房柱式采空區遺留煤柱穩定性綜合評價研究

劉義新

(1.煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

房柱式采煤法無論是作為一種常規的柱式體系采煤法，還是作為巖層及地表沉陷控制的部分開采方法之一，在國內外均得到廣泛應用［1－5］，尤其是在開采邊角煤、不規則塊段、“三下”壓煤等條件下取得了較好的經濟和社會效益。房柱式采煤法在采空區內遺留有大量支撐煤柱，這些煤柱對采場上覆巖層直至地表的運動起到至關重要的作用，但煤柱一旦失穩，將失去對覆巖的支撐，易導致采空區及地表的大面積突然垮塌甚至引發礦震，非但起不到保護地面和井下受護對象的作用，而且還損失了寶貴的煤炭資源，給煤礦安全生產帶來重大隱患，困擾著企業和地區的可持續發展。因此，對房柱式采空區遺留煤柱的穩定進行評價是非常必要的。

目前房柱式采空區內煤柱穩定性評價方法尚無統一的標準，主要有經驗公式法、現場實測、數值模擬法及剛度理論法等［3－8］，采用單一的評價方法較難滿足實際應用，應采用多種方法相結合的綜合評價法。本文采用初評定性與后評定量評價相結合的綜合評價法對房柱式采空區遺留煤柱穩定性進行評價，并結合實例進行應用。評價結果可為采空區的有效治理，房柱式采空區上能否新建建(構)筑物等提供理論依據和工程指導。

1 采空區遺留煤柱穩定性定性評價

煤柱穩定性取決于地質和采礦因素的綜合影響，這些影響因素涉及到諸多方面［3，9－10］，一類是很難或不可能改變的不可控因素，如地質構造、煤柱及頂底板本身的屬性等;另一類為可通過人為改變的可控因素，如采煤方法、頂板管理方式、煤柱的寬高比、煤柱面積比率及煤柱的形狀等。已有的開采實踐表明，采空區煤柱穩定性主要與煤柱的寬高比和煤柱面積比率有關。因此，在實際工程應用中，可優先采用煤柱的寬高比和煤柱面積比率這2個定性指標來初步評價煤柱的穩定性。

1.1 煤柱寬高比

煤柱的寬高比對煤柱的穩定性有重要影響。大量的實驗室試驗和現場研究表明，在其他條件相同時，煤柱的穩定性隨寬高比的增加而增加。對瘦高煤柱而言(寬高比＜3～4)，煤柱極不穩定，極易發生頂板大面積的突然冒落，并伴隨強烈的沖擊，若采深較小，則地表也會發生突然塌陷。當煤柱寬高比超過10 時，煤柱很難破壞，煤柱會長期穩定。從我國煤礦采用的條帶開采的成功實例來看:垮落條帶開采時煤柱寬高比最小應為3.2～3.6，通常應大于5;充填條帶開采時煤柱寬高比應大于2。

1.2 煤柱面積比率

煤柱面積比率指保留煤柱面積占相應開采面積的比率，是衡量煤柱穩定性的重要標志。煤柱面積比率越大，煤柱的有效承載面積越大，煤柱穩定性越高，煤柱就不會被壓垮，采空區就越穩定;反之，采空區穩定性就越差。已有的條帶開采實踐表明，當煤柱面積比率在30%以上時，地表緩慢下沉且下沉較小，說明遺留煤柱發揮著長期有效的支撐作用，即煤柱的穩定性好。通過分析大同礦區有關資料［11－12］，歸納出煤柱穩定性與煤柱面積比率及覆巖破壞、地表沉陷情況關系的參考條件:

(1)在開采厚煤層時，采空區內遺留煤柱面積比率為30%～35%以上;薄及中厚煤層時，當煤柱面積比率為25%～30%以上時，采空區內遺留煤柱的穩定性好，因而頂板和地表也是安全穩定的，甚至在開采3～4 個煤層以后，頂板未出現大面積冒落，地表未出現突然塌陷。

(2)當煤柱面積比率為20%～25%時，遺留煤柱的穩定性一般，地表一般只發生小裂縫。

(3)當煤柱面積比率小于20%時，遺留煤柱的穩定性較差，地表易發生大裂縫或突然塌陷。

在采用煤柱的寬高比、煤柱面積比率這兩個指標來初評煤柱穩定性時，煤柱的寬高比優先于煤柱面積比率，因為煤柱的失穩往往是從某一個煤柱開始。一個煤柱的破壞誘發相鄰煤柱相繼破壞，接著迅速擴展到整個區域煤柱，造成多米諾骨牌效應，且整個煤柱失穩過程具有突然性和迅速性。大同礦務局發生的頂板大面積突然垮落表明:有的采空區留設的煤柱面積比率并不小，但由于某個煤柱寬高比小，穩定性很差，造成了地表突然塌陷。可見，煤柱穩定性定性初評指標中煤柱的寬高比應為前提條件。

2 采空區遺留煤柱穩定性定量評價法

煤柱穩定性經初評后，若煤柱的寬高比和煤柱面積比率這兩個指標均達到要求后，仍需做進一步的定量評價，主要通過經驗公式極限強度理論和逐步破壞理論相結合進行評價［13］。

2.1 極限強度理論

極限強度理論認為煤柱穩定性主要取決于煤柱應力和煤柱強度。當煤柱應力超過煤柱強度時，煤柱將失穩破壞，通常用安全系數來定量評定，煤柱穩定性安全系數(F)=煤柱強度(σp)/煤柱應力(Sp)，安全系數一般應在1.5～2.0 之間。

2.1.1 煤柱應力

由于煤柱內應力分布異常復雜，工程應用中常采用簡單易行、應用廣泛的輔助面積法進行計算。該法的實質是:僅考慮圍巖的自重應力場，并認為采空區上方的覆巖重量全部轉移到遺留煤柱上。煤柱應力計算公式為:

式中，r 為上覆巖層平均容重，kN/m3;H 為采深，m;W 為煤柱寬度，m;B 為煤房寬度，m;L 為煤柱長度，m。

2.1.2 煤柱強度

關于煤柱強度的確定，國內外進行了大量的研究，提出了10 余種煤柱強度計算公式［5］，目前應用廣泛的是Bieniawski 公式，其計算公式如下:

式中，σ1為立方體煤柱的原位強度，MPa;h 為煤柱高度，m。

式(2)中σ1的計算公式為:

式中，σc為試驗室圓柱體試樣的平均單軸抗壓強度，MPa;D 為試驗室圓柱體試樣的直徑，m。在使用時當煤柱高度h 大于0.9m 時取0.9m。

2.2 逐步破壞理論

逐步破壞理論認為煤柱的破壞是從煤柱邊緣向內部逐漸發展的，即在一定地質采礦條件下，煤柱必須具備相應的最小寬度，煤柱寬度留設不夠，煤柱極易被壓垮失穩導致頂板大面積垮落和地表突然塌陷。因此，為保持留設煤柱的長期穩定，留設煤柱寬度應包括塑性區和核區兩部分，且煤柱應有一個穩定的核區存在，則煤柱保持穩定的最小寬度應滿足:W＞2×0.00492hH+(1～2)m。

3 實例評價

陜西省榆林市作為第二大煤炭資源城市，經過幾十年的開采，地下已經形成了量大面廣、時間跨度長的采空區。據不完全統計，這些采空區大部分為地方煤礦和私營煤礦開采所致，采煤方法多為房柱式放炮采煤法，采深淺，采高大，開采尺寸大，留設煤柱小，且留設煤柱形狀不規整，上覆巖層多為堅硬砂巖，地表賦存有厚黃土和風積沙。采空區內遺留大量煤柱，少部分已失穩垮塌，大部分尚未失穩。采空區內煤柱失穩已導致礦震頻發、地表塌陷、地下水位下降、滑坡等地質災害和環境問題。

為此，采用前文介紹的房柱式采空區煤柱穩定性綜合評價方法對榆林市某地區部分煤礦采空區內遺留煤柱的穩定性進行評價，采空區遺留煤柱基本情況及其評價結果分別列于表1 和表2。

表1 房柱式采空區遺留煤柱基本情況

表2 采空區遺留煤柱穩定性綜合評價結果

從表2 可看出:煤柱寬高比方面，各礦寬高比大部分比要求值小(＞3～4)，且絕大部分很小(≤2);煤柱面積比率方面，僅F 礦、G 礦和H 礦滿足要求;煤柱安全系數方面，各礦值均比要求值小(＞1.5～2)，且絕大部分很小(＜1);煤柱最小寬度方面，僅G 礦和H 礦滿足要求。根據前述的初評定性和后評定量的綜合評價法，最終確定各礦采空區內遺留煤柱穩定性差。現場調查表明，這些遺留煤柱穩定性差的礦井均發生過不同程度的地表塌陷、裂縫及礦震等現象，可見評價結果與現場基本吻合。

4 結論與建議

(1)房柱式采空區內遺留的大量煤柱可從煤柱寬高比、煤柱面積比率、煤柱強度與載荷計算、煤柱保持穩定最小寬度等方面，采用初評定性與后評定量相結合的方法來評價。實例應用表明，該法簡單易用，且評價結果與現場情況基本吻合。

(2)采空區內遺留大量煤柱對煤礦安全生產存在重大隱患。建議根據采空區內遺留煤柱穩定性評價結果，尤其是綜合評價結果差的，盡快對采空區采取相應的治理措施，比如注漿等。

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