本文關(guān)鍵詞：采空區(qū)處理方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

１．１．２石膏礦產(chǎn)資源及開采安全現(xiàn)狀；石膏是在非金屬礦中用途廣、產(chǎn)量大、產(chǎn)量增速快、在；我國探明石膏儲量達(dá)６００億ｔ，石膏資源的特點(diǎn)是：；我國７０％的石膏是地下開采；隨著開采時間的延續(xù)和開采范圍的擴(kuò)大，不少地下礦山；２０００年３月２８日山東嶧城石膏礦發(fā)生重大冒頂事；采空區(qū)垮塌極大的危害石膏礦山安全生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)引起安；１．１．３課題研究的意義；我國７０％的石膏資

１．１．２石膏礦產(chǎn)資源及開采安全現(xiàn)狀

石膏是在非金屬礦中用途廣、產(chǎn)量大、產(chǎn)量增速快、在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位的礦種，主要用于石膏建筑制品、水泥緩凝劑、土壤調(diào)節(jié)劑、肥料、農(nóng)藥、造紙、油漆、橡膠、塑料、紡織、食品、工藝美術(shù)、文教、醫(yī)藥等。近十多年來，我國石膏礦是非金屬礦中發(fā)展速度最快和發(fā)展勢頭最穩(wěn)定的礦種。

我國探明石膏儲量達(dá)６００億ｔ，石膏資源的特點(diǎn)是：儲量大，分布廣；普通石膏和硬石膏多，優(yōu)質(zhì)石膏資源非常少，僅占儲量的１０％左右。我國現(xiàn)有石膏礦山約５００座【３】，礦山平均年產(chǎn)量約５萬噸。其中１０萬噸以上的礦山僅３０多座，占總石膏礦產(chǎn)量的４０％。比較著名的石膏生產(chǎn)基地有南京石膏礦、大汶口石膏礦區(qū)、平邑石膏礦、大為石膏礦、靈石石膏礦、湖北龍?jiān)词嘤邢薰�、隆堯雙碑石膏礦區(qū)等。

我國７０％的石膏是地下開采。由于石膏價廉，除極少數(shù)以纖維石膏為主的礦山采用壁式充填法和房柱式充填法開采外，絕大多數(shù)礦山采用房柱采礦法開采，留石膏護(hù)頂層以增加頂板的穩(wěn)固性，少數(shù)礦山采用全面采礦法。

隨著開采時間的延續(xù)和開采范圍的擴(kuò)大，不少地下礦山的采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，其面積往往達(dá)到幾萬、幾十萬，甚至上百萬ｍ２，體積則達(dá)到幾十萬、幾百萬ｍ３。當(dāng)采空區(qū)面積超過一定界限之后，如不及時處理，就會導(dǎo)致采場、巷道發(fā)生巖層錯動甚至巖體崩塌，常伴有巨晌，氣流沖擊，而且可能引起地表開裂、下沉，導(dǎo)致地面建筑物陷落、倒塌及礦區(qū)地震等形式的嚴(yán)重地壓災(zāi)害，可能造成重大人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。

２０００年３月２８日山東嶧城石膏礦發(fā)生重大冒頂事故，死亡５人：２００１年５月１８日廣西合浦縣恒大石膏礦發(fā)生特大冒頂事故，死亡２９人；２００３年１１月１０日河北邢隆石膏礦發(fā)生重大冒頂事故，死亡５人；２００４年２月１６日，廣東省興寧市葉塘石膏二礦發(fā)生重大冒頂事故，死亡６人；２００５年１１月６日，河北省邢臺縣尚汪莊石膏礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)特別重大冒頂坍塌事故，死亡３７人；２００６年８月１９日，湖南石門縣蒙泉鎮(zhèn)天子崗村天德石膏礦老采空區(qū)發(fā)生重大垮塌事故，９人死亡�？梢娔壳笆嗟V安全生產(chǎn)形勢極為嚴(yán)峻。

采空區(qū)垮塌極大的危害石膏礦山安全生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)引起安全監(jiān)管部門和礦山企業(yè)的高度重視。作為礦山安全生產(chǎn)的重大危險源，采空區(qū)處理的研究工作，查清塌方事故發(fā)生的原因、性質(zhì)、發(fā)生機(jī)理和危害后果并提出相應(yīng)的防治措施已刻不容緩。２

１．１．３課題研究的意義

我國７０％的石膏資源是地下開采，但無論是在開采的數(shù)量、工藝、裝備和安全技術(shù)條件等方面，還是在國民經(jīng)濟(jì)中所占的比重都不能與煤炭和金屬礦山相比。石膏礦的礦體和圍巖主要為中軟弱和軟弱巖體，大多采用房柱采礦法開采。隨著開采深度的增加和采空區(qū)面積的擴(kuò)大，采空區(qū)穩(wěn)定性問題越來越重要，它直接關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)和深部礦體的開采規(guī)劃。由于一些石膏礦山建設(shè)先天不足，導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)條件惡化，安全事故頻繁發(fā)生。因此，老采空區(qū)處理問題對石膏礦山預(yù)防和減少事故、防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

１．２國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

１．２．１采場上覆巖層運(yùn)動規(guī)律的研究現(xiàn)狀

礦層開采后必然引起巖體向采空區(qū)移動，巖層移動將造成礦山壓力顯現(xiàn)，出現(xiàn)采動裂隙，直至引起地表沉陷等采動損害。掌握采動巖體的移動規(guī)律，特別是內(nèi)部巖層的移動規(guī)律，對采空區(qū)的控制和處理有重要意義。

目前關(guān)于上覆巖層的破壞機(jī)理及運(yùn)動規(guī)律的理論有四種比較流行的理論。它們都在不同程度上解釋了不同地質(zhì)條件、不同開采方式和不同開采階段，圍巖破壞和地表移動的特征【．￣７ｌ。

（１）冒落拱理論

上世紀(jì)初，早期的礦壓研究者、前蘇聯(lián)工程師中．許普魯特提出“拱”理論。他認(rèn)為，采場在～個“前腳在煤壁，后腳在采空區(qū)”的拱結(jié)構(gòu)的保護(hù)下。此觀點(diǎn)解釋了兩個重要的礦壓現(xiàn)象：①支架承受上覆巖層的范圍是有限的；②煤壁上和老塘矸石上將形成較大的支撐壓力，來源為空頂上方的巖重。由于“拱”說難以解釋采場周期來壓等現(xiàn)象，現(xiàn)場也難找到定量描述拱結(jié)構(gòu)的參數(shù)，所以“拱”說只停留在對礦壓現(xiàn)象的一般解釋上，不能很好地用于實(shí)際。

（２）冒落巖塊鉸按理論

它是原蘇聯(lián)學(xué)者Ｔ?Ｈ?庫茨涅佐夫在上世紀(jì)５０年代提出的。他認(rèn)為需要控制的頂板由冒落帶和其上的鉸接巖梁組成，冒落帶給予支架的是“給定載荷”，它的作用力必須由支架全部承擔(dān)。鉸接巖塊在水平推力的作用下，構(gòu)成一個梁式的平衡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與支架之間存在“給定變形”的關(guān)系，這是定量研究礦壓現(xiàn)象的一個重大突破。但庫氏理論對形成鉸接巖塊平衡結(jié)構(gòu)的采場條件以及支架與頂板之間的作用關(guān)系研究不夠。３

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

（３）懸臂梁冒落論與冒落巖塊碎脹充填理論

它是德國人舒爾茨和施托克提出的。該理論把工作面和采空區(qū)上方的頂板看作是梁或板，初次冒落后，該梁或板的一端固定在工作面和采空區(qū)前方的礦壁上，而另一端自由懸露，或者支撐在支架或跨落的巖石上，也可能只產(chǎn)生彎曲變形而不折斷。當(dāng)懸臂梁的懸臂長度很大時，就發(fā)生周期性的冒落。冒落的巖塊由于破裂或其存在裂縫而體積膨脹，并填充了采空區(qū)所留下的部分空間，從而限制了覆巖冒落的繼續(xù)發(fā)展，使之逐漸趨向穩(wěn)定。

（４）“砌體梁”和“傳遞巖梁”理論

上世紀(jì)７０年代，我國學(xué)者在庫氏鉸接巖梁理論基礎(chǔ)上，發(fā)展了至今仍占主導(dǎo)地位的“砌體梁”和“傳遞巖梁”理論。

“砌體梁”理論集中研究了裂隙帶巖層形成結(jié)構(gòu)的可能性以及結(jié)構(gòu)的平衡條件，它的結(jié)論更適合于存在堅(jiān)硬巖層的采場。該理論認(rèn)為采場圍巖砌體梁結(jié)構(gòu)模型并非僅指單純的巖塊堆砌，是一個有機(jī)的運(yùn)動著的整體，包括堅(jiān)硬巖層的變形、破斷和失穩(wěn)，也包括塊與塊、塊與墊層、塊與連續(xù)巖層的接觸和鉸合，還包括裂隙、離層、水和瓦斯流動等。

“傳遞巖梁”理論認(rèn)為，在一定采高、推進(jìn)速度和頂板組成的條件下，平衡結(jié)構(gòu)的存在是必然的，它看待平衡結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)是從結(jié)構(gòu)向煤壁前方和老塘矸石傳遞力的方面考慮的。明顯，這種結(jié)構(gòu)在一般采場均存在。在進(jìn)行支架圍巖關(guān)系研究時，加進(jìn)了“存在堅(jiān)硬巖層”的前提條件。故該理論所建立的力學(xué)模型均以兩個巖塊組成的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。該理論還認(rèn)為，采場支架可以改變鉸接巖梁的位態(tài)，并以聰塊模型推導(dǎo)出了位態(tài)方程，為支護(hù)設(shè)計定量化提供了重要思路。

“砌體梁”和“傳遞巖梁”理論都認(rèn)為，堅(jiān)硬巖層能在煤壁前方斷裂，通過研究巖層運(yùn)動與支撐壓力之間的關(guān)系，提出了來壓預(yù)報的機(jī)理和方法，為減少我國惡性頂板事故做出了重大貢獻(xiàn)�！捌鲶w梁”和“傳遞巖梁”理論主要是針對長壁工作面的。由于巖梁理論只適用于工作面長度與初次來壓步距之比大于５倍的采場，近幾年來在堅(jiān)硬頂板采煤工作面，一些學(xué)者引進(jìn)了巖板理論，即用固支或簡支彈性板以及彈性基礎(chǔ)上的薄板模型，研究頂板初斷步距與厚度之比大于５～８倍的堅(jiān)硬頂板，也取得了很多成果。

大量實(shí)踐表明，在巖層中存在一層至數(shù)層厚硬巖層，在巖層移動中起主要的控制作用。在此基礎(chǔ)上，為解決巖層控制中更廣泛的問題，近年來在錢鳴高院士領(lǐng)導(dǎo)下的課題組提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論【踟。該理論是將對采場上覆巖層活動全部（或局部）起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層（或亞關(guān)鍵層）。覆巖中的關(guān)鍵層一般為厚度較大的硬巖層，但覆巖中的厚硬巖層不一定都是關(guān)鍵層。關(guān)鍵４

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

層判別的主要依據(jù)是其變形和破斷特征，即在關(guān)鍵層破斷時，，其上覆全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的。即關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運(yùn)動。覆巖中的亞關(guān)鍵層可能不止一層，但主關(guān)鍵層只有一層。關(guān)鍵層理論研究的總體思路是：為弄清楚開采時由下向上傳遞的巖層移動動態(tài)過程，并對巖層移動過程中形成的采場礦壓顯現(xiàn)、煤巖體中水與瓦斯的流動和地表沉陷等狀態(tài)的變化進(jìn)行有效監(jiān)測與控制，關(guān)鍵在于弄清關(guān)鍵層的變形破斷及其運(yùn)動規(guī)律，以及在運(yùn)動過程中與軟巖層間的相互耦合作用關(guān)系。關(guān)鍵層理論的研究在層狀礦體開采過程中，在關(guān)于礦山壓力控制、開采沉陷控制、瓦斯抽放及透水防治等方面取得了很大成功。特別是在“三下一上”采煤方面，根據(jù)主關(guān)鍵層與煤層的力學(xué)特征，確定合理的采留寬比，保證了主關(guān)鍵層與煤柱的長期穩(wěn)定，使地表平緩下沉，變形量符合三下采煤規(guī)程要求，地面構(gòu)筑物得到完好的保護(hù)１９Ｊ。

因?yàn)檫@些理論主要是針對煤礦采場（工作面）上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行的研究，在非煤礦床開采中，由于開采工藝、開拓方式及采掘布置的特殊性及老空區(qū)的遺留特點(diǎn)，必須進(jìn)行有針對性的研究。

１．２．２采空區(qū)的沉陷模式理論研究狀況

地表開采沉陷問題很早就被人重視，從１５世紀(jì)開始，人們通過各種方法來研究沉陷模式【ｌｏｑ４】。主要理論有：

從十五世紀(jì)到十九世紀(jì)末是沉陷理論的萌芽階段，最主要的理論是“法線理論”及修正的“法線理論”，這些理論主要用來確定開采破壞范圍，其中確定破壞極限角的方法一直沿用至今。

從十九世紀(jì)末Ｎ－－十世紀(jì)初，‘是理論發(fā)展的初期階段。在這個階段，歐洲工業(yè)大發(fā)展，使有用礦產(chǎn)的需求大幅增加，圍繞礦區(qū)形成了許多大工業(yè)中心，從而使得沉陷理論研究逐漸深入，開始了開采地表下沉與變形規(guī)律的研究，形成了以布德雷克——克諾泰為代表的地表沉陷幾何理論。

二十世紀(jì)開始到現(xiàn)在，是理論大發(fā)展的階段，建立了許多系統(tǒng)的理論，從各個不同的角度出發(fā)，形成了多種地表移動與變形預(yù)計方法。按采用方法的基礎(chǔ)，這些方法可分為：經(jīng)驗(yàn)方法、分布函數(shù)法、理論模型法三大類。早期，人們根據(jù)當(dāng)時所了解的有關(guān)巖層移動的知識還不能提出從采空區(qū)到地表整個巖體移動過程的統(tǒng)一理論，只能放棄創(chuàng)立巖層移動力學(xué)——數(shù)學(xué)模型的企圖，而以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場觀測為基礎(chǔ)來研究可直接用于工程的經(jīng)驗(yàn)性的地表變形預(yù)計方５

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法。后來，隨著礦山巖土工程實(shí)踐的增多，礦山力學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，開采沉陷在多學(xué)科相互滲透中快速發(fā)展。其中最具代表性的是以阿維爾申及沙武斯托維奇為代表的連續(xù)介質(zhì)理論；波蘭學(xué)者李特威尼申（Ｊ．Ｌｉｔｗｉｎｉｓｙｎ）院士為代表的隨機(jī)介質(zhì)理論，他用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論將巖體視為非連續(xù)介質(zhì)提出了隨機(jī)介質(zhì)理論，卓有成效地促進(jìn)了巖移研究工作的開展，后經(jīng)我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等發(fā)展完善而形成的【∞￣２”，是目前應(yīng)用廣泛且比較符合實(shí)際情況的方法。

文獻(xiàn)【１８ｌ導(dǎo)出了地下開采后山地地表出現(xiàn)傾斜、曲率及水平變形的表達(dá)式；文獻(xiàn)【１５】【１９】，對山區(qū)開采引起的地面下沉給出了數(shù)值計算方法，并利用計算機(jī)進(jìn)行了工程計算分析；文獻(xiàn)【１６１［”１采用ＦＵＺＺＹ測度理論對復(fù)雜條件下開采巖體變形問題進(jìn)行了卓有成效的理論分析，它把導(dǎo)致巖體變形的諸因素都視為模糊因素，建立了開采巖體變形的數(shù)學(xué)模型。

１．２．３采空區(qū)處理的一般方法

地下采空區(qū)對工程的危害主要體現(xiàn)在兩個方面：

①采空區(qū)頂扳大面積冒落，造成地下工程結(jié)構(gòu)破壞和人員傷亡、地表沉陷和開裂，破壞地面環(huán)境，威脅地面人員和設(shè)施的安全。

②礦山開采過程中，采空區(qū)圍巖受爆破震動等影響導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)育，貫通地表或連通老窿積水，發(fā)生透水事故，淹沒坑道和工作面，造成災(zāi)難性事故。

采空區(qū)是礦山生產(chǎn)的重大危險源，是礦山頂板大面積冒落的前提條件，需及時對形成的采空區(qū)進(jìn)行安全處理。目前常用以下的處理方法：

（１）礦柱支撐法

留永久礦柱或構(gòu)筑人工石柱處理空區(qū)，適用于緩傾斜薄至中厚以下用房柱法、全面法回采的礦體，其頂板相當(dāng)穩(wěn)固，地表允許冒落。但從長遠(yuǎn)來說，礦柱可能由于風(fēng)化、侵蝕、剝蝕、片幫等作用而破壞，最終導(dǎo)致整個空區(qū)塌陷。

（２）充填法

用充填料充填空區(qū)，是從坑內(nèi)外將廢石或濕式等充填材料通過車輛運(yùn)輸或管道輸送送入采空區(qū)，將采空區(qū)充填密實(shí)來消除采空區(qū)。分為干式充填采空區(qū)和濕式充填采空區(qū)兩種。使用充填法，需復(fù)雜的充填系統(tǒng)，耗費(fèi)大量人力、財力、物力，管理繁雜，在經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，別無他法時，才選用充填法。

（３）封閉和隔離空區(qū)

主要措施有封閉空區(qū)與外界相通的巷道，設(shè)置隔離層將上部空區(qū)與下部作業(yè)區(qū)隔開，在密閉隔離的空區(qū)上部開通往地表的“天窗”，使空區(qū)冒落產(chǎn)生的沖６

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