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摘要： 地压是一种常见的矿山地质灾害，地压的活动严重威胁井下作业人员及设备的安全，影响矿山的正常生产，而往往由于采矿形成的采空区地压极不稳定。本文通过对瑞源萤矿矿区地表及井下地压调查，摸清瑞源萤矿矿区地表及井下地压现状，根据地压产生的机理，并进一步利用关系矩阵和模糊理论的综合评价法对采空区稳定性进行客观论证，从而为矿山更好地进行地压控制、消除地压灾害威胁提供依据。
Abstract： Ground pressure is a common mine geological disasters， ground pressure activities is a serious threat to the safety of underground workers and equipment， it affects the normal production of the mine， and it is unstable due to mining gob formed by pressure. The ground surface and underground pressure in Ruiyuan Hotaru mine area are investigated to find out its" present situation. According to the mechanism of ground pressure， the stability of mined out area is proved by the comprehensive evaluation method of relation matrix and fuzzy theory to provide reference for the mine better controlling the ground pressure and eliminating the disasters threat.
关键词： 采空区；稳定性；模糊评价；地压活动
Key words： mined-out area；stability；Fuzzy Evaluation；ground pressure activity
中图分类号：P694 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）14-0069-06
0 引言
由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板容易冒落造成塌陷情况难以预测等特征，因此，对地下采空区的分布范围、空间形态特征和空区的冒落状况等进行量化评判一直是困扰工程技术人员进行采空区稳定性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。
目前采空区问题研究关键技术在于四个方面：地下采空区的探测技术、稳定性评价技术、治理技术及质量检测技术。本文旨在通过对瑞金瑞源矿区做详细调查的基础上，对采空区稳定性进行科学地客观论证，找出影响采空区地压稳定性的关键因素和次级因素，并进一步寻求一种切实可靠、可操作性强的理论方法来呈现各级因素与系统行为的关系，根据结果来评判采空区稳定性，并提出相应减弱地压的治理措施以供参考。
1 矿山工程地质调查
1.1 矿山概况
瑞金市瑞源萤矿位于瑞金市谢坊镇深塘村的头迳，其地理坐标为北纬25°38′56″，东经115°50′42″，属谢坊镇管辖区域。
矿区有简易公路通谢坊镇进入206国道，交通方便。矿区交通位置图，见图1。
区内为低山丘陵地形，南东部山脉走向北东，北西部低丘总体亦呈北东走向，矿区内最高山头海拔260m，沟谷最低160余m。矿区溪流向北流入绵水。低丘河谷主要种植水稻等农作物，山体基本为松体覆盖。
区内属亚热带，气候温暖、潮湿、多雨、年平均气温18.9℃，平均年降雨量1678mm，年平均无霜期293天。
采矿许可证界定的范围由4个拐点圈定，开采深度260m到50m标高，面积0.0918km2。
1.2 工程地质调查
1.2.1 地形地貌
矿区内为低山丘陵地形，南东部山脉走向北东，北西部低丘总体亦呈北东走向，矿区内最高山头海拔260m，沟谷最低160m。低丘河谷主要种植水稻等农作物，山体基本为松体覆盖。
1.2.2 地层岩性
①地层：区域内广泛分布震旦系、寒武系浅变质岩系，构成区内基底构造层。白垩系赣州组红层是本区域主要成矿围岩。
②岩浆岩：区域内广泛分布岩浆岩，主要为燕山早期第一阶段、第二阶段、第三阶段花岗岩和花岗闪长斑岩。
1.2.3 地质构造
①褶皱构造：区内广泛发育基底复式褶皱，以紧密线形褶皱为主，部分同斜倒转褶皱，整体轴向呈东西向，主要有凤凰岽复背斜，局部有短轴复式背斜和向斜，轴向近东西。
②断裂构造：区域内断裂构造十分发育，主要为会昌—谢坊—瑞金北东向大断裂，延长数十公里，次级北东、北北东向北西向断裂发育等。
1.2.4 水文地质条件
矿区地表无常年溪流，附近溪流水经转折汇入绵水。矿井中有构造裂隙水，在较深部汇积量较大，需要水泵抽出，但不会出现大量涌水导致开采巷道淹没的现象。矿区水文地质条件简单。
2 地压调查及分析
2.1 塌陷调查
地下矿藏开采后，岩体的应力平衡被破坏，从而引起采空区上部地层的地压活动，有可能使地表发生移动和塌陷。
塌陷区范围的确定与采空区的空间位置、围岩性质构造、结构弱面、开采深度、地下水状况、空区时间效应等因素有密切关系。
瑞源矿区内矿体为一条较长的矿带由采矿范围所圈闭的一个块段，沿走向长390m，沿倾向延伸180余m，水平厚度0.7～2m。矿体沿石英断裂上盘产出，产状其走向为60°，倾角68°。
通过现场调查，发现矿区上方地表出现塌陷现象，其中地表塌陷区平面图，见图2，现场调查地表塌陷坑，见图3～图5。
瑞源矿区上世纪末有个体农民开采，开采规模不大，1999年以后，矿山在浅部进行了局部开采，留下了部分老采区。
矿区位于丘陵山谷之中，近邻没有工矿企业和村民居住。仅在矿体西南端建有两栋属矿山所有的值班室和临时工房。
2.2 地压活动调查
通过对矿区的井下地压调查，发现在井下存在局部地压情况，分别表现如下：
①矿柱破裂；
②巷道片帮；
③巷道顶板滴水；
④底板塌陷；
⑤巷道顶板掉块。
其中+80m中段地压显现情况主要为：矿柱破裂、巷道片帮。矿柱破裂见图6，巷道片帮见图7。
其中+120m中段地压显现情况主要为：矿柱破裂、巷道片帮、底板塌陷和顶板掉块。矿柱破裂见图8，巷道片帮见图9，底板塌陷见图10，顶板掉块见图11。
2.3 地压活动分析
根据矿山提供的资料，结合现场地压调查及工程地质分析，瑞源矿区的地压活动特征主要有以下几个方面：
①地表塌陷是由于井下不断回采造成最上中段顶板距离地表较近，回采对顶板频繁扰动，加之地表岩体风化破碎，致使出现较大面积的地表陷落坑。
②局部岩体的变形与破坏受构造弱面的制约，其主要表现是当岩体处于破碎带附近或被构造弱面严重切割时，地压显现为松动地压，表现为局部块体的松脱，即局部块体冒顶、片帮。但通过对瑞源矿区井下结构面调查可知，瑞源矿区井下结构面不发育，调查发现少量节理且大部分闭合，偶见小尺度张开，矿岩较坚硬，完整性较好。所以，构造对瑞源矿区井下地压活动显现的影响不大。
③此次现场井下地压活动调查发现由地应力引起的变形地压不明显。主要是由于瑞源矿区的井下开采还没进行到深部。
④井下空区的暴露面积也是影响井下采空区稳定性的一个重要因素。由于矿岩岩性较好，矿山在进行井下回采时将顶底柱、间柱大部分采掉，致使采空区在水平及垂直方向上形成一定的贯通连续性，部分采空区之间已相互贯通。此次井下地压活动调查发现，井下存在局部地压情况矿柱破裂、巷道片帮、底板塌陷、顶板掉块都是由于井下空区的暴露面积太大所致。
综上所述，由于岩体条件、水及应力控制不稳定机制不明显、结构面发育不明显，诱发整体大规模地压活动的可能性较小，但目前回采方法及回采过程致使矿房顶底柱、间柱被采，各中段空区大面积贯通，空区连通是造成目前乃至今后地压显现的主要因素。
3 空区地压稳定性综合评价
3.1 稳定性影响因素分析
采空区的影响因素非常复杂，主要有以下几个方面：
①采用留矿法形成的采空区，其稳定性主要受顶底板及矿柱制约；
②组成顶底板及矿柱的岩石岩性及结构构造一般不尽相同；
③矿体的产状，采空区的空间几何形态及分布状况，都是影响采空区稳定性的重要因素。各构成要素对稳定性影响程度和作用机理也不相同，构成要素之间的相互关系见图12。
由图12总结得出影响采空区稳定性的主要因素如下：
①岩石单轴抗压强度；②顶板暴露面积；③原岩应力状态；④结构面状态；⑤地下水；⑥矿柱状况。
3.2 关系矩阵和模糊理论的综合评价法
关系矩阵的建立：
关系矩阵是基于系统整体论发展而来的，它有效地反映了系统行为，是一种研究复杂影响因素对影响整体综合作用的常用的研究手段，J.A.Hudson提出了岩石力学相互影响的矩阵图。
由于各影响因素之间的相互作用不一致，导致构建的矩阵图为一非对称矩阵，将对系统行为起主要作用的主要因素处在矩阵的对角线上，因而对对角线上因素的选择和其余因素之间的相互关系或相互作用程度的判断尤为重要，这直接关系到关系矩阵的精度。关系矩阵R的表达式见式（1）：
建立关系矩阵的核心在于量化各因素在整体中的作用程度，对于不同的评价系统，系统的认识深度和评价目的会影响关系矩阵的建立，并且其赋值方法也不尽相同，J.A.Hudson提出了“专家—半定量取值方法，这种方法容易实施且敏感性高，在斜坡稳定性分析中应用较广，它是以各因素之间的相互作用程度为基本依据，分别取值0、1、2、3、4对应分级中的无、弱、中等、强烈、极强烈五个等级。
将前面的调查分析中确定的各个影响因素置于对角线上，根据需要其中原岩应力状态划分为两类，一类是最大初始应力与围岩单轴抗压强度比值，另一类是最大主应力与采场顶板方位关系，结构面状态分为结构面产状和间距两类。得出关系矩阵由8个主要因素和48个相互作用的因素构成。应用活动性指数来表征各因素在总体行为中的重要程度，对系统影响越显著，其活动性指数越高。活动性指数计算公式如下：
式中：FA（i）为主要因素aii的活动性指数，SFA（i）为aii所在行、列元素值之和，SFA为关系矩阵所有元素值之和。
上述影响因素之间存在着相互作用，目前只是对其中一些因素的相互作用有了定量的表示，但对于剩下的因素之间的相互作用程度研究还处在定性研究阶段，节理密度与岩块抗压强度之间表现为负指数关系，而岩体内聚力指标与节理密度有类似关系。由于体质量指标RQD与地应力值存在某种相关性，而节理间距与岩体质量指标RQD也存在相关性，由此推测地应力值与节理间距相关。水一般会使硬岩软化，释放能量，因此对于遇水易崩解的岩体，岩体在地下水的作用下，其结构面的内聚力和内摩擦力降低，最终破坏，岩体内的结构面使得岩石被割裂，表现为不连续性，这种不连续性正好为水的渗透提供条件。另有实验表明：岩石的弹性模量与岩石单轴抗压强度之间呈线性关系，而在同等地质条件下，岩石弹性模量与地应力之间也表现为线性关系，由此推断，在不考虑结构面的情况下，地应力与岩石单轴抗压强度大体也呈线性关系。
总结各影响因素之间的相互作用，根据作用强度不同赋予合理值，经不断检验后得出采空区稳定性评价的关系矩阵：
式（3）中：对角线上元素分别为岩石单轴抗压强度（RC）、顶板暴露面积（AR）、岩石抗压强度与最大初始应力比值（ST）、最大主应力方向与顶板方位关系（SL）、结构面间距（DI）、结构面产状与顶板方位关系（DO）、地下水（WT）及矿柱状况（PA）。
由式（2）、式（3）计算得到各影响因素的活动性指数，结果见图13。
3.2.1 因素的隶属度
从理论上来讲，只要对各个影响因素的研究达到了定量化的程度，结合勾践的关系矩阵，就能获得满足实际工作的精度要求，而其中的活动性指数则定量代表了各因素在整体系统中的作用，而研究止于此显然是不全面的，为了最大限度地接近实际真实情况，还需对单因素的独立作用进行分析研究。
由于影响采空区稳定性的因素很多，其中如矿柱状况等因素是一个非定量化的描述，对于这种定性的因素，采用模糊数学中的隶属度概念来对其进行定量化，就现有研究水平来看，虽然对一些因素的研究很充分，但还是有其他的因素研究不足，为了解决这一问题，采取不同深度研究选取不同定量描述的方法，如对充分研究的因素来说，用1、0.8、0.6、0.4、0.2、0的隶属度代表各因素对稳定性的作用为：最有利、有利、一般、不利、最不利及采空区破坏主导作用，而对研究不够充分的方法为：用1、0.5、0的隶属度表示该因素对稳定性作用为最有利、一般及采空区破坏主导作用。
3.2.2 空区稳定性系数的计算
各个主要因素活动性指数实质上表示因素的权重，通过模糊数学理论得出单因素隶属度曲线图，该曲线图实质上代表了单因素在不同条件下的对整体稳定性作用程度，由以上两者构造出的空区稳定性关系矩阵，将因素活动性指数与其对应的隶属度乘积进行累加，并将累加值定义为采空区稳定性系数，记作OSI，亦即：
式中：SA（i）为评价因素的隶属度值，根据稳定性系数计算结果就可以对各采空区稳定性进行比较，还可以进一步建立采空区稳定性级别与稳定性系数的对应关系。
3.3 评价结果
根据稳定性系数计算结果，结合我国其它留矿法开采矿山采空区地压情况调查和统计分析，最后确定采空区稳定性分级方案，见表1。
以+80m中段大部分采空区为例，根据地质等资料可知空区围岩以紫红色砂砾岩、萤石为主，根据现场点荷载试验紫红色砂砾岩及部分含矿围岩的饱和单轴抗压强度约为52MPa，故在稳定性分析中，岩石单轴抗压强度取50MPa，顶板暴露面积为368.07m2，空区巷道有少量滴水，采空区的稳定性主要靠围岩自身的强度及回采矿块时保留的少量矿柱来维持，根据现场调查绝大部分保护矿柱完整性较好。再根据节理调查和其他资料，由此可得各评价因素的隶属度值SA（i）（i=1，2，…，8）分别为：0.4，0.95，0.6，0.5，0.95，0.5，0.5，1，结合采空区稳定性因素活动性指数，代入公式（3）即可得到该采空区稳定性系数为0.72590909，查表1，其稳定性级别为稳定（B）级。
同样方法得到+120m中段采空区稳定性系数为0.68836364，其稳定性级别为稳定（B）级；+166m采空区稳定性系数为0.70363636，其稳定性级别为稳定（B）级，+166m中段采空区稳定性系数为0.71381818，其稳定性级别为稳定（B）级
根据表2的稳定性系数计算结果可知，+80m中段、+120m中段、+166m东部中段、+166m西部中段稳定性系数分别为0.72590909、0.68836364、0.70363636，0.71381818查表1，均处于稳定（B）级别。
根据表4的稳定性系数计算结果可知，各连通采空区稳定性系数分别为0.54127273、0.55145455、0.53236364、0.55018182，查表1，结合现场调查发现无明显地压显现，故接近于中等稳定状态。
就整体而言，通过采空区地压综合评价，目前瑞源矿区处于地压稳定期。
4 地压综合防治措施
4.1 地表塌陷防治
由于浅部空区或较大范围的采动影响，在近地表的岩移活动中，有可能对地表建筑和道路等构成一定危害，有些甚至引起山体滑移。这在金属矿中较为普遍，造成危害较大。根据现场实测数据，结合图纸调查估测最上中段
（+166m中段）采空区顶板距地表高度大致为40m左右。
通过前面第二章所做的地表塌陷调查，本萤石矿地表共有3个塌陷区，目前塌陷坑总面积约为2482.12m2，总体积约为59398.67m3，分别为地表1#、2#、3#塌陷坑。对于2#塌陷坑，所形成的坡面很陡，应先对其进行削坡减荷，削坡目的主要是：减少滑体重力，从而减小下滑力；降低坡面角，减少下滑力。然后对其进行必要的回填，改善塌坑的应力分布，使其稳定性得到加强。防止塌坑边坡在长期风化作用下失稳，造成边坡滑坡，给塌陷坑下的潜在空区产生冲击。
1#、3#塌陷坑体积相对小于2#塌陷坑，为直壁陷坑，建议在地表允许局部塌陷的情况下，首先必须对塌陷区周边较近的建筑提前进行搬迁，同时在塌陷区周边设置警戒线，严禁人员通往；然后逐步对塌陷坑进行回填，改善塌陷坑的应力分布，使其稳定性得到加强。防止塌陷坑边帮在长期风化作用下失稳，造成陷坑周边地表进一步塌陷，给陷坑下的采空区造成冲击。
由于缺失详实的矿体勘探线剖面图，无法准确定位地表移动圈的范围，因此，根据矿体的厚度及倾角，建议在采空区对应地表径向50m范围以内不再设立新的建筑物、道路等；针对矿山目前处在上述范围内且暂未搬迁的建筑等，建议在该范围内布点设置位移标志杆，并用全站仪定期测量其沉降量，当发现测得沉降量出现急增现象，必须立即将矿区围岩移动带范围内全部人员、设备撤离至移动带安全距离以外。
4.2 采空区处理
4.2.1 崩落围岩
崩落围岩：采用崩落围岩的方法可以释放围岩压力，使围岩应力达到一个新的平衡。围岩崩落的方式有两种分别为自然崩落法和强制崩落法。
由于通往采空区的巷道由于长久没有维护，发生冒顶、片帮，实际上处于封闭或半封闭状态，人员及设备无法通行，强制崩落的可操作性不好，而且成本高。最为重要的是由于根据地质水文报告，预测地下坑采系统采空区采动变形影响带面积较大，目前矿山地表也不允许陷落，故不太适合采用崩落围岩法处理采空区。
4.2.2 充填采空区
在矿房回采之后，用充填材料（废石、尾砂等）将矿房充满。这种方法不仅处理了采空区，也为回采矿柱创造了良好的条件。矿山生产实践及研究证明，采空区用废石充填后，在减小岩体和地表移动的幅度，防止大面积地压活动，降低地压破坏程度方面都有成效，并有助于解决井下采掘副产废石的堆放问题。
但应用充填法处理采空区需要在地表建充填站，目前瑞源矿区也不具备充填条件，故不太适合采用充填法处理采空区。
4.2.3 封闭采空区
目的是使空区中围岩突然崩塌所产生的气浪遇到封闭墙时能得到缓冲，减少其对人员、设备等的冲击破坏。对于近地表的采空区，这是一种简单经济的方法。
针对目前矿山地表不允许陷落，故不建议采用崩落围岩，同时矿山不具备充填条件，因此建议采用经济有效地封闭空区的方法作为采空区处理的主要手段。
4.3 下部矿体阶段开采顺序
对于瑞源矿区下部矿体的开采，建议采用下行式开采。开采时，必须加强地压监测与地压管理。
瑞源矿区阶段中矿块的开采顺序，建议采用后退式开采顺序，减少其采准巷道的维修费用，可考虑采用双翼回采，形成较长的回采工作线，从而缩短阶段的回采时间，提高开采效率。
建议矿山在进行下阶段的开采时，严格按照留矿法矿块结构，保留顶底柱和间柱，对围岩起支护作用。尽量不要让采空区出现大面积贯通。
4.4 地压监测
建议矿山在封闭空区的基础上，辅助增加地压监测的方法，针对矿山采空区的围岩属于硬岩，应采用声发射与应力联合监测的方法，通过耦合分析监测结果来综合判别采空区的稳定性，以达到预测空区失稳的目的。
5 结论
通过瑞源萤石矿采空区调查及地压评价研究，现场取得实测数据上千余组，地表及井下实地调查十余次，拍得地压显现照片几十张，绘制实测图纸十余份，建立一整套地表及井下空区分布三维立体模型。在分析、计算、研究及相关实验的基础上，得到如下主要结论：
①井下地压显现主要体现为局部地段巷道片帮、顶板掉块、采场上盘岩体垮帮等小规模地压活动，实际调查分析，整个矿区井下受构造与应力控制的地压显现均不明显，小规模地压活动主要原因为矿房间柱与顶底柱未保留，致使多部位空区大面积贯通所致，这也是今后诱发大规模地压活动的主要因素。
②建立基于关系矩阵和模糊理论的采空区地压稳定性综合评价模型。对各中段采空区进行稳定性评价，评价结果表明各中段独立采空区处于稳定状态；连通采空区处于中等稳定状态。就整体而言，目前瑞源萤矿井下采空区处于稳定期。
③针对地表及井下地压显现的状况与成因，提出了针对瑞源萤石矿的有效空区处理方法及地压防治措施，其中对于地表塌陷区提出了回填与削坡卸荷相结合的治理方案，对于井下采空区提出了以封闭为主的处理方法，针对井下局部地压显现，建议矿山深部开采时严格按照下行式回采顺序，阶段严格按照后退式回采顺序，改善回采过程应力分布，矿房保留合理的顶底柱与间柱，减少上盘岩体暴露面积，保障空区的稳定与回采的安全。
④建议矿山在处理空区的基础上，针对瑞源萤矿的实际情况辅以声发射与应力联合监测与耦合分析的地压监测有效手段，进行矿区地压的预测预报。
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