某石膏矿采空区稳定性评价

第３ｌ卷第３期　２０１５年６月　ＨＵＮＡＮ　Ｎ０ＮＦＥＲＲＯＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　湖南有色金属　７　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）　摘要：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。　关键词：集对理论；联系度；采空区稳定性　中图分类号：ＴＤ７６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５５４０（２０１５）０３—０００７—０３　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　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　以湖南某石膏矿为例，结　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　Ｊ。　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。　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　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　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，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，　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　在　传统力学模型的基础上，以湖南常德某矿山的实ｉ贝０　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　作者简介：李国新（１９８８一），男，助理工程师，主要从事矿山现场管理　工作。　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　Ｊ。　２．２联系度　对于２个给定的集合组成的集对Ｈ＝｛４，　｝，在　８　湖南有色金属　第３１卷　某个具体问题　中进行分析，共得到Ⅳ个特征，其　３．矿柱面积比率。结合现场实践经验，当矿柱　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　：　Ｃ　Ｄ　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＋　＋　，ｉ＝卜１，１］　一１　口＋ｂ＋ｃ＝１　其中，０、ｂ、Ｃ分别称为集对的同一度、差异度和对立　度，ｉ，　分别为差异度及对立度所对应的系数，一般ｉ　取值为０．８√取值为一１。　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　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　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　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。　二次应力扰动的耦合作用下，具有变形随时问延长　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。　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。　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　ｍ　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　ｍ　时，采空区冒落的可　能性不大。　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　ｍ　。矿山现有　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。　的采矿方法为房柱法采矿法，矿房长度为１５　ｍ，宽　第３期　李国新：某石膏矿采空区稳定性评价　Ａ　２　、，／Ｌ，　／　Ａ　Ａ　４　、　９　日　３　、Ｊ２—＋　一＝７　５—７●一　＋　：７　２—　＋　＝　７　＋　，　＋　＋　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　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　注：　表示因素评价值相差一个等级，比如Ｉ和ｌＩ，ＩＩ和Ⅲ，１１１和１Ｖ，Ｊ　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。　表示因素评价值相差二个等级，比如Ｉ和Ⅲ，Ⅱ和Ⅳ，其中，ｉ取值为　０．８√取值为一１。　…　参考文献：　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．　“（　＝　１＋争＋争＝－ｏ．２　＝一０．２　徐必根，黄英华，刘小林．护顶层对石膏矿采空区稳定性影响　＝０．５７１　研究［Ｊ］．矿业研究与开发，２００７，２７（５）：２Ｏ一２２．　廖文景．石膏矿采空区积水对矿柱稳定性的影响分析［Ｊ］．采　＝一０．０９　矿技术，２００９，９（３）：５２—５４．　肖超，郑怀昌，武文治，等．基于集对分析的石膏矿采空区稳定　由于ｕ（ａｊ，Ｂ，）最大，其联系度最大，故评价结果　为Ⅲ级。　性评价［Ｊ］．中国矿业，２０１４，（１０）：４Ｏ一４５．　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结论　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．　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　收稿日期：２０１５一Ｏ３—１０　Ｔｈｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ｅｖａｌｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｇｙｐｓｕｍ　Ｍｉｎｅ　Ｇｏａｆ　ＬＩ　Ｇｕｏ—ｘｉｎ　（Ｈｕｎａｎ　Ｊｉｎｇｓｈｕｉｔａｎｇ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｅｎｇｙａｎｇ　４２１６２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｅｔ　ｐａｉｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｐａｓｔｅ　ｍｉｎｅ　ｇｏａｌ　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．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｔ　ｐａｉｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｇｒｅｅ；ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｏａｆ