖南金水塘礦業有限責任公司，湖南 衡陽 421622）

某石膏礦采空區穩定性評價

李國新

（湖南金水塘礦業有限責任公司，湖南 衡陽 421622）

將集對理論應用至某膏體礦山采空區穩定評價中，通過建立單個礦山采空區因素值與標準值之間的同、異、反聯系度，從而得到該礦山采空區的評價值，為礦山采空區穩定性評價提供了一條新的思路。

集對理論；聯系度；采空區穩定性

目前，我國地下開采的石膏礦山普遍采用房柱法開采，留設的礦柱維持著整個采場的穩定，同時，不可避免地遺留了大量的采空區。因此，采空區作為礦山安全生產的重大隱患之一，對采空區穩定性進行合理評價，對礦山安全生產有著重要的意義［1］。

1 石膏礦采空區穩定性的研究現狀

目前，國內外專家對采空區穩定性的研究方法主要集中運用數學預測分析方法、傳統力學分析方法、數值模擬方法等。

1.數學預測分析方法。該類方法主要以層次分析法、最大隸屬度等為主，其主要是通過分析影響采空區穩定性的各個因素做出定量或定性分析，最終對采空區穩定性做出判斷。

2.傳統力學分析方法。該方法主要是以彈性力學、結構力學等傳統力學為代表，將礦山原有復雜的模型進行簡化，結合傳統的經典力學公式，計算出相關安全系數，判斷采空區的穩定性。徐必根等［2］在傳統力學模型的基礎上，以湖南常德某礦山的實測數據為例，分析了護頂層礦層穩定性的影響因素，根據該石膏礦開采結構參數，提出合理的護頂層厚度，為石膏礦山采場護頂層厚度的設計提供了理論依據。

3.數值模擬方法。隨著計算機技術的發展，借助離散元FLAC，有限元軟件ANSYS等計算機數值模擬軟件，通過對空區地質、力學環境簡化，設置一定的模擬條件，進而得到了安全系數，實現對采空區穩定性的判斷。廖文景［3］以湖南某石膏礦為例，結合室內力學參數試驗，采用二維彈塑性有限元分析程序，對比分析在干燥采場和泡水采場的礦柱穩定性，從而分析了水對采場采空區的影響。

4.經驗類比法。即參照同類礦山采空區地質情況，比如，采空區冒落前出現的頂板掉渣等現象，進而判斷采空區穩定性。

礦山現有的采空區評價方法往往只選取少量信息，難以采集到影響采空區穩定性的全部信息，難以全面、準確地反映現場采空區情況。比如，傳統力學模型，往往將礦山的地質條件進行簡化，然后運用相關力學計算出采空區頂板或者頂板的安全系數，進而判斷采空區的安全性。此類方法雖然在一定程度上解決了采空區“信息”綜合過程，但往往簡化模型的參數選取的代表性有待斟酌。而數值模擬方法，該類方法對技術人員的計算機水平要求較高，很難在普通的技術領域推廣，存在一定的局限性。因此，如何將采空區穩定性“特征”信息進行最大程度綜合，方便易行，需針對實際情況采取合理的治理措施。

2 集對理論簡介

2.1 集對分析原理

集對分析作為一種用來處理不確定性模糊耦合問題的系統分析方法，是由我國學者趙克勤提出，關鍵是處理不確定性與確定性這一系統［4～6］。

2.2 聯系度

對于2個給定的集合組成的集對H＝｛A，B｝，在某個具體問題W中進行分析，共得到N個特征，其中，有S個特征相同，Q個特征對立，在其余的P個特征（N＝S＋P＋Q）上關系不確定，此集對聯系度μ：

其中，a、b、c分別稱為集對的同一度、差異度和對立度，i，j分別為差異度及對立度所對應的系數，一般i取值為0.8，j取值為－1。

3 采空區穩定性分類影響因素分析

采空區失穩歸根到底是礦柱或圍巖的失穩。石膏礦山采空區穩定性受多種因素影響，結合國內外研究成果及采空區管理的實際經驗，采空區穩定性分類應重點考慮：采空區存在時間、采空區的面積、采空區礦柱面積比率、礦柱寬高比、采空區是否有水、采空區當前地壓及周邊情況等標志。

1.采空區賦存時間。軟弱的石膏，在地應力及二次應力擾動的耦合作用下，具有變形隨時間延長而其強度變低的流變特性。根據相關研究表明，當采空區存在時間超過10 a，礦柱支撐能力減弱，采空區穩定性難以保證。

2.采空區面積。根據相關研究表明，當石膏礦采空區規模達到20 000 m2時，其穩定性將受到明顯不利影響。結合石膏礦采空區人工放頂的實際經驗，當采空區面積小于2 000 m2時，采空區冒落的可能性不大。

3.礦柱面積比率。結合現場實踐經驗，當礦柱面積比率在65%以上時，礦柱可維持較高的支撐強度，采空區一般不易發生大面積地壓；當礦柱面積比率小于50%、礦柱較稀疏時，采空區失穩機率較大。

4.礦柱寬高比。根據相關研究，當礦柱寬高比大于1∶1時，礦柱的穩定性好，支撐能力強，而當礦柱寬高比小于1∶2時，礦柱尺寸偏小，失穩機率大，對采空區的穩定性不利。

5.采空區當前地壓。在若干影響因素的共同作用下，石膏礦山采空區在不同的時間段內，一般會有一定的礦壓顯現現象。

6.采空區積水因素。在現有的石膏礦開采方法中，主要是以房柱法為主。因此，采空區的穩定狀態由礦房和礦柱兩個基本要素共同決定。石膏礦內積水后，石膏石泡水后的抗壓及抗拉強度嚴重下降，石膏礦柱的地基安全系數弱化，對采空區穩定性有較大影響。

7.采空區周邊情況。周圍是否存在冒落區、采空區所處的應力環境如何、有無斷層等不利地質條件對采空區的穩定性均有一定影響。斷層、節理弱面或其它地質構造因素對巖體強度弱化，同時外界的爆破震動等因素也對采空區穩定性造成不利影響。

4 采空區穩定性分類

考慮到分類標志多，影響程度不同，且各個分類標志本身存在不同情況，總結礦山現有實踐經驗，現將采空區穩定性劃分整理成表，詳情見表1。

表1 采空區穩定性分類表

5 工程案例

以某石膏礦采空區為例，該采空區形成于2008年，埋深約300 m，采空區面積15 000 m2。礦山現有的采礦方法為房柱法采礦法，礦房長度為15 m，寬10 m，高9 m，礦柱尺寸多為（15～30）m×（6～10）m。同時，該采空區局部礦柱有輕微的開裂現象，頂、底板均無明顯變化。該采空區內基本無水，周邊也無地質構造等不利情況，實測指標情況見表2。

表2 實測指標值

根據集對理論原理，并結合表2，進行某石膏礦采空區的處理，得出該采空區的評價值，其結果見表3。

表3 采空區穩定性評價結果

由于u（Aj，B3）最大，其聯系度最大，故評價結果為Ⅲ級。

6 結 論

1.采空區穩定性影響因素很多，從采空區賦存時間、采空區面積、礦柱寬高比等幾個因素出發，分析影響礦山現有采空區穩定性的因素，并結合工程實踐經驗，將采空區穩定性劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個標準，為采空區穩定性劃分提供了一定的技術支持。

2.將某石膏礦采空區的具體指標與各個分類對應，得出采空區穩定性集對理論穩定性評價值同、異、反聯系度，得出該穩定性評價為Ⅲ級，該理論方法不僅為礦山穩定性評價提供了新的思路，同時為礦山進一步安全管理和相關生產提供一定的依據。

［1］ 鄭茂興，陳明磊，楊久富，等.石膏礦采空區穩定性分類綜合評判法［J］.化工礦物與加工，2012，（5）：24－28.

［2］ 徐必根，黃英華，劉小林.護頂層對石膏礦采空區穩定性影響研究［J］.礦業研究與開發，2007，27（5）：20－22.

［3］ 廖文景.石膏礦采空區積水對礦柱穩定性的影響分析［J］.采礦技術，2009，9（3）：52－54.

［4］ 肖超，鄭懷昌，武文治，等.基于集對分析的石膏礦采空區穩定性評價［J］.中國礦業，2014，（10）：40－45.

［5］ 吳大國，汪明武，張薇薇.基于集對分析的圍巖穩定性評價［J］.西部探礦工程，2008，20（2）：6－7.

［6］ 高黎，何曉嘩，劉小兵，等.基于集對分析與粗糙集理論的綜合評價模型［J］.后勤工程學院學報，25（4）：81－85.

The Stability Evalutation of a Gypsum Mine Goaf

LI Guo-xin

（Hunan Jingshuitang Mining Co.，Ltd.，Hengyang 421622，China）

The set pair analysis is applied to the evaluction of a paste mine goaf stability.First，establish the connection degreee between a single factor of the goaf and the standard values，then get the goaf stability evaluation value.It provids a new way to evaluate the stability of the goaf.

set pair analysis；connection degree；the stability of the goaf

TD76

A

1003－5540（2015）03－0007－03

2015－03－10

李國新（1988－），男，助理工程師，主要從事礦山現場管理工作。