石膏矿采空区处理方法研究.pdf

（申请工学硕士学位论文） 石膏矿采空区处理方法研究石膏矿采空区处理方法研究 培养单位 资源与环境工程学院 学科专业 采矿工程 研究生 张晓峰 指导教师 张世雄 教授 2007 年 5 月 石膏矿采空区处理方法研究石膏矿采空区处理方法研究 张张 晓 峰 武汉理工大学 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明， 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构学位证书而使用过的材 料。 与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签 名 日 期 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签 名 导师签名 日 期 分类号 密 级 ＵＤＣ 学校代码 10497 学 位 论 文 题 目 石膏矿采空区处理方法研究 英 文 The of Dispose Gob 题 目 in Gypsum Mine 研究生姓名 张 晓 峰 姓名 张世雄 职称 教 授 学位 博 士 单位名称 武汉理工大学 邮编 430070 申请学位级别 工 学 硕 士 工学科专业名称 采 矿工程 论文提交日期 2007 年 4 月 论文答辩日期 2007 年 5 月 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 2007 年 5 月12 日 指 导 教 师 中 文 摘 要 我国大多数石膏资源是地下开采，但是在开采的数量、工艺、装备和安全技 术条件等方面都不能与煤炭和金属矿山相比。石膏矿的矿体和围岩属中软弱和软 弱岩体的较多，大多采用房柱采矿法开采。随着开采深度的增加和采空区面积的 扩大，采空区的稳定性问题越来越重要，它直接关系到矿山安全生产和深部矿体 的开采规划。老采空区处理问题对石膏矿山预防和减少事故具有重要意义。 目前对采空区处理的研究工作主要针对的是煤矿和金属矿山，在非金属矿山 方面尤其在石膏矿山发面相对比较落后。在石膏矿开采中，由于开采工艺、开拓 方式及采掘布置的特殊性及老空区的遗留特点，必须进行针对性的研究。 本文通过石膏矿开采的特点及采场结构参数合理性研究，采空区的应力分布 状态与开采过程中地应力的变化规律及采空区、矿柱及顶板的稳定性的研究，运 用 FLAC3D三维有限差分方法，模拟开采过程中地应力的变化规律，计算采空区、 矿柱及顶板的稳定性，找出采空区的高应力区以及塑性区，总体评价典型采空区 的稳定性，针对典型采空区的稳定状态及应力分布特点提出相应采空区的安全处 理措施。分析各种常见采空区处理方法，并结合研究矿山的具体情况，提出切实 可行的工程措施。 石膏矿山采空区顶板大面积冒落是由于矿柱破坏失去支撑能力后，使顶板悬 露面积扩大，受拉破坏发生的。通过对石膏矿山采矿技术条件和自然地质条件的 研究，认为石膏矿山采用的采矿方法、采场结构参数不合理，而且不对采空区 进行处理，是造成石膏矿顶板垮落事故的重要诱因，采空区的存在是矿山安全生 产的极大隐患，是矿山的重大危险源。 通过对所研究矿山采空区稳定性的研究，并结合石膏矿床的赋存特点，提出 采用改进的无底柱分段崩落采矿法开采。此方法可以提高矿山的回采率并可消除 由于采矿形成的采空区。依据研究矿山开采的实际情况，推荐使用无底柱分段崩 落采矿法进行开采，同时结合实际处理历史遗留的老采空区的实验方案。 关键词关键词石膏矿，顶板冒落，稳定性分析，数值模拟，防治措施 Abstract Most of gypsum mines employs the room and pillar mining due to the soft ore body and wall rock. But the gypsum mine can not achieve the level of coal or metal mine in terms of quantity, craft, equipment and safety. The stability problems arise with the mining depth increases and gob area expands, which involves the safety production of mines and mining plan in deep ore body. So it’s significant to dispose the gobs in time, and the corresponding study is necessary. The finite differential software FLAC3D is applied to analyze the stress state of gobs, the pillar stability and the plastic zones, then the total stability uation is given. According to the features of stress distribution and the stability status, the safety measures and disposal s of gobs are presented. The accidents of large-area roof falling in gypsum mine are the result of rock burst after the roof rupture. Through analysis of interaction between mining geological condition, it is concluded that the mining , the structure parameters of stope and non-disposal of gob are the substantial conditions and result in the roof falling in gypsum. According to the features of gypsum ore deposit, the improved sublevel caving is recommended to raise the recovery ratio and eliminate the underground gobs. Key words Gypsum Mine, Roof Falling, Stability Analysis, Numerical Simulation, Control s 武汉理工大学硕士学位论文 I 目 录 第 1 章 绪 论...........................................1 目 录 第 1 章 绪 论...........................................1 1.1 问题的提出及课题研究的意义 ................................... 1 1.1.1 引言.................................................................. 1 1.1.2 石膏矿产资源及开采安全现状............................................ 2 1.1.3 课题研究的意义........................................................ 3 1.2 国内外研究现状 ............................................... 3 1.2.1 采场上覆岩层运动规律的研究现状 ........................................ 3 1.2.2 采空区的沉陷模式理论研究状况.......................................... 5 1.2.3 采空区处理的一般方法.................................................. 6 1.3 论文研究的主要内容及目标 ..................................... 7 1.3.1 研究的主要内容........................................................ 7 1.3.2 研究目标.............................................................. 7 1.4 采取的研究方法与技术路线 ..................................... 7 第 2 章 地质及开采技术条件...............................8第 2 章 地质及开采技术条件...............................8 2.1 地质 ......................................................... 8 2.1.1 矿区概况及交通位置.................................................... 8 2.1.2 地形、地貌及水系...................................................... 9 2.1.3 区域构造.............................................................. 9 2.1.4 矿区地质............................................................. 10 2.2 矿床开采技术条件 ............................................ 13 2.2.1 工程地质条件......................................................... 13 2.2.2 水文地质条件......................................................... 13 第 3 章 矿柱稳定性力学计算...............................15第 3 章 矿柱稳定性力学计算...............................15 3.1 采矿方法 .................................................... 15 3.2 矿柱稳定性计算方法 .......................................... 16 3.2.1 计算原则 [23] ........................................................... 16 3.2.2 矿柱承载能力计算分析................................................. 16 3.2.3 顶板稳定条件下的矿柱载荷 ............................................. 22 3.2.4 矿房顶板稳定性计算方法 ............................................... 23 3.3 采场矿柱稳定性计算 .......................................... 32 3.3.1 6 号矿体开采 ........................................................ 32 3.3.2 7 号矿体二分层开采 .................................................. 34 3.4 小结 ........................................................ 37 第 4 章 矿柱稳定性的数值模拟...........................38第 4 章 矿柱稳定性的数值模拟...........................38 4.1 数值分析方法概述 ............................................ 38 武汉理工大学硕士学位论文 II 4.2 FLAC 软件 ................................................... 38 4.2.1 FLAC 软件概述 ........................................................ 38 4.2.2 FLAC 基本原理及应用流程 .............................................. 39 4.2.3 差分方程............................................................. 42 4.2.4 FLAC 程序中正负号的确定 ............................................. 45 4.3 采空区应力状态数值分析 ...................................... 46 4.3.1 计算模型............................................................. 46 4.3.2 计算参数............................................................. 46 4.3.3 数值计算结果及分析................................................... 47 4.3.4 矿柱破坏原因分析 ..................................................... 48 4.4 小结 ........................................................ 50 第 5 章 采空区危险性评价及处理方法的研究 ................51第 5 章 采空区危险性评价及处理方法的研究 ................51 5.1 引言 ........................................................ 51 5.2 危险性评价方法简述 .......................................... 51 5.2.1 危险评价 ............................................................. 51 5.2.2 采空区危险评价程序 ................................................... 52 5.2.3 采空区危险性评价方法 ................................................. 53 5.3 采空区处理方法的研究 ........................................ 54 5.3.1 概述 ................................................................. 54 5.3.2 采空区处理方法 ....................................................... 55 5.4 河北邢隆石膏矿采空区处理方法 ................................ 56 5.4.1 高切顶房柱崩落法..................................................... 56 5.4.2 中深孔预裂房柱崩落法................................................. 58 5.4.3 中深孔房柱崩落法..................................................... 59 5.4.4 无底柱分段崩落法方案 ................................................. 60 5.4.3 采空区处理建议....................................................... 63 5.5 小结 ........................................................ 63 第 6 章 结论与展望......................................64第 6 章 结论与展望......................................64 参考文献................................................65参考文献................................................65 致 谢..................................................68致 谢..................................................68 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 问题的提出及课题研究的意义 1.1.1 引言 矿业是国民经济的基础产业。新中国成立以来，矿产资源的勘查与开发事业 获得了极大的发展，取得了举世瞩目的成就。1949 年，我国保留比较完整的矿 山仅 300 多座[1]，年产原油 12 万吨，煤 0.32 亿吨，钢 16 万吨，有色金属 1.30 万吨，硫铁矿 1 万吨，磷不足 10 万吨。经过五十多年的努力，先后建立起了一 批大型石油、煤炭、有色金属、钢铁和化工矿山基地，形成了能源与原材料矿 产品的强大供应系统。目前，我国的矿产品产量、消费量居世界前列。 根据统计资料[2]， 我国现己发现 171 种矿产资源， 查明资源储量的有 158 种， 矿产地近 18000 处， 其中大中型矿产地 7000 余处。 我国矿产资源的基本特点是 资源总量较大，种类比较齐全。 矿产资源通常分为能源矿产、金属矿产和非金属矿产三大类。非金属矿产是 除能源矿产、金属矿产外，在当今技术经济条件下可供工业提取的非金属化学 元素、化合物或可直接利用的岩石与矿物。当今工业可利用的非金属矿产资源 大约有 250 种，世界年开采总量约 250 亿 t。20 世纪 50 年代世界非金属矿的产 值就已超过金属矿产值，80 年代非金属矿及其制品进入蓬勃发展时期，其产品 广泛应用于许多领域。目前世界开采的非金属矿产品占到矿产品总量的 70﹪以 上，人均消耗非金属矿 5 吨，是世界上消耗量最大的矿物原料。 我国是世界上少数几个非金属矿资源丰富的国家之一，同时也是世界上非 金属矿品种最齐全、资源储量最大的国家之一。现已探明 88 种非金属矿，4700 多个矿产地。我国非金属矿工业起步较晚，20 世纪 50 年代形成产业，改革开放 之后发展迅速。自 1981 年至 2000 年，我国非金属矿工业平均以 20％的增幅快 速发展[3] 。1992 年到 2000 年，我国非金属矿行业年出口平均增幅为 13.2％， 高于其他矿业的增速，为国家创取大量外汇，在我国的国民经济中占有重要地 位。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1.1.2 石膏矿产资源及开采安全现状 石膏是在非金属矿中用途广、产量大、产量增速快、在国民经济发展中占 有重要地位的矿种，主要用于石膏建筑制品、水泥缓凝剂、土壤调节剂、肥料、 农药、造纸、油漆、橡胶、塑料、纺织、食品、工艺美术、文教、医药等。近 十多年来，我国石膏矿是非金属矿中发展速度最快和发展势头最稳定的矿种。 我国探明石膏储量达 600 亿 t，石膏资源的特点是储量大，分布广；普通 石膏和硬石膏多，优质石膏资源非常少，仅占储量的 10％左右。我国现有石膏 矿山约 500 座[3]， 矿山平均年产量约 5 万吨。 其中 10 万吨以上的矿山仅 30 多座， 占总石膏矿产量的 40％。比较著名的石膏生产基地有南京石膏矿、大汶口石膏 矿区、平邑石膏矿、大为石膏矿、灵石石膏矿、湖北龙源石膏有限公司、隆尧 双碑石膏矿区等。 我国 70％的石膏是地下开采。由于石膏价廉，除极少数以纤维石膏为主的 矿山采用壁式充填法和房柱式充填法开采外，绝大多数矿山采用房柱采矿法开 采，留石膏护顶层以增加顶板的稳固性，少数矿山采用全面采矿法。 随着开采时间的延续和开采范围的扩大，不少地下矿山的采空区面积不断 扩大，其面积往往达到几万、几十万，甚至上百万 m2，体积则达到几十万、几 百万 m3。当采空区面积超过一定界限之后，如不及时处理，就会导致采场、巷 道发生岩层错动甚至岩体崩塌，常伴有巨响，气流冲击，而且可能引起地表开 裂、下沉，导致地面建筑物陷落、倒塌及矿区地震等形式的严重地压灾害，可 能造成重大人员伤亡及经济损失。 2000 年 3 月 28 日山东峄城石膏矿发生重大冒顶事故，死亡 5 人；2001 年 5 月 18 日广西合浦县恒大石膏矿发生特大冒顶事故，死亡 29 人；2003 年 11 月 10 日河北邢隆石膏矿发生重大冒顶事故，死亡 5 人；2004 年 2 月 16 日，广东 省兴宁市叶塘石膏二矿发生重大冒顶事故，死亡 6 人；2005 年 11 月 6 日，河北 省邢台县尚汪庄石膏矿区发生采空区特别重大冒顶坍塌事故，死亡 37 人；2006 年 8 月 19 日，湖南石门县蒙泉镇天子岗村天德石膏矿老采空区发生重大垮塌事 故，9 人死亡。可见目前石膏矿安全生产形势极为严峻。 采空区垮塌极大的危害石膏矿山安全生产，应当引起安全监管部门和矿山 企业的高度重视。作为矿山安全生产的重大危险源，采空区处理的研究工作， 查清塌方事故发生的原因、性质、发生机理和危害后果并提出相应的防治措施 已刻不容缓。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1.1.3 课题研究的意义 我国 70％的石膏资源是地下开采，但无论是在开采的数量、工艺、装备和 安全技术条件等方面，还是在国民经济中所占的比重都不能与煤炭和金属矿山 相比。石膏矿的矿体和围岩主要为中软弱和软弱岩体，大多采用房柱采矿法开 采。随着开采深度的增加和采空区面积的扩大，采空区稳定性问题越来越重要， 它直接关系到矿山安全生产和深部矿体的开采规划。由于一些石膏矿山建设先 天不足，导致生产作业条件恶化，安全事故频繁发生。因此，老采空区处理问 题对石膏矿山预防和减少事故、防灾减灾具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采场上覆岩层运动规律的研究现状 矿层开采后必然引起岩体向采空区移动，岩层移动将造成矿山压力显现， 出现采动裂隙，直至引起地表沉陷等采动损害。掌握采动岩体的移动规律，特 别是内部岩层的移动规律，对采空区的控制和处理有重要意义。 目前关于上覆岩层的破坏机理及运动规律的理论有四种比较流行的理论。 它们都在不同程度上解释了不同地质条件、不同开采方式和不同开采阶段，围 岩破坏和地表移动的特征 [ [4 4 ～～ 7 7] ] 。 （1）冒落拱理论 上世纪初，早期的矿压研究者、前苏联工程师Φ.许普鲁特提出“拱”理论。 他认为，采场在一个“前脚在煤壁，后脚在采空区”的拱结构的保护下。此观 点解释了两个重要的矿压现象①支架承受上覆岩层的范围是有限的；②煤壁 上和老塘矸石上将形成较大的支撑压力，来源为空顶上方的岩重。由于“拱” 说难以解释采场周期来压等现象，现场也难找到定量描述拱结构的参数，所以 “拱”说只停留在对矿压现象的一般解释上，不能很好地用于实际。 （2）冒落岩块铰接理论 它是原苏联学者 T H 库茨涅佐夫在上世纪 50 年代提出的。他认为需要 控制的顶板由冒落带和其上的铰接岩梁组成， 冒落带给予支架的是 “给定载荷” ， 它的作用力必须由支架全部承担。铰接岩块在水平推力的作用下，构成一个梁 式的平衡结构，该结构与支架之间存在“给定变形”的关系，这是定量研究矿 压现象的一个重大突破。但库氏理论对形成铰接岩块平衡结构的采场条件以及 支架与顶板之间的作用关系研究不够。 武汉理工大学硕士学位论文 4 （3）悬臂梁冒落论与冒落岩块碎胀充填理论 它是德国人舒尔茨和施托克提出的。该理论把工作面和采空区上方的顶板 看作是梁或板，初次冒落后，该梁或板的一端固定在工作面和采空区前方的矿 壁上，而另一端自由悬露，或者支撑在支架或跨落的岩石上，也可能只产生弯 曲变形而不折断。当悬臂梁的悬臂长度很大时，就发生周期性的冒落。冒落的 岩块由于破裂或其存在裂缝而体积膨胀，并填充了采空区所留下的部分空间， 从而限制了覆岩冒落的继续发展，使之逐渐趋向稳定。 （4） “砌体梁”和“传递岩梁”理论 上世纪 70 年代，我国学者在库氏铰接岩梁理论基础上，发展了至今仍占主 导地位的“砌体梁”和“传递岩梁”理论。 “砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性以及结构的平衡 条件，它的结论更适合于存在坚硬岩层的采场。该理论认为采场围岩砌体梁结 构模型并非仅指单纯的岩块堆砌，是一个有机的运动着的整体，包括坚硬岩层 的变形、破断和失稳，也包括块与块、块与垫层、块与连续岩层的接触和铰合， 还包括裂隙、离层、水和瓦斯流动等。 “传递岩梁”理论认为，在一定采高、推进速度和顶板组成的条件下，平 衡结构的存在是必然的，它看待平衡结构的重点是从结构向煤壁前方和老塘矸 石传递力的方面考虑的。明显，这种结构在一般采场均存在。在进行支架围岩 关系研究时，加进了“存在坚硬岩层”的前提条件。故该理论所建立的力学模 型均以两个岩块组成的结构出现。该理论还认为，采场支架可以改变铰接岩梁 的位态，并以两块模型推导出了位态方程，为支护设计定量化提供了重要思路。 “砌体梁”和“传递岩梁”理论都认为，坚硬岩层能在煤壁前方断裂，通 过研究岩层运动与支撑压力之间的关系，提出了来压预报的机理和方法，为减 少我国恶性顶板事故做出了重大贡献。 “砌体梁”和“传递岩梁”理论主要是针 对长壁工作面的。 由于岩梁理论只适用于工作面长度与初次来压步距之比大于 5 倍的采场，近几年来在坚硬顶板采煤工作面，一些学者引进了岩板理论，即用 固支或简支弹性板以及弹性基础上的薄板模型，研究顶板初断步距与厚度之比 大于 5～8 倍的坚硬顶板，也取得了很多成果。 大量实践表明，在岩层中存在一层至数层厚硬岩层，在岩层移动中起主要 的控制作用。在此基础上，为解决岩层控制中更广泛的问题，近年来在钱鸣高 院士领导下的课题组提出了岩层控制的关键层理论[8]。 该理论是将对采场上覆岩 层活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层或亚关键层。覆岩中的关 键层一般为厚度较大的硬岩层，但覆岩中的厚硬岩层不一定都是关键层。关键 武汉理工大学硕士学位论文 5 层判别的主要依据是其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上覆全部岩层 或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的。即关键层的断裂将导致全部或相当 部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键层可能不止一层，但主关键层 只有一层。关键层理论研究的总体思路是为弄清楚开采时由下向上传递的岩 层移动动态过程，并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦 斯的流动和地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制，关键在于弄清关键层 的变形破断及其运动规律，以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系。 关键层理论的研究在层状矿体开采过程中，在关于矿山压力控制、开采沉陷控 制、瓦斯抽放及透水防治等方面取得了很大成功。特别是在“三下一上”采煤 方面，根据主关键层与煤层的力学特征，确定合理的采留宽比，保证了主关键 层与煤柱的长期稳定，使地表平缓下沉，变形量符合三下采煤规程要求，地面 构筑物得到完好的保护[9]。 因为这些理论主要是针对煤矿采场工作面上覆岩层的运动规律进行的研 究，在非煤矿床开采中，由于开采工艺、开拓方式及采掘布置的特殊性及老空 区的遗留特点，必须进行有针对性的研究。 1.2.2 采空区的沉陷模式理论研究状况 地表开采沉陷问题很早就被人重视，从 15 世纪开始，人们通过各种方法来 研究沉陷模式[10 ～14]。主要理论有 从十五世纪到十九世纪末是沉陷理论的萌芽阶段，最主要的理论是“法线 理论”及修正的“法线理论” ，这些理论主要用来确定开采破坏范围，其中确定 破坏极限角的方法一直沿用至今。 从十九世纪末到二十世纪初，是理论发展的初期阶段。在这个阶段，欧洲 工业大发展，使有用矿产的需求大幅增加，围绕矿区形成了许多大工业中心， 从而使得沉陷理论研究逐渐深入，开始了开采地表下沉与变形规律的研究，形 成了以布德雷克克诺泰为代表的地表沉陷几何理论。 二十世纪开始到现在，是理论大发展的阶段，建立了许多系统的理论，从 各个不同的角度出发，形成了多种地表移动与变形预计方法。按采用方法的基 础分为经验方法、分布函数法、理论模型法三大类。早期，人们根据当时所 了解的有关岩层移动的知识还不能提出从采空区到地表整个岩体移动过程的统 一理论，只能放弃创立岩层移动力学数学模型的企图，而以实际经验、现 场观测为基础来研究可直接用于工程的经验性的地表变形预计方法。后来，随 武汉理工大学硕士学位论文 6 着矿山岩土工程实践的增多，矿山力学的发展，现代技术的应用，开采沉陷在 多学科相互渗透中快速发展。其中最具代表性的是以阿维尔申及沙武斯托维奇 为代表的连续介质理论；波兰学者李特威尼申 J. Litwinisyn 院士为代表的随机 介质理论，他用严密的数学理论将岩体视为非连续介质提出了随机介质理论， 卓有成效地促进了岩移研究工作的开展，后经我国学者刘宝琛、廖国华等发展 完善而形成的[20 ～21]，是目前应用广泛且比较符合实际情况的方法。 文献[18]导出了地下开采后山地地表出现倾斜、曲率及水平变形的表达式； 文献[15][19]，对山区开采引起的地面下沉给出了数值计算方法，并利用计算机进 行了工程计算分析； 文献[16][17]采用 FUZZY 测度理论对复杂条件下开采岩体变形 问题进行了卓有成效的理论分析，它把导致岩体变形的诸因素都视为模糊因素， 建立了开采岩体变形的数学模型。 1.2.3 采空区处理的一般方法 地下采空区对工程的危害主要体现在两个方面 ①采空区顶板大面积冒落，造成地下工程结构破坏和人员伤亡、地表沉陷 和开裂，破坏地面环境，威胁地面人员和设施的安全。 ②矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动等影响导致岩体裂隙发育，贯 通地表或连通老窿积水，发生透水事故，淹没坑道和工作面，造成灾难性事故。 采空区是矿山生产的重大危险源，是矿山顶板大面积冒落的前提条件，需 及时对形成的采空区进行安全处理。目前常用以下的处理方法 （1）矿柱支撑法 留永久矿柱或构筑人工石柱处理空区，适用于缓倾斜薄至中厚以下用房柱 法、全面法回采的矿体，其顶板相当稳固，地表允许冒落。但从长远来说，矿 柱可能由于风化、侵蚀、剥蚀、片帮等作用而破坏，最终导致整个空区塌陷。 （2）充填法 用充填料充填空区，是从坑内外将废石或湿式等充填材料通过车辆运输或 管道输送送入采空区，将采空区充填密实来消除采空区。它分为干式充填采空 区和湿式充填采空区两种。使用充填法，需复杂的充填系统，耗费大量人力、 财力、物力，管理繁杂，在经过技术经济比较后，别无他法时，才选用充填法。 （3）封闭和隔离空区 主要措施有封闭空区与外界相通的巷道，设置隔离层将上部空区与下部作 业区隔开，在密闭隔离的空区上部开通往地表的“天窗” ，使空区冒落产生的冲 武汉理工大学硕士学位论文 7 击气浪可以从天窗冲出地表，以此保护巷道及作业区的安全。 （4）崩落法 地表允许陷落的情况下，多采用崩落法处理空区。它是将采空区的矿柱及 其顶板崩落，释放围岩应变能，用崩落的围岩充填空区并形成缓冲保护垫层， 防止空区内大量岩石突然冒落造成气浪伤害。分为自然崩落围岩法和强制崩落 围岩法。它简单易行，成本较低，在矿山中应用较广。自然崩落法是通过充分 回采矿柱，诱发自然崩落并贯通地表，或封闭、隔离老空区，让其自然冒落， 但此方法安全系数不高，存在较大安全隐患。强制崩落法实质是采用爆破手段， 崩落承压矿柱，使采空区顶板失去支撑，岩移发展至地表，实现卸压充填空区。 1.3 论文研究的主要内容及目标 1.3.1 研究的主要内容 （1）石膏矿开采的特点及采场结构参数合理性研究； （2）研究采空区的应力分布状态与开采过程中地应力的变化规律，以及采 空区、矿柱及顶板的稳定性； （3）分析各种常见采空区处理方法，结合研究矿山的具体情况，提出可行 的工程措施。 1.3.2 研究目标 通过对所研究矿山的地质、水文、开拓系统、采矿方法等主要开采技术条 件、生产工艺及采空区现状的调研，运用 FLAC3D三维有限差分方法。模拟开采 过程中地应力的变化规律，计算采空区、矿柱及顶板的稳定性，针对典型采空 区的稳定状态及应力分布特点提出相应采空区的安全处理措施。 1.4 采取的研究方法与技术路线 通过理论分析和数值模拟的方法进行系统研究，综合评价河北邢隆石膏矿 采空区的稳定性，提出相应的采空区处理方法。采用 FLAC3D软件对采空区进行 数值模拟，通过对模拟计算