采空區利用的巖石穩定性影響因素分析研究＊

吳慧

（寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川750021）

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，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境、探索人類可持續發展的有效途徑。地下空間開發難度大、成本高、危險性大是一直以來存在的問題。而在當下中國傳統產業轉型和升級過程中提出去產能、去庫存的理念致使大量礦井關閉，未來還將陸續有礦井關閉，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。在開發過程中采空區巖體的穩定性決定著開發過程中的安全問題，本文對采空區巖體在開發過程中可能會導致圍巖失穩的因素進行了分析，同時對地下采空區的巖石類別及其巖性進行了分析，認為地下采空區的利用要充分考慮圍巖可能會發生的失穩情況以及各類巖石的強度特性。

2 采空區巖體失穩機理

采空區一般指將地下礦藏物質采掘完成之后留下的空區，由于礦產品的賦存是大面積成片出現的，形成的采空區也連續出現，空間結構很大。采掘完成之后所形成的空間結構主要依靠上部支撐巖層（上覆巖層）結構的強度及其穩定性，巖層一旦產生變形可能導致整體地下空間結構失穩而引起上覆巖層破壞和地表下沉。經過調查發現，大部分廢棄采空區失穩破壞并導致上覆巖層破壞和地表發生沉降的主要原因為礦柱失穩、礦柱壓入底板發生底鼓、頂板坍塌等，不同的破壞機制將造成不同的塌陷形態[1]。

2.1 礦柱失穩

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量的礦體。礦柱作為采空區的支撐體系，一旦發生失穩會破壞采空區，特別對于采深較大的老采空區影響更大。礦柱的形狀一般為長方形或正方形，國內外許多學者曾進行了礦柱破壞機理的大量研究。研究表明礦柱的穩定性主要取決于礦柱強度和礦柱應力，當礦柱應力超過礦柱強度時，礦柱將失穩破壞[2]。在實際當中可用安全系數來判定礦柱的穩定性。

2.2 采空區底板產生底鼓

采空區中巷道頂底板和兩側巖體產生變形并向巷道內產生位移，導致巷道底板向上隆起的現象稱為底鼓。產生底鼓的主要因素是底板巖層性質、圍巖應力、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生的影響和圍巖應力是導致底鼓發生的主要因素，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；對已經產生的底鼓清除底鼓，將巷道已發生底鼓的部分巖石清除，恢復采空區面積。對于廢棄老采空區，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象發生。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。頂板坍塌導致采空區上部地表將形成塌陷。采空區上方的覆巖中的硬巖層可阻止坍塌繼續發展；在采掘深度較大的地方，巖層的坍塌發展到一定的程度后將停止，采空區上方的巖層只產生彎曲下沉，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圍巖狀態分析

不同類型的采空區圍巖巖性特點各異，在外部環境因素影響條件下會表現出不同的狀態。通常來說巖漿巖和變質巖所構成的采空區圍巖致密堅硬，穩定性高；沉積巖巖石采空區所對應的圍巖硬度系數較變質巖低些；采空區的環境恒溫恒濕，不同區域巖性不一致表現出來的性質也不同，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的狀態，在一定程度上可以為采空區利用提供參考。

表1 不同種類的礦井圍巖狀態分析

不同埋深與巖性的地下采空區空間圍巖穩定性不同，但絕大多數巖漿巖如花崗巖物理力學性質長期穩定，而變質巖中諸如石英巖等性質也十分穩定，沉積巖中諸如砂巖、頁巖等性質也比較致密，力學性質較好，這些巖石在一定時期內可以保持較好的穩定性，對于礦區地下空間利用較有利。開發關停后的礦井采空區地下空間時必須考慮圍巖巖性及其穩定性狀態，地下空間的開發需求不一，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，開發利用時所適用的建筑物及構筑物類型也有所差別，實際開發時都要考慮這些因素[5]。

4 結論

采空區巖體失穩機制主要有三方面：礦柱壓入底板發生底鼓、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定性有直接關系，在進行規劃設計時應重點考慮。同時，不同區域的巖體巖性不一致，在開發利用時要參考表1 統計的圍巖狀態，作出初步判斷，開展進一步研究。同時，結合采空區當下環境，頂板如在特定時間內垮落，頂板巖石重新充填并再次壓實，采空區的利用需重新評價。地下采空區內的環境千差萬別，巷道的布置也存在差別，在開發過程中，還需對地下的整體環境進行分區，還需要測算不同區域不同時間的巷道下沉系數，充分評價地下可利用巷道空間的基巖穩定性。