我国矿山采空区综合治理研究综述
周逸文，张 涛，段隆臣，李建文
(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；
2.中煤科工生态环境科技有限公司,北京 100013)
随着我国经济的快速增长，自然资源需求不断扩大，极大地推动了我国矿山企业的快速发展。矿山企业对矿产资源的开采规模逐年增加，而开采过程中形成了大量的采空区。据初步统计，截至2015年年底，全国地下矿山开采共形成12.8亿m3的采空区，分布在28个省(市、区)[1]。大量的采空区如得不到合理处置，将会在矿山及其附近区域留下严重的安全隐患。矿山采空区引起的主要灾害有巷道顶板冒顶、井下突水、矿山地震以及矿区地面塌陷，通常会造成重大安全事故的发生[2-4]。国家安全监管部门高度重视矿山生产安全，矿山安全整治工作得到了积极的开展，安全问题得到了有效的控制，矿山采空区治理也得到了长足的发展。
由于我国矿山采空区分布广泛、存量大、类型丰富，不同成因的采空区特点不同，引起的安全问题也不尽相同，因此矿山采空区治理非常困难，需要系统地开展综合治理工作[3-5]。矿山采空区治理主要包括采空区探测、采空区稳定性评价和采空区处置3个方面内容。近年来，为了契合国家生态环境可持续发展战略的需求，胶结充填法以能够将固体废弃物资源化利用的特点成为处理矿山采空区最常用的方法。但是，传统的胶结充填法常以水泥为胶凝材料，存在成本高、固废物利用率低、采空区处置效果不显著等问题。因此，为了部分或完全替代水泥，研发成本低、性能优良且能够充分消纳固废物的新型胶凝材料，成为了国内外学者们关注的重点[6-9]。本文针对我国矿山采空区治理现状和存在的问题，在分析我国矿山采空区类型特点和存在的安全隐患的基础上，综述了现有矿山采空区治理的主要手段，系统性介绍了矿山采空区探测、采空区稳定性评价、采空区处置技术以及矿山采空区充填方法和充填材料的应用状况，明确了现有的矿山采空区处置技术存在的局限性，并对其挑战和机遇进行了展望。
1. 1 矿山采空区类型
矿山采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞，不同成因条件的采空区形态和特征各异。根据矿山采空区划分标准的不同，我国矿山采空区大致可分为以下几种类型，见表1[3-5,10]。
表1 矿山采空区划分标准及其类型[3-5,10]
我国老矿山采空区的资料少、形态不清、状况不明、边界难寻，治理难度最大[11]；
充水采空区围岩稳定性差、坍塌风险大，而且易诱发突水、透水事故[11-12];急倾斜采空区比水平及缓倾采空区瞬时地表变形大，地表残余变形的下沉速度呈“波浪”式变化[13];采空区群面积大、体积大、空间错综复杂，稳定状态一直处于动态变化之中[4];短壁式采空区包括空场法开采采空区、条带式开采采空区，一般由留置矿柱支撑顶板，整体稳定性相对较好[4,14];长壁式采空区顶板暴露面积较大，容易在地表产生沉陷盆地，引起大面积的地表变形[10,13,15]。
综上所述，矿山不同类型采空区的空间特征、周围岩体的变形破坏规律以及沉陷机理均不相同，因此针对矿山不同类型的采空区，需要采取专门的分析方法和治理方案。
1. 2 矿山采空区工程安全和生态环境安全问题
未处置的矿山采空区是矿山生产的重要安全隐患，也会引起工程安全和生态环境安全问题。引发采空区安全问题的原因主要是采空区失稳、采空区积水和采空区有毒有害气体聚集等[2-4,10-18]。本文归纳了矿山采空区相关的工程安全和生态环境安全问题，见表2。
表2 矿山采空区工程安全和生态环境安全问题[2-4,10-18]
1.2.1 工程安全问题
采空区失稳是产生矿区地压灾害的根本原因。在矿山开采过程中，由于破坏了采空区原有的平衡状态，可能会诱发巷道顶板冒落、围岩片帮和底板隆起，影响正常的生产活动。当顶板出现大面积突然垮落时，崩落的围岩会在巷道中产生巨大的气浪冲击波，会对人员和设备造成巨大的伤害，还可能会诱发矿震，严重威胁矿区整体的稳定性[2-4]。如图1所示，当埋深较浅的采空区顶板垮落时，如果裂隙带和弯曲带发展到地表则会引起地面大范围的沉降、地裂缝以及坍塌坑，危害地表基础设施的使用并破坏地基稳定性。同时，采空区域沉降稳定时间周期较长，将会导致地面土地失去建设利用价值。
图1 矿山采空区地表沉陷示意图[10,15,19-20]Fig.1 Diagram of surface subsidence above goaf[10,15,19-20]
采空区积水是导致工程透水和突水安全事故的重要原因[2,11]，积水会软化围岩，使含水采空区失稳的风险增大。
采空区有毒有害气体聚集导致的工程安全问题主要出现在煤炭和硫化矿石的采空区。煤炭采空区的遗煤和含硫矿床的硫矿石氧化或自燃会释放大量的有毒有害气体，在采矿及施工过程中，若巷道通风不足或工作面有毒有害气体突出，易诱发人员中毒窒息、采空区火灾和爆炸等安全事故[2,17-18]。
1.2.2 生态环境安全问题
矿山采空区生态环境安全问题是指由矿山采空区引起的矿区地质灾害、环境污染、人居功能破坏等一系列生态环境问题。
采空区失稳会导致地面塌陷、地表开裂、山体滑坡等地质灾害[16]。如图2所示，矿山采空区地面塌陷会破坏地表植被，损毁地表建筑、管道线路和道路交通等，而且随着地表的破坏，荒漠化、盐碱化和沼泽化等生态环境问题也将加剧。除此之外，当采空区上部覆岩裂隙联通到地表时，会形成与地表水和空气传导的通道，为采空区水的补给和排泄提供通道，并为采空区矿石氧化提供氧气，将可能诱发涌水溃砂和火灾等安全事故[12,17]。
图2 矿山采空区地表塌陷引起的生态环境危害[21]Fig.2 Eco-environmental hazards caused by surface subsidence in mine goaf[21]
矿山采空区水的补给来源丰富且赋存时间长，水中存在大量的化学污染物和微生物，当采空区与外部空间相连形成传导通道时，污染水可能渗入到采空区周围的含水层和排入附近河流之中，将会严重危害采空区周围区域的生态环境安全和居民饮水安全[17-18,22]。
对于矿山采空区的有毒有害气体，当采空区周围岩体的裂隙与地表形成通道时，有毒有害气体以及携带的烟尘可能会涌出地面，严重威胁周围区域大气环境质量和居民生命安全。
我国矿山地下采空区具有整体可见性差、隐蔽性强、分布范围广、规模大小各异、规整性差以及空间分布规律差等特点，部分采空区互相连通构成复杂结构的采空区群[3-5]。因此，为了能够更准确地了解矿山采空区的赋存状态，选择有效的探测手段对未知采空区状况进行勘查以及对已知采空区进行测量是治理矿山采空区的前提。
2. 1 矿山采空区勘查
2.1.1 采空区调查
矿山采空区调查主要通过收集采矿的相关资料和现场实地调查，初步确定采空区大致的位置和规模，为后续的详勘、稳定性分析和治理方案制订提供基础数据[23]。资料收集主要针对勘查区域的地质图件、采矿相关图件和卫星图片等;现场实地调查主要包括工程地质条件、采矿情况、采空区性质、地面构(建)筑物分布情况调查以及地表变形监测等。根据采空区调查的结果可以大致掌握采空区情况、确定采空区范围，有助于后续勘探工作的科学布置，从而降低勘查工作量和成本。
2.1.2 工程钻探技术
工程钻探[2,3,12,24]主要利用钻探设备通过钻孔进行探测，是一种准确性高、针对性强的矿山采空区勘探方法。工程钻探方法的优点是能够直接通过钻钻进难度、冲洗液漏失情况以及岩芯岩性、采取率、强度等特性，有效了解地下采空区内部填充物和外部岩体的情况，也能够确定布孔处采空区的顶板位置和高度，可用于验证物探数据和已有材料的有效性，并可为孔内物探、孔内电视等物探方法提供通道。但该方法存在耗费时间长、工作量较大、成本高，而且无法探明大范围矿山采空区等局限性。
2.1.3 工程物探技术
工程物探技术是探测采空区最为重要的技术手段之一，可用于大范围的矿山采空区勘探，在国内外已有广泛的应用。矿山采空区地面常用的工程物探技术主要包括直流电法、电磁法、地震法和其他方法4种类型，常用的物探方法见表3[3,5,10,24-29]。其中，高密度电阻率法是在电剖面法和电测深法技术相结合的基础上发展而来，具有剖面测量和测深的功能，其工作原理与传统电阻率法基本相同，但是测量精度、工作效率都有较大的提升[11-12];瞬变电磁法是目前应用最广泛的电磁物探方法，其基本原理是向地下发射地磁脉冲激发地质体产生二次场，通过分析二次场的衰变特征，判断采空区的特征和位置[25-26]；
微动测量法是一种新兴的工程物探技术，已在轨道交通下伏采空区以及煤矿采空区陷落柱探测方面有所应用，其工作原理是利用采集天然场源的微动信号提取瑞雷波信息，通过地质体与周围介质的波速差异来探测采空区[27-28]。
表3 矿山采空区主要工程物探技术对比[3,5,10,11,24-29]
不同工程物探技术都有各自的优点和局限性，选择合适的采空区探测方法对于某一实际矿山采空区治理工程是十分重要的。实际的采空区探测过程中，遇到的采空区通常空间形态十分复杂，单一的探测方法无法满足探测采空区的需求，可以使用不同工程物探技术相结合的方法来弥补各自的不足。例如城市地下采空区的探测，为了避免噪声扰民、破坏地表以及提高探测精度，可综合利用无损、快速的高密度电阻率法和瞬时电磁法的组合来进行工程勘察。虽然高密度电阻率法由于体积效应而精度不高，但是利用它获取地层信息量大的特点可较为容易地圈定采空区的大致范围，再利用瞬变电磁法具有精度高、抗干扰能力强以及能够探测含水地质体等优势，可以快速确定采空区的形态、位置以及含水状态，有助于轨道交通的安全施工和矿山采空区治理[5,24]。由此可见，采用多种工程物探技术的综合探测是现阶段矿山采空区最为理想的物探方式[29]。
2. 2 矿山采空区测量
矿山采空区的探测手段包括勘探和测绘方法，一般通过地质调查、钻探和物探方法进行探测，便可满足矿山采空区治理的需要。但对于大型矿山且条件复杂的采空区治理工程，为了更准确地掌握矿山采空区的形状、大小和变化规律，仅靠地质调查、物探和钻探等勘查方法是远远不够的。因此，学者们提出通过勘探钻孔的孔内电视法测试[30]、孔内地震测试[31]、孔内窥视[32]或三维激光扫描法[33]等对采空区赋存状态进行高精度的定量化测量分析，以为后续的稳定性分析与评价、工程设计与施工提供依据。其中，三维激光扫描法作为先进的测绘技术已在矿山领域得到了广泛的应用，该方法是一种三维空间影像技术，主要通过三维激光扫描仪扫描周围环境来快速获取精度较高的全景空间的点云数据(见图3)，并经计算机软件处理后，能够构建出最大限度还原真实环境的三维空间模型[29,33-34]。相比于传统的采空区测绘方法，非接触式测量的三维激光扫描法工作效率高、安全性高，可获取的空间数据精度高，并且扫描仪有丰富的数据接口有助于后期各类软件对坐标数据的处理，具有良好的应用前景[12,35]。根据测量方式的不同，三维激光扫描法可分为架站式、延伸杆式和无人机三维激光扫描方法[33,36]。常用的三维激光扫描装备有国外公司生产的CMS空区探测系统、C-ALS空区激光探测系统以及国内的BLSS-PE型矿用三维激光扫描仪等[12,35,37]。因此，矿山采空区治理过程中，需根据采空区的复杂特点和治理工程的重要性，选择适宜的探测方法。尤其是对于大型矿山、条件复杂的采空区治理工程，可以结合三维激光扫描法和多种探测手段共同对采空区进行高精度测绘，实现对矿山采空区的可视化和动态监测，为矿山开采、采空区安全管理以及后续的治理工作提供重要的依据。
图3 通过三维激光扫描仪获取的空间点云数据[34]Fig.3 Spatial point cloud data obtained by 3D laser scanner[34]
3. 1 矿山采空区稳定性影响因素
矿山采空区失稳是多因素综合作用的结果，因此需要对影响矿山采空区稳定性的因素进行分析。国内外学者将矿山采空区稳定性的影响因素归纳为地质因素、水文因素、力学因素、采空区形态因素和工程环境因素5大类，见表4[4,12,38-46]。其中，地质因素与岩体组成、结构、力学性质紧密相关，是影响岩体稳定性的最基本因素[42]；
水文因素是指地下水与围岩之间发生的物理化学和力学作用，是影响围岩稳定性的重要因素[43-44];采空区形态因素是指采空区形态和整体结构对采空区稳定性的影响，采空区形态也是构建与分析采空区数值模型的基本条件[43-46]；
工程环境因素[43-44]是指采空区内及其周围的工程活动对采空区围岩稳定性的影响，是影响矿山生产安全、采空区群治理质量的重要因素。
表4 矿山采空区稳定性影响因素及评价指标[4,12,38-46]
3. 2 矿山采空区稳定性评价方法
矿山采空区稳定性评价是基于对矿山采空区上覆岩层移动破坏规律、围岩应力分布规律、关键岩体稳定性以及地表变形破坏规律等的分析，利用相关方法对矿山采空区稳定性进行评价的过程。结合上述矿山采空区稳定性影响因素的分析，将矿山采空区稳定性评价方法主要分为理论分析法、预测评价法和模拟法3类，见表5[4,13,43]。其中，理论分析法和预测评价法是矿山采空区稳定性评价的常规方法[4,38,43-44];模拟法是利用物理相似模型和数值软件对矿山采空区围岩的应力、应变、位移进行仿真模拟，通常将该方法与理论分析和预测模型相结合来对矿山采空区稳定性进行评价，这是目前最为全面的矿山采空区稳定性评价方法，也是未来矿山采空区稳定性评价的发展趋势[47-48]。
表5 矿山采空区稳定性评价方法分类[4,13,43]
常用的矿山采空区稳定性评价方法各有优缺点，其中突变理论[43,49-50]是一种可以定量描述地质体非线性力学行为的理论，适用于采空区突然失稳临界状态的计算，其优点是能够定量或定性地评价矿山采空区失稳的过程，但是目前该理论只能应用于简单的地质力学模型；
基于层次分析(AHP)法的模糊综合评价法适用于矿山采空区稳定分级评价，其优点是能够对复杂采空区的随机性、模糊性问题进行综合的定量描述，适合对矿山采空区稳定性进行分级评价，但是该方法在选择矿山采矿区稳定性影响因素以及专家打分方面，存在主观性较强的问题[38-39,41,43,51]；
神经网络是一种模拟人脑神经网络行为的数学模型，适合用于矿山采空区稳定性预测，其具有强大的学习能力、高效的解决问题能力等优点，但是也存在算法设计复杂、无法解释推理过程、需要大量的样本数据才能有效预测等问题[40,43,52-53]。
综上，理论分析法更偏向于经验计算，对于赋存条件复杂的采空区，多种因素作用对围岩稳定性影响机制的研究还有待深入；
预测评价法的预测结果存在一定的主观性和随机性，如何优化预测模型、提升预测精度和保证结论的客观性是后续研究的重要方向；
模拟法研究问题通常会对模型进行简化计算，如何提高计算速度以及构建与实际情况相符合的复杂地质模型对矿山采空区稳定性分析具有重大意义[48,54]。在实际工程中，考虑到研究区域内地质条件的复杂性以及影响采空区稳定性的诸多因素，为了保证研究结果的准确性，需要以数值模拟方法为基础综合各种力学理论以及预测评价方法，全面掌握矿山采空区围岩的应变、应力状态和稳定性情况，建立一套有效的矿山采空区稳定性评价体系，从而指导采空区的治理工作。
矿山采空区治理是一项系统工程，不仅要制定周密合理的治理方案，还要协调好与矿山生产、工程建设以及地表环境的关系。目前我国矿山工程中常用的采空区处置技术或方法主要有崩落围岩法、封闭隔离法、支撑加固法和充填法等，各种方法的特点和适用条件见表6[3,12,19,44,55-57]。
表6 我国矿山采空区处置方法及其特点和适用条件[3,12,19,44,55-57]
4. 1 崩落围岩法
崩落围岩法处理采空区是指利用崩落采空区顶板及上盘围岩来充填采空区或形成一定厚度的缓冲保护垫层，从而达到改善井下围岩应力状态，实现对地压的有效控制以及减少顶板冒落产生气流危害的目的[44]。崩落围岩法又分为自然崩落法和强制崩落法，其中自然崩落法是对顶板拉底、侧帮做切割后，让顶板在自重和上覆岩层的压力作用下自然崩落；
强制崩落法是利用爆破技术强制崩落顶板岩层。崩落围岩法具有处理成本低、治理效率高、工艺简单等优点，但是由于其处理过程会产生地表沉降，因此只适合用于允许地表塌陷的矿山采空区。
4. 2 封闭隔离法
封闭隔离法处理采空区是指封闭采空区，利用隔离墙或构造一定厚度的缓冲层将主生产区与采空区进行隔离，可避免冒落产生的冲击波危及主生产区的人员和设备的安全，同时能改善井下通风环境，减少漏风量[56]。封闭隔离法具有处理成本低、工程量少、施工周期短等优点，但是该方法不能消除采空区，将不利于矿山后期回采，而且无法控制地表变形，因此在使用封闭隔离法处置采空区时，还需要配合其他方法来控制围岩移动。
4. 3 支撑加固法
支撑加固法处理采空区是指设立永久矿柱或人工矿柱对采空区顶板进行支撑以及利用锚索或锚杆对采空区顶板进行加固[3,12,19]。支撑加固法包括加强矿柱、设立人工矿柱和顶板加固等方法。该方法具有技术简单高效、安全性高等优点，适合用于缓倾斜、地表允许塌陷、顶板比较稳定的采空区，但是该方法处理成本较高、工程量大，仅能暂时改善采空区地压状况，无法真正保障顶板的稳定性，因此为了解决采空区的稳定性问题，还需要与其他方法联合使用。
4. 4 充填法
充填法处理采空区是指以充填料来填充采空区的方法。在实际应用中，通过利用充填料建立充填系统，再通过采空区的钻孔或天井将材料自流或压力充填至井下采空区，形成具有一定强度、整体性的充填体[3,4,7,57]。胶结或堆积形成的充填体虽不能够完全消除采空区围岩的变形和破坏，但是可以改善岩体应力的分布效果，减少采空区顶板冒落的风险，很大程度地限制了上覆岩层的移动和自由发展，从而达到控制地压和控制地表塌陷的目的。充填法虽然存在投资大、充填工艺较为复杂等缺点，但是由于其处理适用范围广、充填密实、控制围岩移动的效果好，而且大量利用固体废物进行充填还能解决环境污染和固体废物资源化[7-9,58-60]等问题，因此仍是处置采空区最为重要的方法和研究重点，将在下面做重点介绍。
综上所述，矿山采空区每种处置方法都有其各自的优点、局限性和适用条件，通常单一处置方法难以获得理想的治理结果，因此需要充分考虑采空区空间特征、围岩岩性和分布特征等因素，因地制宜结合多种方法制定出高效、经济的治理方案。
国内外众多学者对充填法处置矿山采空区开展了系统研究，取得了丰硕的成果，研究重点常用于采空区地表塌陷问题的治理。按照充填物料是否含水可将充填法分为干式充填法和湿式充填法，各种方法的优点和局限性见表7[4,7]。干式充填法由于充填体压缩性大、治理效果较差，通常不用于矿山采空区治理，但在矿体规模较小的中小矿山及老矿山或建矿初期有所应用；
湿式充填法研究较多、应用较广，根据充填技术的不同又可将其分为水砂充填法和胶结充填法，其中胶结充填法是目前湿式充填法的主要技术。
表7 干式、湿式充填法特点[4,7]
5. 1 胶结充填法
胶结充填法是指将水泥、砂浆等胶凝类材料作为黏结剂，以砂石、砾石以及块石等惰性材料作为骨料支撑，经过加水混合拌合形成胶结的充填浆体，以重力自流或管道泵机械压力向采空区输送和堆放，最后形成具有一定强度、自立性和整体性的充填体[8,61]。根据充填工艺的不同可将胶结充填法[7,62]划分为分级尾砂胶结充填、全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填和膏体胶结充填等。其中，分级尾砂胶结充填较水砂充填的效果好，但尾砂利用率低、成本高且需要脱水，可能会造成井下污染；
全尾砂胶结充填对尾砂的利用率高，达到95%以上，可有效解决充填料不足的问题，但成本较高、脱水工艺复杂；
块石砂浆胶结充填的工艺简单、水泥用量少、成本较低，硬化后抗压强度相较于尾砂胶结充填体能够提高1～2倍[7-8,62]；
膏体胶结充填是目前国内外矿山应用和研究的热点，其具有固体利用率高、充填体强度大、接顶率高、污染较小等优点，但是也存在充填系统投资高、充填料输送难、维护管理复杂等缺点[7,57,62-63]。
总体而言，相对于非胶结充填，胶结充填具有填充量大、强度大、压缩性低、充填速度快等优点，缺点是充填成本高。据统计，胶结充填成本占采矿成本的1/3左右，水泥在胶结充填成本中约占30%～60%[9]。因此，在保证充填材料强度的情况下，开发低成本、能部分或完全取代水泥的充填材料是胶结充填技术的发展趋势[7-9,64]。
5. 2 新型充填胶凝材料
从环保、节约成本和固体废物资源化的角度出发，陆续出现了一系列新型的胶结充填材料，比如粉煤灰、黏土、矿渣、尾矿和高水材料等[7-8,64]，可部分或完全代替水泥胶结材料。新型充填胶凝材料的特点和适用范围，见表8[7-9,58-61,64-71]。其中，黏土水泥以能固化的黏土浆液为主要注浆材料，浆液固化后具有良好的抗震性能，适合强度要求低、有隔水要求的采空区[65-66]；
粉煤灰水泥具有材料来源广、耐腐蚀、流动性好等优点，是膏体胶结充填最常用的胶凝材料，适合强度要求较低、充水的各类采空区[58-59,64]；
赤泥基胶凝材料的化学组分与硅酸盐水泥相似而且强度等各项指标也比较接近，同时比水泥有更好的稳定性，可用于非强酸环境的含水采空区[67-68]；
高炉矿渣水泥、尾矿(砂)基胶凝材料是一种性能较稳定的绿色胶凝材料，可以将工业废渣进行再利用，相较于水泥胶结充填成本更低，有着广阔的应用前景[8,69-70]；
高水速凝充填材料具有很强的固水能力，可凝结87%～90%的水,当水体积超过90%时，可称作超高水速凝充填材料，适用于低温、封闭以及潮湿的各类采空区[9,71]。
表8 新型充填胶凝材料的特点和适用范围[7-9,58-61,64-71]
对于新型胶结充填材料的性能要求，主要有强度和流动性两方面，由于骨料、胶凝材料以及配比的不同，最终产生充填体和浆料的各项力学指标也有差异。对于强度指标，不同矿山采空区对充填体的强度要求各不相同。各类用于矿山采空区胶结充填的材料在养护龄期28 d时抗压强度的范围仅为2～4.5 MPa(见图4)。实际工程中，采空区充填材料不存在强度最优的配比，在满足充填强度以及可泵性要求的条件下，应采用最低成本的配比。另外，浆料的可泵性与塌落度有关，而固料的质量浓度、灰砂比以及颗粒组成[60,72]均会对矿山采空区胶结充填材料塌落度产生影响(见图5)。根据工程经验，塌落度在20 cm以上就可以进行泵送，塌落度为24～28 cm可实现自流输送[73-74]。为了提高尾矿砂的利用率，经常会用强大的泵送设备对流动性很差的高浓度尾砂充填材料进行运输。总体而言，新型充填胶凝材料解决了传统水泥胶结成本高、井下脱水困难、强度低且存在污染风险等问题。对于充分利用黏土、尾矿等废弃物开发出来的新型充填胶凝产品，其最大优势就是可以就地取材，提高固体废物的综合利用率，还能很好地满足降低成本、高性能等需求，但利用固体废物开发新型充填胶凝材料亦存在部分固体废物没有胶结能力以及对环境造成污染等问题[62,68]。因此，如何高效激发和活化固体废物、固定其污染成分是该类胶凝材料的研发重点之一[7-8]。
图4 养护龄期对矿山采空区胶结充填材料抗压强度 的影响Fig.4 Effect of curing time on compressive strength of cemented filling materials for mine goaf
图5 各因素对矿山采空区胶结充填材料塌落度的影响Fig.5 Effect of various factors on the slump of cemented filling materials for mine goaf
综合上述我国矿山采空区治理现状和存在的问题，本文对矿山采空区治理未来的发展方向进行了展望，具体分析如下：
(1) 建立矿山采空区赋存情况数据库。随着大数据技术广泛应用和5G时代的到来，加强相关建设生产部门的技术和经济投入，以统一的标准建立矿山采空区赋存情况数据库，可为后续的工程建设节约探测费用，也将有助于政府对矿山采空区进行标准化安全管理。
(2) 加大高浓度胶结充填技术的推广。高浓度充填技术已在矿山采空区治理中有所应用，诸如膏体充填[62-64]可将浆体浓度提高至80%以上，在大量消纳矿山尾矿、废石的同时，膏体固化形成的充填体强度大、接顶率高，能有效控制矿山采空区的围岩移动，以消除安全隐患。同时，高浓度胶结充填技术具有耗水量少、脱水率低、能显著减少水资源的浪费并降低水污染风险的优势，因此具有极大的推广价值，是矿山采空区充填方法今后重点的研究方向。
(3) 建立并完善矿山采空区智能化处置系统[4]。在监测采空区围岩稳定性、处理采空区的过程中，应积极引入声发射技术、光纤传感技术[11]等监测技术、人工智能系统以及自动化装备。利用人工智能系统对监测采集的大量数据进行处理，在对采空区围岩稳定性进行实时预测评价的同时，提供合适的采空区处置方案并结合自动化设备对施工的各环节进行精细化调整，这将极大地减少操作人员的失误与工作量，以实现对采空区的精细化、智能化处置。
(4) 加大对低成本、多用途充填材料的研发力度。积极利用粉煤灰、煤矸石等矿山工业固体废物，经改性处理后，制备成低成本、能改善充填体性能的新型充填胶凝材料以替代水泥胶结材料，在降低充填成本、提高矿山采空区治理效果的同时，可实现对固体废物资源化、无害化的处置。此外,充填材料中可以加入具有一定特殊功能的材料，诸如拌合一定量的冰等能降低深部矿井温度的蓄冷介质[75]或石英砂石等利于地热能开发的蓄热材料[76]，从而扩展充填材料的功能,以满足矿山采空区治理的不同需求。
(5) 加大对矿山采空区地下空间资源的充分利用。矿山采空区的治理不仅能消除采空隐患、减少地面塌陷，而且随着我国城镇化发展的不断推进，建设用地日益短缺，尤其在资源型地区，对采空区域地上、地下空间的开发利用已成为我国工程建设的关注重点，因此矿山采空区治理对空间的合理利用极具现实意义。经处理达到安全使用标准的矿山采空区能够向地下扩展人类生产、娱乐等活动空间，有助于缓解城市建设用地供给紧张的问题，而且综合其隐蔽性好、隔离性好、抗震性好、温度稳定性好等特点，可建立地下军事基地、精密仪器实验室等地下构筑物，用于确保国防、实验室等重要设施的安全。由于地下空间开发形式多样、不同城镇对地下空间的需求不同，需要因地制宜合理开发矿山采空区，以实现对其空间资源的充分利用。
本文对我国矿山采空区治理研究现状进行了概括，系统总结了矿山采空区赋存类型以及存在的安全问题，归纳了矿山采空区治理过程所涉及的关键方法，包括采空区探测、采空区稳定性评价和采空区处置技术，重点阐述了矿山采空区充填技术方面的研究进展，并对矿山采空区治理的信息化、智能化和无废化等发展趋势进行了展望。主要得到以下几点结论：
(1) 我国矿山采空区具有分布广泛、数量巨大、类型丰富等特点，不断诱发的生产安全事故和生态环境灾难已严重影响到国民经济的可持续发展。目前，矿山采空区安全和治理问题在各级政府的监管下得到了有效控制，并在治理过程中综合应用了探测技术、计算机技术、数学和力学等理论知识，固体废物资源化处置与矿山采空区治理的互补互惠也得到了长足发展。
(2) 矿山采空区探测手段与采空区赋存情况、治理工程需求等因素密切相关，选择经济、合理的探测手段意义明显。矿山采空区勘探以工程物探技术为主，多种矿山物探技术的综合勘测是最理想的物探方式。测绘手段中的三维激光扫描法提高了测量工作的安全性和精度，并能够动态监测矿山采空区的空间状况，可为矿山安全开采、采空区管理工作提供重要依据，具有良好的大规模工程应用前景。
(3) 矿山采空区失稳的动力灾害是矿山采空区治理的核心问题之一。综合分析各类影响因素与矿山采空区稳定性的内在联系，并通过理论计算、模型预测评价以及模拟法等现有的矿山采空区稳定性评价方法大多能有效解决目标工程问题，其中以数值模拟方法为基础，综合力学理论、预测技术建立的矿山采空区稳定性综合评价体系能够获得相对全面、可靠的评价结果。
(4) 矿山采空区可通过崩落法、封闭隔离法、支撑加固法和充填法等进行工程处置，其中充填法应用范围广、处置效果好、对固体废物利用率高，是处置矿山采空区的首选方法，但水泥的大量使用导致成本偏高。采用基于固体废物的新型充填胶凝材料有望突破此局限，其在满足胶结填充体力学性能的同时，可降低水泥用量和成本，也符合当前“低碳”主题，是值得重点发展的方向之一。
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