某石膏矿采空区稳定性评价

李国新

（湖南金水塘矿业有限责任公司，湖南 衡阳 421622）

某石膏矿采空区稳定性评价

李国新

（湖南金水塘矿业有限责任公司，湖南 衡阳 421622）

将集对理论应用至某膏体矿山采空区稳定评价中，通过建立单个矿山采空区因素值与标准值之间的同、异、反联系度，从而得到该矿山采空区的评价值，为矿山采空区稳定性评价提供了一条新的思路。

集对理论；联系度；采空区稳定性

目前，我国地下开采的石膏矿山普遍采用房柱法开采，留设的矿柱维持着整个采场的稳定，同时，不可避免地遗留了大量的采空区。因此，采空区作为矿山安全生产的重大隐患之一，对采空区稳定性进行合理评价，对矿山安全生产有着重要的意义［1］。

1 石膏矿采空区稳定性的研究现状

目前，国内外专家对采空区稳定性的研究方法主要集中运用数学预测分析方法、传统力学分析方法、数值模拟方法等。

1.数学预测分析方法。该类方法主要以层次分析法、最大隶属度等为主，其主要是通过分析影响采空区稳定性的各个因素做出定量或定性分析，最终对采空区稳定性做出判断。

2.传统力学分析方法。该方法主要是以弹性力学、结构力学等传统力学为代表，将矿山原有复杂的模型进行简化，结合传统的经典力学公式，计算出相关安全系数，判断采空区的稳定性。徐必根等［2］在传统力学模型的基础上，以湖南常德某矿山的实测数据为例，分析了护顶层矿层稳定性的影响因素，根据该石膏矿开采结构参数，提出合理的护顶层厚度，为石膏矿山采场护顶层厚度的设计提供了理论依据。

3.数值模拟方法。随着计算机技术的发展，借助离散元FLAC，有限元软件ANSYS等计算机数值模拟软件，通过对空区地质、力学环境简化，设置一定的模拟条件，进而得到了安全系数，实现对采空区稳定性的判断。廖文景［3］以湖南某石膏矿为例，结合室内力学参数试验，采用二维弹塑性有限元分析程序，对比分析在干燥采场和泡水采场的矿柱稳定性，从而分析了水对采场采空区的影响。

4.经验类比法。即参照同类矿山采空区地质情况，比如，采空区冒落前出现的顶板掉渣等现象，进而判断采空区稳定性。

矿山现有的采空区评价方法往往只选取少量信息，难以采集到影响采空区稳定性的全部信息，难以全面、准确地反映现场采空区情况。比如，传统力学模型，往往将矿山的地质条件进行简化，然后运用相关力学计算出采空区顶板或者顶板的安全系数，进而判断采空区的安全性。此类方法虽然在一定程度上解决了采空区“信息”综合过程，但往往简化模型的参数选取的代表性有待斟酌。而数值模拟方法，该类方法对技术人员的计算机水平要求较高，很难在普通的技术领域推广，存在一定的局限性。因此，如何将采空区稳定性“特征”信息进行最大程度综合，方便易行，需针对实际情况采取合理的治理措施。

2 集对理论简介

2.1 集对分析原理

集对分析作为一种用来处理不确定性模糊耦合问题的系统分析方法，是由我国学者赵克勤提出，关键是处理不确定性与确定性这一系统［4～6］。

2.2 联系度

对于2个给定的集合组成的集对H＝｛A，B｝，在某个具体问题W中进行分析，共得到N个特征，其中，有S个特征相同，Q个特征对立，在其余的P个特征（N＝S＋P＋Q）上关系不确定，此集对联系度μ：

其中，a、b、c分别称为集对的同一度、差异度和对立度，i，j分别为差异度及对立度所对应的系数，一般i取值为0.8，j取值为－1。

3 采空区稳定性分类影响因素分析

采空区失稳归根到底是矿柱或围岩的失稳。石膏矿山采空区稳定性受多种因素影响，结合国内外研究成果及采空区管理的实际经验，采空区稳定性分类应重点考虑：采空区存在时间、采空区的面积、采空区矿柱面积比率、矿柱宽高比、采空区是否有水、采空区当前地压及周边情况等标志。

1.采空区赋存时间。软弱的石膏，在地应力及二次应力扰动的耦合作用下，具有变形随时间延长而其强度变低的流变特性。根据相关研究表明，当采空区存在时间超过10 a，矿柱支撑能力减弱，采空区稳定性难以保证。

2.采空区面积。根据相关研究表明，当石膏矿采空区规模达到20 000 m2时，其稳定性将受到明显不利影响。结合石膏矿采空区人工放顶的实际经验，当采空区面积小于2 000 m2时，采空区冒落的可能性不大。

3.矿柱面积比率。结合现场实践经验，当矿柱面积比率在65%以上时，矿柱可维持较高的支撑强度，采空区一般不易发生大面积地压；当矿柱面积比率小于50%、矿柱较稀疏时，采空区失稳机率较大。

4.矿柱宽高比。根据相关研究，当矿柱宽高比大于1∶1时，矿柱的稳定性好，支撑能力强，而当矿柱宽高比小于1∶2时，矿柱尺寸偏小，失稳机率大，对采空区的稳定性不利。

5.采空区当前地压。在若干影响因素的共同作用下，石膏矿山采空区在不同的时间段内，一般会有一定的矿压显现现象。

6.采空区积水因素。在现有的石膏矿开采方法中，主要是以房柱法为主。因此，采空区的稳定状态由矿房和矿柱两个基本要素共同决定。石膏矿内积水后，石膏石泡水后的抗压及抗拉强度严重下降，石膏矿柱的地基安全系数弱化，对采空区稳定性有较大影响。

7.采空区周边情况。周围是否存在冒落区、采空区所处的应力环境如何、有无断层等不利地质条件对采空区的稳定性均有一定影响。断层、节理弱面或其它地质构造因素对岩体强度弱化，同时外界的爆破震动等因素也对采空区稳定性造成不利影响。

4 采空区稳定性分类

考虑到分类标志多，影响程度不同，且各个分类标志本身存在不同情况，总结矿山现有实践经验，现将采空区稳定性划分整理成表，详情见表1。

表1 采空区稳定性分类表

5 工程案例

以某石膏矿采空区为例，该采空区形成于2008年，埋深约300 m，采空区面积15 000 m2。矿山现有的采矿方法为房柱法采矿法，矿房长度为15 m，宽10 m，高9 m，矿柱尺寸多为（15～30）m×（6～10）m。同时，该采空区局部矿柱有轻微的开裂现象，顶、底板均无明显变化。该采空区内基本无水，周边也无地质构造等不利情况，实测指标情况见表2。

表2 实测指标值

根据集对理论原理，并结合表2，进行某石膏矿采空区的处理，得出该采空区的评价值，其结果见表3。

表3 采空区稳定性评价结果

由于u（Aj，B3）最大，其联系度最大，故评价结果为Ⅲ级。

6 结 论

1.采空区稳定性影响因素很多，从采空区赋存时间、采空区面积、矿柱宽高比等几个因素出发，分析影响矿山现有采空区稳定性的因素，并结合工程实践经验，将采空区稳定性划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个标准，为采空区稳定性划分提供了一定的技术支持。

2.将某石膏矿采空区的具体指标与各个分类对应，得出采空区稳定性集对理论稳定性评价值同、异、反联系度，得出该稳定性评价为Ⅲ级，该理论方法不仅为矿山稳定性评价提供了新的思路，同时为矿山进一步安全管理和相关生产提供一定的依据。

［1］ 郑茂兴，陈明磊，杨久富，等.石膏矿采空区稳定性分类综合评判法［J］.化工矿物与加工，2012，（5）：24－28.

［2］ 徐必根，黄英华，刘小林.护顶层对石膏矿采空区稳定性影响研究［J］.矿业研究与开发，2007，27（5）：20－22.

［3］ 廖文景.石膏矿采空区积水对矿柱稳定性的影响分析［J］.采矿技术，2009，9（3）：52－54.

［4］ 肖超，郑怀昌，武文治，等.基于集对分析的石膏矿采空区稳定性评价［J］.中国矿业，2014，（10）：40－45.

［5］ 吴大国，汪明武，张薇薇.基于集对分析的围岩稳定性评价［J］.西部探矿工程，2008，20（2）：6－7.

［6］ 高黎，何晓哗，刘小兵，等.基于集对分析与粗糙集理论的综合评价模型［J］.后勤工程学院学报，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

李国新（1988－），男，助理工程师，主要从事矿山现场管理工作。