[00131594]大面积复杂采空区稳定性风险评估及安全生产条件重构关键技术

通过本项目的研究,形成了针对花垣县铅锌矿区特点的采空区精准探测技术体系,得到了新的适用于花垣县铅锌矿区Mathews图解法的主控指标（稳定-过渡、过渡-崩落界线）和修正的Q系统极限跨度计算公式。基于模糊数学原理,建立了采空区综合风险分析体系,通过对采空区灾害进行危险性和易损性分析,建立采空区风险评估体系。形成了有特色的尾砂充填、封闭隔离、废石充填、齿状阻波墙等改进的治理方法。结合土地坪矿区摆科铅锌矿采空区实际现状,针对不同采空区分别进行了具体设计。本次研究不仅有效解决了花垣县铅锌矿区采空区风险分析及安全生产环境重构的技术难题,更为国内类似矿山安全生产提供了技术支撑。具体研究成果如下： （1）采空区探测技术方面 基于采空区复杂多样特点,总结并改良了工程测绘与三维激光扫描综合测量方法,实现了兼顾高效、经济和精确的采空区探测目标,基于采空区探测成果的系统分析及三维模型重构,实现了复杂采空区的数字化表达。 （2）矿山采空区风险分析方面 ①通过对等破坏概率实验样本进行稳定-过渡、过渡-崩落界线优化拟合,提出适用于花垣铅锌矿采空区的Mathews稳定图,从而得到了修正的Q系统极限跨度计算公式。所得Mathews稳定图拟合结果较原曲线对样本数据包络性更强,与工程现场实际情况吻合情况更好。 ②根据花垣县铅锌矿采空区的特点,基于模糊数学理论和层次分析法建立了采空区稳定性评价指标,主要包括技术因素、地质因素、其他因素等3大类13个具体评价指标。并分析得到技术因素对地下采空区稳定性影响最大,采空区跨度、采空区面积和岩体质量最重要的3个影响因素。采空区稳定性模糊评价法不仅涵盖了众多采空区稳定性影响因素,并且体现了改进的Mathews稳定图法影响因子,是基于改进的Mathews稳定图法分析结果的综合、快速评价方法,是一种适用于复杂采空区稳定性分析的综合评价体系。基于该方法开发的分析软件可进行采空区稳定性定量分析,根据隶属度最大原则得出采空区稳定性分级结果。 ③以系统工程理论、可靠性理论、经济学原理、风险评估理论为基础,结合采空区稳定性评价,建立了采空区风险评估体系,实现了采空区风险评估及其治理决策的定量化,该方法具有较好的通用型和实用性。 （3）安全生产条件重构技术方面 ①通过凝练安全生产条件重构方案选择主要影响因素,制定采空区安全生产条件重构方法选取原则。根据花垣县采空区的分布特点和现场条件,采用尾砂充填、封闭隔离、设置禁采区、废石充填、掘进绕道、设置监测系统相结合的治理措施。 ②针对中小矿山边治理边生产的特点,提出一系列安全生产条件重构措施,具体为包括：巷道密闭封堵技术、齿状阻波墙优化设计方法、采空区分区隔离设计方法、尾砂及废石充填技术、微震监测方案优化方法以及相应治理过程的安全措施。如齿状阻波墙优化设计方法：对比分析打气筒模型、绕流模型两种采空区冒落形式形成的采空区冒落冲击气浪,得出岩体冒落诱导的风流速度计算式。结合冲击气浪进入巷道时的风速分析,研究巷道内墙体受力情况,从而提出了有针对性的隔离墙厚度计算和设计方法。基于能量理论及流体力学原理,获得空气冲击波经过阻波墙的能量损失表达式,提出了不同情况下最优阻波墙面积比、墙体数量,并通过数值模拟进行了验证。 （4）采空区治理工程实施方面 ①结合土地坪矿区摆科铅锌矿实际情况,将土地坪摆科铅锌矿划分成3个采空区群,并分别提出有针对性的尾砂充填、尾砂挡墙、钢筋混凝土隔离墙、废石充填、钢筋混凝土齿状阻波墙、设置禁采区等多项具体设计方案。 ②利用尾砂充填材料试验,研究得到合理的尾砂配置比,并提出分层充填方案。利用Terzaghi模型方法、卢平弹性力学计算方法得到各分层的合理厚度。针对不同类型采空区制定了多项尾砂及废石充填方案。 ③提出微震监测方案的优化方法。在本次提出的微震监测方案中,采用模拟退火法进行目标函数的寻优,建立的采集方案优化函数可同时考虑灵敏度和定位精度,通过优化该目标函数可找到微震监测的最优方案。 本次成果在花垣县铅锌矿中得到了很好的应用。本次研究是采空区治理理论与工程实践相结合的一次有意探索,为其它类似矿山采空区治理提供了重要参考。