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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2020, 28(1): 70-81 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2020.01.044

采选技术与矿山管理

金属矿山地下采空区问题研究现状与展望

程力,, 刘焕新, 朱明德, 吴钦正

山东黄金集团有限公司深井开采实验室,山东 烟台 264000

Current Situation and Prospect of Research on Underground Goaf in Metal Mines

CHENG Li,, LIU Huanxin, ZHU Mingde, WU Qinzheng

Laboratory on Deep Mining of Shandong Gold Group Co. ,Ltd. ,Yantai 264000,Shandong,China

收稿日期: 2019-05-06   修回日期: 2019-11-11   网络出版日期: 2020-03-06

Received: 2019-05-06   Revised: 2019-11-11   Online: 2020-03-06

作者简介 About authors

程力(1987-),男,湖北黄冈人,工程师,从事采矿与岩石力学方面的研究工作Chl777@163.com , E-mail:Chl777@163.com

摘要

为了系统研究金属矿山地下采空区所面临的问题与解决措施,从地下采空区的探测技术、稳定性评价技术、治理技术及监测技术等方面进行综合评述,阐述了采空区关键技术的研究现状及存在的不足。研究指出,以空区智能综合探测为基础,通过智能算法、工程可靠性等现代科学稳定性分析方法,结合矿山地质采矿工艺等实际情况,加强采空区信息化与智能化监测,是现阶段空区治理的有效措施。同时提出,今后研究的重点方向:(1)以大数据为基础,人工智能算法为核心,可靠度为保障,对采空区问题进行全面、客观、准确地分析研究;(2)研究深部多介质、多场耦合作用下采空区顶板及围岩稳定性控制方法;(3)构建非线性空区稳定性分析模型,加强对采空区稳定性在线监测预警方法研究,实现空区监测数据与在线分析管控平台的动态模拟;(4)引进灾害链理论,构建采空区链式效应理论模型,从源头上实施断链减灾,提出可靠的采空区治理技术;(5)制定相应规范或通用技术标准,为采空区治理提供指导。

关键词: 金属矿山 ; 采空区 ; 稳定性分析与处理 ; 预警监测 ; 智能算法 ; 灾害链

Abstract

With the rapid development of economy and society,the demand for mineral resources is increasing,and the mining intensity is increasing.However,as time goes by,a large number of goafs has been left,which easily lead to deformation of pillars and collapse of the roof.The accident seriously affected the safe production of the mine.In order to systematically study the problems and solutions of underground mine goafs in metal mines,a comprehensive review of the detection technology,stability evaluation technology,treatment technology and monitoring technology of underground goafs was carried out,and the research status and shortcomings of the key technologies of goafs were expounded.It is pointed out that based on the intelligent comprehensive detection of goaf,through the modern scientific stability analysis methods such as intelligent algorithm and engineering reliability,combined with the actual situation of mine geology and mining technology,strengthening the information and intelligent monitoring of goaf is an effective measure for goaf governance at this stage.At the same time,the key research directions in the future were proposed:(1)Based on big data,with artificial intelligence algorithm as the core and reliability as the guarantee,analyze and study the problems of goaf comprehensively,objectively and accurately;(2) Study on the control method of roof and surrounding rock stability under deep multi-media and multi-field coupling;(3)Build a non-linear goaf stability analysis model,strengthen the research on online monitoring and early warning methods of goaf stability,and realize the dynamic simulation of goaf monitoring data and online analysis control platform; (4) Introduce the theory of disaster chain,construct the theoretical model of chain effect of goaf,implement the disaster reduction by breaking the chain at the source,and put forward the corresponding and reliable management technology of goaf;(5)Formulate corresponding specifications or general technical standards to provide guidance for goaf treatment.

Keywords: metal mine ; goaf ; stability analysis and processing ; early warning monitoring ; intelligent algorithm ; disaster chain

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本文引用格式

程力, 刘焕新, 朱明德, 吴钦正. 金属矿山地下采空区问题研究现状与展望[J]. 黄金科学技术, 2020, 28(1): 70-81 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.01.044

CHENG Li, LIU Huanxin, ZHU Mingde, WU Qinzheng. Current Situation and Prospect of Research on Underground Goaf in Metal Mines[J]. Gold Science and Technology, 2020, 28(1): 70-81 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2020.01.044

空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区,按矿产被开采的时间,可划分为老采区、现采区和未来采区[1]。金属矿山的采空区,不仅存在矿柱变形、顶板冐落等井下生产安全隐患[2,3,4,5],而且会引发地表裂缝、塌陷、沉降和突水等问题,威胁着周边居民的生命和财产安全。采空区对工程的危害主要体现在2个方面:一是采空区顶板大面积冒落,造成地表沉陷和开裂,破坏地面环境;二是在矿山开采过程中,采空区围岩受爆破震动影响,导致岩体裂隙发育,甚至贯通地表或连通老窿积水,发生灾害事故,造成严重人员伤亡或巨大经济损失[6,7]。如:2001年7月17日,广西南丹拉甲坡矿采空区发生透水事故,死亡81人;2015年山东平邑县万庄石膏矿区“12·25”采空区坍塌事故造成1人死亡,13人下落不明。此外,采空区引发的环境工程地质问题,对矿区生产、交通会产生严重影响[8]。如:山东莱州马塘金矿因开采导致地表严重塌陷,致使G206国道莱州—招远遭受严重的塌陷破坏而中断交通长达2年。

因此,金属矿地下采空区问题备受国内外学者的关注,很多学者先后开展了大量研究,并取得了一定的成果。在国外,围绕空区探测技术,形成了以高密度电法或地震映像法为主[9,10,11],辅以探地雷达、核磁共振和遥感技术等为一体的多手段探测技术[12,13,14,15,16,17];与此同时声发射和微震监测[18]技术为采空区稳定性分析、控制和监测分析带来了新的思路。在国内,常见的地下采空区物理探测技术主要有高密度电阻率法、地震映像法、探地雷达法和激光3D法等[7,19];在采空区稳定性控制方面,文献[20]表明,“测、绘、诊、治”的采空区治理体系效果显著,为采空区治理技术指明了方向。在采空区监测方面,国内的声发射与微震监测技术[21,22]也得到了广泛应用,部分矿区建立了有效的井下实时在线监测系统,为矿山安全提供了有效保障。

然而,由于金属矿山地质条件复杂,矿体形态各异,目前在采空区探测、稳定性分析、治理、监测等方面还没有形成比较完善的理论与分析方法,并且当前对采空区的研究往往集中于某一方面,研究内容缺乏系统性与连贯性。鉴于此,本文从采空区探测方法、采空区稳定性分析方法、采空区稳定性控制及处理技术、采空区稳定性监测技术等方面进行综合评述,指出目前金属矿采空区研究现状及存在的不足,并提出未来采空区研究的发展趋势,为相关研究提供参考。

1 国内外研究现状

1.1 采空区探测

赵国彦[23]根据采空区的形成特点与探测原理,系统总结了可供选择的探测方法,其分类如图1所示。

图1

图1   采空区探测方法一览[23]

Fig.1   The list of gob area detection method


目前,根据国内外相关文献,对采空区的探测主要以现场调查、物探和钻探3类方法为主,并辅以变形监测和水文试验等。

姚改委等[24]根据实际工作,总结了矿山采空区调查的地质工作程序及方法。程立年[25]通过现场调查采空区所处的地理位置、采空区体积和连通情况等,结合矿山资源储量核实报告对采空区进行调查校核,获得较为可靠的空区实际分布图。然而,由于采空区地质条件一般比较复杂,单纯的通过资料收集和现场调查,难以获得较为准确的采空区信息。因此,为了能够获取更加精确的采空区空间位置、形状轮廓及数量等信息,各种物探、钻探等技术方法在地下采空区得到了广泛应用。

在国外,采空区的探测技术起步较早,经验丰富,技术全面,发展的探测方法较多。在美国,电法、电磁法、地震勘探和微重力法等技术发展全面,具有较高水平[26],其中以地震CT勘探技术最为突出,高密度电阻率及高分辨率地震反射法技术较成熟;日本是公认的在工程物探技术方面的领跑者[27],其中地震波法应用最为广泛,电法、电磁法及地球物理测井等方法的应用也较多。在俄罗斯,直流电法、瞬变电磁法、井间电磁波透视及射气测量技术等应用较多[26]。英、法等国家主要采用地质雷达方法,同时微重力法和浅层地震法也有使用[26]。近年来,随着国内金属矿山行业经济快速发展,我国学者也对采空区探测技术及方法进行了大量的研究,并在地球物理探测技术的综合运用、采空区的三维可视化探测领域处于领先水平。赵忠海[19]针对性地选择浅层地震、高密度电阻率、大地电磁测深和探地雷达等物探方法进行探测。罗周全等[28,29,30]以空区激光探测系统(CMS)(图2),利用三维激光对采空区进行扫描探测并搜集相关信息,实现对采空区的三维可视化。随着我国物探技术测量精度和信息处理速度的提高,工程物探成为探明地下采空区的一种重要手段。

图2

图2   CMS探测原理图[29]

Fig.2   Detection principle diagram of CMS[29]


1.2 采空区稳定性分析

金属矿采空区顶板稳定性的影响因素很多,根据文献[6,22,25]及大量的现场实际观察和研究,其影响因素及危害如表1表2所示。

表1   采空区稳定性影响因素

Table 1  Factors affecting the stability of goaf

序号影响因素
内在因素外在因素
1矿岩物理力学性质、岩石物质组成与抗风化能力采空区上覆岩层厚度与爆破震动[22]
2矿岩完整性程度与自稳性[6]岩层隔水性能及水的弱化
3岩层结构与断层构造分布情况[22]采空区自然环境风化
4矿岩产状与节理裂隙发育程度采空区地表作业设备大小与功率
5采空区几何参数,包括跨度、埋深、空区高度与顶板暴露面积等[25]采空区岩层上方外力大小

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表2   采空区危害形式、原因与范围

Table 2  Hazard form,cause and scope of goaf

危害形式发生原因危害范围
冲击气浪顶板垮塌整个矿区地下作业 人员、设施
矿震垮落岩石造成的机械冲击和岩爆复合作用整个矿区地下作业 人员、设施
突水采空区积水突然涌出整个矿区地下作业 人员、设施
串风通风路线紊乱整个矿区地下作业 人员、设施
应力集中采空区存留加剧岩爆的发生局部作业人员
自燃采空区内氧化物反应热量得不到及时的扩散局部作业人员

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国内外学者对采空区稳定性做了大量研究,主要有以下几种方法:

(1)理论分析法。理论分析法是对采空区进行稳定性分析的一种定性研究方法,主要是通过简化的力学模型,利用物理力学等手段进行求解。于学馥等[31,32]运用岩石力学、损伤力学和断裂力学等理论,进行地下岩体工程稳定性分析,提出“轴变理论”,认为巷道垮塌可以用弹性理论的方法进行分析研究。王金安等[33]针对采场空区顶板矿柱体系,以流变理论总结出其流变力学模型,分析研究了采场顶板随时间的变化情况,并以实例分析验证了顶板矿柱流变力学模型的合理性。柳小波等[34]提出将顶柱理解为板状结构,基于薄板理论提出采空区顶板厚度计算新方法,揭示空区顶板安全厚度与顶板几何尺寸及矿石力学特性指标的关系。胡洪旺等[35]通过典型矿床开采模型(图3),根据层状顶板矿体构造特征,建立顶板简化分析模型(图4),基于Ressiner厚板理论,结合弹性力学相关理论,推导出固支和简支2种边界条件下,顶板的挠曲线方程与顶板内部最大应力表达式;以顶板抗拉强度作为破坏标准,结合顶板最大应力推导出顶板安全厚度计算模型,为设计开采中采空区顶板安全厚度计算提供了理论依据。综上所述,理论分析法的关键是通过建立合理的力学模型,采用弹塑性理论分析手段进行计算的一种方法。该方法的优点是能够给出采空区影响因素的具体计算公式,精确计算空区影响因素的安全临界值,但该方法对空区顶板的受力情况与破坏机制认识不足,不能全面反映采空区的应力、应变分布及破坏状况,故其计算结果的可靠性受到了很大影响,应用范围受到一定限制。

图3

图3   典型矿床开采模型

Fig.3   Typical deposit mining model


图4

图4   顶板简化分析模型

a-顶板长度;b-顶板宽度;h-顶板厚度;xy)-顶板上部荷载

Fig.4   Simplification roof analysis model


(2)数学模型评价法。数学模型评价法是借助各种模糊数学理论,对影响采空区稳定性的相关因素进行分类和层次分解,获得采空区稳定性评价指标体系,建立模糊数学预测评价模型,以达到对采空区进行稳定性评价的方法。目前,国内外学者在考虑各因素对采空区稳定性的影响基础上,建立了各类预测评价模型,主要有基于层次分析法理论[36]、向量机理论[37]、变权欧式距离模型[38]、突变级数法[39]、物元分析理论[40]、未确知测度理论[41]、模糊群决策理论[42]、可靠度理论[43]、ITOPSIS与PSF耦合理论[44]和多源信息融合技术[45]等非线性评价模型。此类方法具有较强的客观性、灵活性等特点,能够很好地处理各影响因素的模糊性、随机性和不相容性,但该方法需要获取大量的现场数据,且依赖的数学理论模型较为单一,评价结果往往令人难以信服。因此为了让评价结果更加准确,在实际应用过程中可将几种模型评价方法相结合进行对比研究,相互印证,提高数学模型评价的准确性与可靠度。

(3)相似物理模型试验法。相似物理模型试验法是研究地下岩土工程问题的重要手段,该方法将工程结构与围岩视为统一体,在实验室构建与其相似的物理模型,能够较好地反映诸如节理、层理和断层等岩体特征,且不必建立复杂的岩体本构关系,并可以通过相应的方法进行反复观测。白义如[46]通过相似材料模型试验对金山店铁矿地下开采引起的地表沉降进行了研究。邓喀中等[47]根据相似材料模拟试验结果,分析了地下开采后岩体移动的界面效应。刘爱华等[48]研制的深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统(图5),实现了对深部采矿时复杂应力、水压力及采动影响等联合作用下岩体受力、变形和破坏过程,以及水的渗流、突变等宏微观运移规律的模拟和测试,进而从理论上分析不同应力场、水压力和采矿活动本身对采场安全的影响。因此,相似物理模型试验法为复杂采空区问题研究提供了思路,该方法成本低,便于实际观测分析,为金属矿山采空区稳定性分析提供了借鉴。

图5

图5   相似物理模型试验图[48]

Fig.5   Test diagram of similar physical model[48]


(4)数值模拟分析法。数值模拟分析法是依据岩体自身的本构关系,考虑采空区复杂的地质条件等因素,采用专业数值计算软件建立模型,分析在特定环境下岩体的力学性质及破裂过程,从而得出相应的模拟结果。文献[49,50,51,52,53,54]应用ANSYS和FLAC3D有限元数值模拟手段对采空区稳定性及其覆岩、地表移动规律等进行了大量的研究。罗周全等[55]应用Surpac建立了矿山地学三维模型,将数据转换后导入Phase2软件构建了数值分析模型并进行数值模拟计算,从而得出采空区的围岩稳定性。张晓君[56]运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,采用不同的顶板、底板和矿柱岩性对采空区的破坏过程进行了数值模拟研究,模拟结果再现了采空区从变形到破坏的全过程。其他类似研究还有RFPA[57,58]和UDEC[59]软件在采空区的应用。这些研究推动了数值模拟技术在采空区稳定性分析中的应用和发展。

1.3 采空区稳定性控制及处理

随着国内矿山开采深度的增加,有关矿山压力等技术问题变得更加复杂,采空区安全问题日益凸显。如何对存在安全隐患的采空区进行控制和处理,是金属矿山开采过程中亟需解决的问题。根据目前国内外金属矿床开采技术,为控制采空区围岩,有效的方法主要有以下几种:

(1)充填处理采空区。充填采空区是通过一定的方式将充填料送入到采空区内部并充填密实,以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动。充填处理采空区不仅可以从根本上消除采空区,而且通过尾矿回填能够实现环境保护和废弃物再利用的目标。此外,通过充填法治理采空区可以最大限度地回收残矿资源,是治理采空区最有效、最彻底的方法,也是矿山安全、持续、稳定生产的有力保障。

(2)留永久矿柱或构筑人工矿柱。留永久矿柱或构筑人工矿柱处理采空区,一般适用于房柱法、全面法回采,且顶板相对稳定的采空区。该方法是通过留设永久矿柱加强对采空区顶板的控制,是控制上覆岩层下沉的一种方法(图6)。因此,设计矿柱尺寸和数量时,应认真研究采空区岩体力学性质和地质构造等实际,综合考虑,以便得到合理的矿柱尺寸并减少灾害的发生。

图6

图6   人工矿柱支撑采空区示意图

Fig.6   Schematic diagram of artificial pillar supporting goaf


(3)封闭隔离采空区。该方法利用封堵墙将与采空区连接的主要通道进行封堵,使工作区与采空区隔离,避免因顶板突然大面积冒落产生的冲击地压对人员、设备和开采系统造成损害。另外,该方法还可避免矿井通风时发生漏风或混风。因此,构造充分的缓冲层厚度或通往采空区的通道封堵长度是采用封闭隔离法治理采空区的关键。该方法适用于一些分散、采幅不宽而又不连续的采空区。

(4)加固法处理采空区。该方法采用锚杆、锚索、金属网、喷射混凝土等现代围岩加固方法与手段,通过分析与数值模拟技术,设计合理的支护参数,提高采空区围岩的整体强度,防止或减缓采空区围岩的冒落或片帮,从而达到控制采空区稳定性的目的。

(5)崩落围岩处理采空区。崩落法治理采空区是通过一定的方式将顶板或围岩进行崩落,利用爆落的岩块形成岩石垫层来充填采空区,控制围岩压力,从而达到治理采空区的目的(图7)。

图7

图7   崩落法处理采空区示意图

Fig.7   Schematic diagram of treatment of goaf by caving


(6)联合法处理采空区。由于采空区赋存条件各异,生产状况不同,有些采空区内只采用一种处理方法满足不了安全需要,此时可以根据实际情况,利用不同方法的优势,同时采用2种或2种以上的方法进行处理。目前,联合法处理采空区的方法有矿柱支撑与充填法联合、封闭隔离与崩落围岩联合等。

1.4 采空区稳定性监测

随着矿山开采深度的增加,冲击地压灾害威胁日趋严重,采空区防治工作难度加大。采空区的稳定性监测分析是矿山开采过程中的一项基础性工作,通过现场监测分析采空区应力、应变、位移随时间的变化,对采空区稳定性情况做出直接反馈,对采空区等矿山灾害预警防治工作具有很好的效果。一般采空区稳定性监测系统如图8所示。

图8

图8   矿区采空区稳定性监测系统

Fig.8   Stability monitoring system of goaf in mining area


目前在采空区稳定性监测、预警方面,声发射技术经过多年的快速发展,具有简单易行且经济实用,同时可实现对危险区域的适时定位监测和提前预报等特点,因此,声发射技术在采空区稳定性监测等方面的应用较为广泛。卫晓君等[60]、张洋等[61]利用声发射法在采空区稳定性监测分析方面进行了研究。蔡美峰等[21,62]通过对岩石基复合材料支护的采空区声发射监测,根据声发射频率和时空的演化趋势,判断塌陷区失稳的关键位置。而在情况较为复杂的采空区稳定性分析中,单一的监测手段很难得到采空区稳定性的结论。因此,叶粤文等[22]采用光应力计、声发射和水准测量等多种地压监测手段,获得现场实测的各种资料,为复杂采空区采场结构稳定性分析提供了科学依据,在指导矿山安全生产中发挥了积极作用。

2 存在的问题及建议

采空区稳定性问题的研究涉及采矿学、岩土力学和工程地质学等多学科,目前研究的深度无法满足现代矿山开采技术要求,尤其是在采空区探测、稳定性评价、治理和监测等方面存在一些不足。

2.1 存在的问题

(1)在采空区探测技术研究方面,由于金属矿山本身复杂的地质条件等因素,单一的探测技术难以满足精确探测的要求,无法完全满足探测需求。

(2)在采空区稳定性分析方面,受限于目前的技术条件,无论是理论分析、相似模拟试验还是数值模拟分析,均难以建立符合实际情况的计算模型,同时由于采空区是高度非线性复杂的大系统,并始终处于动态不可逆变化中,因此分析结果往往令人难以信服。此外,诸如各种模糊评价法虽然考虑了大量对采空区稳定性有影响的因素,但都存在不足,比如定性模糊指标的量化、权重计算、隶属函数的建立等。

(3)在采空区稳定性控制及处理技术研究方面,虽然崩落围岩法、充填法、保留矿柱法、封闭隔离法、加固法和联合法等采空区处理方法都形成了较为成熟的工艺,也积累了很多经验,但部分处理方法存在自身的局限性,且侧重点不同,比如允许地标塌陷是崩落法处理采空区的前提;采空区矿柱的合理留设大都采用经验法或经验类比法,其系统理论有待深入研究。

(4)采空区稳定性监测分析具有真实、可靠的优点,可杜绝事故的发生,但预报或预警阈值难以确定,难以准确预测预报,同时监测周期较长、工作量大、成本高,且难以抓住主要因素进行机理分析。

2.2 建议

(1)由于采空区岩性、范围、埋藏深度和地下水富集情况差异较大,应根据实际情况采用合理的空区探测方法。例如:地质雷达有效探测深度只有10~30 m;大地电磁法存在静态效应和近场效应;对于地形起伏较大的区域,选择瞬变电磁法和大地电磁法;若采空区坍塌,采用瞬变电磁法、高密度电法和地震发射波法效果更佳。

因此,为了更加准确地探测采空区,在考虑不同矿山地下条件的前提下,应同时采用2种及以上的方法进行验证探测,实现采空区的多方法、多参数综合探测,提高综合探测精度;与此同时,应加强物探新方法新技术的研究,有必要从理论、技术与实践上,结合现有各类探测技术特点,研发精密探测设备,形成快速、精确的智能综合探测方法。

(2)在进行采空区稳定性分析时,为了更真实地反映复杂岩体的地形特征及其变形规律与模拟计算的准确性,可将理论分析、数值模拟计算与模糊数学评价进行对比分析研究,并与智能算法、工程可靠性等现代科学结合,提高采空区稳定性评价的准确性与可靠度。

(3)在实际治理采空区的过程中,应本着安全、经济、可行的原则,根据现场实际情况,有针对性地选择不同的采矿方法,充分发挥各采矿方法的优点,弥补其不足,确保空区稳定。不同采矿方法空区成因、特点及处理方法见表3

表3   不同采矿方法空区成因、特点及处理方法

Table 3  Causes,characteristics and treatment methods of goafs with different mining methods

采矿方法采空区成因采空区特点采空区处理方法
空场采矿法开采矿房矿柱,形成采空区空区围岩稳固、形态大小易于观测矿房出矿完毕回采结束后进行嗣后处理采空区;空区暴露时间长,回采矿柱和处理采空区同时进行
崩落采矿法在崩落回采矿体过程中,因围岩稳固,围岩滞后崩落而形成形态大小体积难以观测回采过程中即时处理采空区,空区暴露时间短;在落矿过程中,用崩落围岩(覆岩)充填采空区
充填采矿法因充填料接顶不好,残留部分采空区空区量有限随回采工作面的推进,逐步用充填料充填采空区。空区暴露时间很短就可以得到即时处理

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(4)随着矿山监测技术的发展,需要开发适合矿井恶劣环境的传感器,并确保监测的灵敏度和精确度。在实际应用中,通常是根据矿山的实际情况,采用多种监测手段相互弥补,综合监测。随着数字矿山的进一步发展,可采用人工智能手段进行井下监测在线传输,实现监测大数据的集成可视化、协同分析、智能预警与动态调控,实现采空区监测的智能化与信息化。

3 展望

目前,虽然国内外在金属矿山采空区稳定性研究方面取得了若干成果,也积累了一定的工程经验,但随着矿山开采深度的增加,相关研究成果已经难以满足工程建设的需要。通过全面梳理金属矿山采空区现状及问题,提出今后研究的重点方向如下:

(1)随着数字矿山技术的不断发展和成熟,数值模拟、智能化监测技术在地下工程稳定性方面的应用将会不断增加。研发三维激光扫描仪与3DMine及FLAC3D等相关软件耦合技术,形成以大数据为基础、人工智能算法为核心及可靠度为保障的现代科学技术,从而对采空区问题进行更全面、客观、准确的分析将是未来研究的重要课题。

(2)随着矿山开采深度的进一步推进,采空区赋存的地质条件越来越复杂,同时深部岩石力学行为与浅部相比具有明显的不同,因此研究深部多介质、多场耦合作用下工程灾害诱发机理和成灾过程,对深部复杂环境下的采空区顶板及围岩稳定性等工程灾害防治具有重要意义。

(3)针对空区围岩高度非线性、模糊性和不确定性等特征,构建符合实际的非线性空区稳定性分析模型的同时,应加强对采空区稳定性在线监测预警方法研究,将在线监测数据与分析模型相融合,实现空区监测数据与在线分析管控平台的动态模拟将是未来研究的重要课题。

(4)采空区稳定性研究是一项系统工程,目前,各矿区赋存的采空区不是单独存在的,而是形成了采空区群。采空区群不仅与采空区结构形式、岩土物理力学性质和岩体结构等自身因素相关,同时还与水环境、应力环境、热环境、化学场和工程扰动等外部因素有关,是一个非常庞大的随时间演化的、非线性开放系统。因此,可以考虑引进灾害链理论[63,64,65,66,67],构建采空区链式效应理论模型,分析致灾因子之间的相互影响关系,结合采空区致灾效应,在采空区灾变孕育期从源头上实施断链减灾,把专业模型转化为知识模型,针对不同类别采空区的特点,提出可靠的治理技术,对采空区治理技术的发展大有裨益。

(5)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。

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