房柱法开采石膏矿采空区失稳机理及稳定性研究

摘 要：近几年来，随着我国国民经济的不断增展，我国社会的建设也加快了步伐，经济建设的增长对石膏等非金属需要量不断扩大，我国石膏的年开采量一般以10%的速度向上增长。目前，大多数石膏矿山采用房柱开采法开采石膏，开采后的采空区对人们的生命安全造成了严重的影响，严重威胁着矿区的安全。近年来，随着安全事故的发生率越来越高，采空区稳定性研究具有越来越重要的作用，文章对房柱法开采石膏矿区采空区的失稳机理进行研究。

关键词：房柱法 石膏矿采空区 失稳机理

在我国，石膏矿区的采矿方式普遍采用房柱法进行开采，然而，房柱法开采的方式会导致矿区出现许多采空区，随着我国对石膏用量的不断增加，采空区越来越多，在矿区开采的过程中，不少矿区的稳定性严重不足导致采空区的安全事故越来越多，对人们的生命安全造成了严重的影响。据有关研究表明，采空区的稳定性主要由矿柱和顶板决定，因此，在保证采空区稳定性方面，要更加注重矿柱和顶板的稳定与安全。下面对石膏矿区的采空区的失稳机理和采空区的稳定性进行详细的阐述。

一、采空区稳定性的类型

随着我国社会发展和经济增长步伐的不断加快，我国对石膏的需求量越来越大，到目前为止，我国石膏矿区的主要采矿方式是房柱法，房柱法的开采方式主要以矿柱为核心，房柱法的开采方式使得矿区出现许多采空区，采空区的稳定性主要有矿柱和顶板所决定，据有关研究表明，我国房柱法开采石膏矿区的采空区的稳定性主要有以下几种类型：

一是矿柱和矿房的稳定性状态，由于矿区从上覆岩层到地表的稳定性均属于弹性变形的状态下，而地表下沉部分的稳定性则是由覆岩的弹性、矿柱的弹塑性和顶板的压入量共同构成。

二是在矿柱稳定的情况下，矿房中的顶板岩层部分的稳定性，顶板岩层的稳定性是由于在矿房顶板岩层中具有平衡的拱结构，而矿房的地表下沉部分则是仍有具有弹性的岩层变形所导致的，顶板的变形又会对地表的下沉造成巨大的影响。

三是在矿房顶板稳定的情况下，矿柱的稳定性遭到破坏，这主要是由于矿柱上的载荷量超过了矿柱本身所能够承载的负荷量，从而导致矿柱坍塌，使得地表出现大范围的塌陷情况。

四是矿柱和顶层的稳定性都遭到破坏，由于矿柱的坍塌，顶板的稳定性的破坏从上层开始直接发展到地表[1]。

二、采空区的失稳机理

1.矿柱的失稳机理

矿柱的稳定性对整个石膏矿区具有十分重要的意义，在石膏矿区中，矿柱不仅能够有效的维护整个矿房的稳定，同时，矿柱在大面积空场的隔离，井巷、地表建筑物的保护等方面也发挥着十分重要的作用。下面详细的对矿柱的破坏模式和机理进行分析。

1.1矿柱的破坏模式

矿柱的稳定性遭到破坏的主要原因是石膏矿区在开采的过程中矿区的应力重新分布，矿柱的荷载量也随之增加，当矿柱中的应力状态超过了原岩的强度时，矿柱就会遭到破坏。矿柱的整体矿区的荷载量的承受能力与矿柱的大小、矿柱岩体的地质构造、围岩对矿柱的表面约束性等具有密切的关系。矿柱破坏的主要模式有三种，如图1所示。

图1矿柱破坏的三种模式

1.2矿柱的失稳机理

根据上述三种不同的矿柱破坏模式，矿柱的失稳机理也各不相同，第一种矿柱的破坏模式是由于矿柱受到一定的压力，同时这个压力超过了矿柱的极限强度，使得矿区的顶板、底板与矿柱的受压面出现巨大的摩擦力，是一种剪切式的破坏模式。第二种石膏矿区的矿层比较厚，高处采区大，矿柱的宽与高的比例较小，导致矿柱在荷载的情况下发生了横向的变形。第三种是由于矿柱的塑性变形区宽，变形的范围比较大而导致矿柱破坏[2]。

2.顶板的失稳机理

由于采用房柱法的开采方式进行石膏矿区的开采，使得采空区在失稳的情况下，矿区有大范围的岩体会突然落下，从而形成一种剧烈的动力现象，大面积的采空区顶板落下的时间十分短，使得顶板落下时不仅由其重力作用会对矿区造成严重的冲击性的破坏，同时会在矿区内形成巨大的暴风，严重威胁着矿区的安全。

2.1顶板的破坏模式

采空区的矿区顶板破坏模式主要有三种，分别是整体坍塌模式、筒冒型冒落、拱冒型冒落。当矿区的采空区面积达到一定的范围时，矿区的采空区顶板会沿着采空区的壁切落至地表，从而使得采空区的顶板发生整体性的坍塌。而当矿区的开采面积达到一定的跨度时，矿区采场会出现覆岩筒状冒落的情况，第三种冒落方式是由于顶板在冒落之后，采空区会形成一个拱型的空间，在这个拱型空间中顶板出现拱型冒落。顶板的三种破坏模式如图2所示。

图2顶板的破坏模式

2.2顶板的失稳机理

与矿柱的失稳模式一样，不同的顶板冒落所导致顶板失稳机理也各不相同。首先来看顶板的整体坍塌模式，这种模式的破坏主要是由于矿区的开采的过程中，岩层会受到荷载量、风化等的影响，导致矿区的局部承载量增大，而荷载量超过矿柱的承载量时，矿柱失去了支撑矿区的作用，在矿柱的连续性和完整性均遭到破坏的情况下，顶板的冒落形成整体的坍塌。筒冒型冒落与整体性坍塌的机理相似，不同的是筒冒型冒落的情况下矿柱的稳定性还相对比较好，筒冒型冒落属于局部冒落的模式。拱型冒落是由于顶板的跨度比较大而岩石的强度则相对较低，顶板岩层在应力的影响下会导致顶板的岩层之间出现分离情况，这时会出现弯曲形成拱型，拱型的拉应力一旦超过了岩层的抗拉极限时，就会发生冒落。

三、采空区的稳定性分析

1.矿柱的稳定性分析

矿柱的稳定性影响因素包括了矿柱所能承载的荷载量大小、矿柱的宽与高尺寸、矿房的尺寸以及矿柱的强度和地质情况等。从矿柱的应力来看，矿柱面积的承载量指的是矿柱支撑范围内与地表相连的上覆岩柱的负荷量。计算矿柱的面积承载量要计算矿柱的平均应力。其次是矿柱的强度，矿柱强度的计算如公式1所示：

（1）：Sp=St[0.64+0.36（Wp/h）]α，在这个公式中，α表示常数[3]。

2.顶板的稳定性分析

对于矿区采空区顶板的稳定性分析，据有关研究显示，伏萨尔梁是最重要的一种理论分析方法。这种理论分析方法对顶板的稳定性分析需要采用松弛迭代法的方式进行重复求解，然后根据结果对薄顶板层的张力、重力所引起的弯曲和侧向力对顶板的岩层进行分析。

四、结语

总之，矿柱和矿区顶板是影响石膏矿区采空区安全的主要决定性因素，要保证矿区采空区的生命安全，保证矿区的稳定，就要对矿区的矿柱和顶板的稳定性进行分析，只有在保证矿柱和顶板安全的基础上，才能真正保证矿区的安全稳定。

参考文献

[1]王贻明；罗一忠；兰小平.特大型复杂采空区条件下岩石力学与地压监控技术研究[A].和谐地球上的水工岩石力学——第三届全国水工岩石力学学术会议论文集[C].2010.12.4-5

[2]王清来；石飞.超高超大采空区条件下残矿回采顺序优化与稳定性的数值模拟研究[A].有色金属工业科学发展——中国有色金属学会第八届学术年会论文集[C].2010.14.12-13

[3]许振华；王清来.复杂采空区条件下残矿回收与稳定性的有限元模拟研究[A].2011（昆明）中西部第四届有色金属工业发展论坛论文集[C].2011.10.21-23