金属矿山地下采空区问题研究现状与展望

王旭军

鲁中矿业有限公司 山东济南 271110

1 金属矿山地下采空区治理的必要性

1.1 金属矿山地下采空区易发生重大矿难

矿山地下采空区岩体结构极不稳定，周围地质条件极为复杂。如果经常受到外力的影响，采空区易发生透水、崩塌和冒顶，最终导致严重的采矿事故。一堂血淋淋的教训，不仅提醒有关部门充分重视规范矿产资源开采行业的重要性，也提醒着矿产资源开采单位进一步采取相关措施，加强对地下采空区的治理，切实保障矿工生命安全与矿山工程顺利进行[1]。

1.2 金属矿山地下采空区难以有效处理

金属矿产资源不断满足我国资源市场发展的需求，为国民经济发展做出了巨大贡献，但长期以来，这一现象也导致了对矿产资源开采工作的监管极其困难，特别是矿山地下采空区难以得到有效控制。许多矿山单位对地下采空区的治理不重视，在短时间内不能采取科学合理的措施对地下采空区进行治理。特别是为了获得额外的经济效益，一些矿业单位的经营者不愿意花钱回填地下采空区，也不愿意采取其他措施处理地下采空区。甚至，在开采地下矿产资源的过程中，一些从业人员为了一点经济利益，将保留下来的矿柱进行回采，使地下采空区的安全隐患进一步增加。

2 存在的问题

（1）在采空区探测技术的研究中，由于金属矿山地质条件复杂，单一的探测技术不能满足准确探测的要求，也不能完全满足探测的需要。（2）在采空区稳定性分析方面，受目前技术条件的限制，无论是理论分析、相似模拟试验还是数值模拟分析，都难以建立符合实际情况的计算模型。同时，由于采空区是一个高度非线性、复杂的大系统，且始终处于动态不可逆变化之中，分析结果往往难以令人信服。此外，各种模糊评价方法虽然考虑了许多影响采空区稳定性的因素，但都存在定性模糊指标量化、权重计算、隶属函数建立等不足。（3）在采空区稳定性控制与治理技术的研究中，虽然围岩崩落、充填、护柱、封闭隔离、加固与组合等方法已形成成熟的技术，积累了大量的经验，但也有其局限性和侧重点，崩落法处理采空区的前提是合理布置采空区矿柱，但大多是基于经验法或经验类比法，其系统理论有待进一步研究。（4）采空区稳定性监测分析具有真实可靠的优点，可以杜绝事故的发生。然而，预测阈值或预警阈值的确定，难以准确预测和预警，同时，监测周期长，工作量大，成本高，难以掌握进行机理分析主要因素[2]。

3 金属矿山地下采空区的处理措施

3.1 回填采空区

随着社会的发展与进步，地下资源开采允许地表塌陷现象即将被严加管控。例如，地下采空区的顶部是建筑物、文物保护景点等所在的区域或露天采矿工作区。在这类地下采空区中，充填采空区是处理地下采空区的最佳方法。采空区回填材料均为当地材料，主要包括开采过程中开采的废石、废渣和大量自然落下的废石。充填方法主要是将上述充填材料运至钻孔、天井或特殊通道，对充填材料进行加压，使其流入地下采空区，将地下采空区充填起来。这种治理有几个要求。首先，地下采空区必须与井眼、矿井或巷道相连接，这是充填材料顺利进入采空区的首要前提，也就是说，只有有一定的通道，才能将充填材料顺利输送到地下采空区。二是进行回填作业时，作业人员必须充分了解金属矿山地下采空区的具体情况，如地下采空区的位置、范围、体积和回填通道的位置等。

3.2 封闭采空区

如果使地下采空区周围的岩石应力要完全集中，往往需要很长时间。量变是质变的必要前提。地下采空区应力集中必须经历一个最大化的过程，在此过程中，地下采空区相对安全。因此，有必要在这段时间内组织有关人员立即撤离该地区居民和作业人员，确保人民生命财产安全，并对有关矿山作业区采取防护措施。只要该地区居民和工作人员安全撤离，即使井下采空区发生重大矿难，也不会造成巨大的人员伤亡和经济损失。与地下采空区回填相比，封闭式地下采空区投资少、成本低，处理过程不需要耗费大量的人力物力，所需时间也较短，处理过程非常方便快捷。

3.3 放顶采空区

金属矿山地下采空区顶部岩体的崩落处理，可使后向岩体直接充填采空区，形成缓冲层，减少大量岩体突然崩落产生的巨大冲击力。自然崩落法和人工崩落法是矿山井下常见的崩落处理方法。就自然崩塌而言，如果岩石暴露时间过长或面积过大，岩石很容易自然崩塌。一般来说，岩体结构和地质构造对岩体崩塌的影响较大，岩体可能在预定时间前开始崩塌。如果采空区周围岩体结构非常稳定，很难自然崩塌，必须以爆破为主人工强制崩塌。

4 展望

（1）随着数字矿山技术的不断发展和成熟，数值模拟和智能监测技术在地下工程稳定性中的应用将不断增加。研究开发三维激光扫描仪、三维可视化、FLAC3D等相关软件耦合技术，形成了以大数据为基础、以人工智能算法为核心、可靠性为保证的现代科学技术，使之更加全面、客观、准确地分析采空区存在的问题，这将是今后一个重要的研究课题。（2）随着开采深度的展开，深部岩石的力学行为与浅部岩石明显不同，采空区地质条件越来越复杂，开采条件要求越来越高。因此，研究深部多介质多场耦合诱发工程灾害的机理和过程，对于深部复杂环境下采空区顶板及围岩稳定性等工程灾害的防治具有重要意义。（3）针对采空区围岩高度非线性、模糊性和不确定性的特点，在建立实用的采空区非线性稳定性分析模型时，有必要加强对采空区稳定性在线监测和预警方法的研究。将在线监测数据与分析模型相结合，实现了采空区监测数据的动态仿真与在线分析控制平台，这将是当前采空区动态仿真研究的重点。

5 结语

目前，我国金属矿采空区治理尚无规范、规程可循。因此，应加强新方法的研究，并提出相应的行业规范或通用技术标准，这需要各相关部门进行必要的协同合作，提出具有规范性质的一系列标准，供工程采用[3]。