露天煤礦采空區穩定性評價

洪兵兵

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

露天煤礦因其安全、高效、作業條件簡單，在我國煤炭開采中所占的比例日益增大，但是由于很多露天礦田內都曾進行過時間或長或短的井工開采，遺留了大量的采空區，且未進行過任何處理。這些采空區的形狀一般都不規則，大小各不相同、位置復合交錯，分布無規律性，對露天煤礦的作業人員及開采設備的安全存在極大的隱患，對露天礦的正常生產產生嚴重影響。

采空區災害成為我國露天煤礦分布較廣泛、危害極大的一類典型災害。因此，開展露天礦采空區穩定性評價工作顯得尤為重要和迫切。

1 采空區安全的影響因素

采空區上覆巖層的穩定性是露天煤礦開采中最為突出的問題之一。采空區上覆巖層是隨著地質運動而形成的復雜地質體，其穩定性是指在一定時間內和在一定的工程條件下，它是否會產生塑性變形、剪切位移、拉張開裂或塌陷冒落等破壞。巖層產生前述情況的主要原因是由于下部煤層被開采，產生采空區，導致煤層上覆巖層應力平衡被打破。而當應力集中超過巖石支撐力時，應力獲得釋放，就會產生形變、位移或塌陷，并逐步發展到地表。

采礦工程實踐表明，影響采空區上覆巖層穩定性的因素主要有：

(1) 地質因素及巖體力學性質，包括地質構造發育情況(褶皺、斷裂等)、巖石質量、巖層構造類型、巖層的物理力學性質；

(2) 采空區參數，包括采空區的形成時間、幾何形狀、埋深及暴露面積；

(3) 采礦活動，包括采空區上覆巖層所承受的載荷(爆破、采礦設備運行等)、采煤方法及水文條件等。

影響露天礦采空區上覆巖層穩定性的因素繁多，評估各種因素的影響程度是一個十分復雜的問題，因此，只有科學分析影響采空區上覆巖層穩定性的因素，抓住影響采空區上覆巖層穩定性的主要因素，采用科學合理、切合實際的方法對其進行分析研究，才可對其做出合理的評價。

2 采空區上覆巖層穩定性評價辦法

2.1 采空區上覆巖層穩定性評價流程

采空區上覆巖層穩定性分析和評價應根據現場實際剝采情況，分階段、分層次循序漸進。即首先對勘探得到的采空區按照自行堵塞估算理論進行第一階段的安全分析和評價：對其進行一個粗略、大概意義上的分類，經該階段分析評價認為是安全的采空區，結合其空腔的大小及埋置深度綜合考慮，可暫不予以治理，認為其目前處于“絕對安全”的狀態。

經第一階段安全分析評價后，可篩選出需進行第二階段安全分析與評價的采空區。第二階段評價包括安全系數評價和安全厚度評價。

采空區上覆巖層穩定性分析思路見圖1。

2.2 某露天礦采空區上覆巖層穩定性分析與評價

某露天礦采空區三維激光掃描效果圖見圖2，其平面投影近似矩形，空間近似錐體。幾何尺寸為長度28.5 m，跨度17.5 m，最大高度25.6 m，體積3400 m3，上覆巖層厚度21 m，采空區空腔體與煤層頂板距離最大為53.55 m，最小為31.08 m。

2.2.1 第一階段采空區上覆巖層穩定性分析與評價

圖1采空區上覆巖層穩定性評價及處理流程

圖2 采空區空間效果

2.2.2 第二階段采空區穩定性分析與評價

假定在該采空區上覆巖層范圍內作業的設備有35 m3電鏟和300 t級自卸卡車(滿載)，其相應參數見表1。

表1 采空區上覆巖層范圍內同時作業設備參數

即：

(1)

式中，Q為荷載，kN；k為設備剛度，N/s；m為設備質量，kg。

(1) 安全系數評價。由受力平衡條件，采空區頂板上部所承受的壓力：

P0=G+Q-F

(2)

式中，P0為采空區上覆巖層所受的合力，kN；G為采空區上覆巖層的總重量，kN。

計算采空區上部巖體重力G：

(3)

式中，γi為采空區上覆第i層巖體的容重，kN/m3；hi為采空區上覆第i層巖體的平均厚度，m；S為采空區投影平面面積，m2。

計算采空區上部巖體側壁的摩阻力F：采空區上部巖體第i層巖體側壁的摩阻力：

(4)

式中，L為采空區平面投影周長，m；κi為采空區上覆第i層巖體的側壓力系數，κi=νi/(1-νi)；νi為采空區上覆第i層巖體的泊松比；φi為采空區上覆第i層巖體的內摩擦角，(°)。

因K1=0.91<1，K2=0.82<1，故兩種情況下采空區上覆巖層均不穩定，尤其是當有設備作業時，更易發生整體性坍塌事故。

(2) 安全厚度評價。安全厚度評價中，采空區上覆巖層的物理力學參數均取各巖體相應物理力學參數值的加權平均值(以厚度加權)：

根據載荷傳遞交匯線法，采空區上覆巖層安全厚度H0=D/(2tanβ)=30.76 m。

根據厚跨比法，采空區上覆巖層安全厚度H0=0.5KD=29.00 m(K取值為2)。

根據普式拱理論估值法，因上覆巖層厚度小于2倍的壓力拱計算值24.25 m，故不能形成普式拱。故此采空區不能采用此方法進行穩定性分析。

根據公路行業標準單一巷道式采空區場地穩定性等級評價標準，穩定系數即為安全最小厚度H0與實際采空區上覆巖層厚度的比值。計算載荷傳遞交匯線法和厚跨比法穩定系數分別為0.68和0.72。

安全厚度評價辦法的標準為：當h

對照分析，分別采用安全系數評價辦法和安全厚度評價辦法計算，此采空區均表現為不穩定。

以上兩個階段計算分析結果可以作為及時治理并避免采空區災害的依據。

3 分析與評價總結

當采空區上部巖體強度較差、節理發育，處于較破碎、破碎狀態時，受地壓、巖石風化及爆破震動等的影響，采空區內煤柱變形破壞嚴重，上覆巖層節理裂隙進一步發育，穩固性逐漸下降，導致采空區空腔體逐漸向上塌落，變回逐漸形成倒置漏斗形的采空區，其特點是：腔體標高分布在煤層頂板上部某個位置，腔體跨度變化大，準確位置和高度沒有規律可循。此類采空區上覆巖層穩定性評價可側重采用極限平衡法、載荷傳遞交匯法、厚跨比法、普式拱理論估值法。

采空區頂板不易垮落、仍然保持原有形態，通過一個掃描鉆孔即可確定空腔體的形態參數，將這類采空區定義為簡單型。其特點是采空區空腔頂板比較平整。此類采空區上覆巖層穩定性評價可側重采用荷載傳遞交匯法、厚跨比法、空場長寬比法及結構力學梁理論計算法。

當采空區空腔跨度較大，受巖石風化、爆破震動影響，腔體頂板局部垮落，無法通過單孔掃描完整探測采空區，需采用多孔聯測、數據對接才能實現完整掃描，將這類采空區定義為復雜型。其特點是分布范圍較廣、腔體深度不統一。此類采空區上覆巖層穩定性評價可側重采用極限平衡法、荷載傳遞交匯法、厚跨比法、普式拱理論估算法。

采空區上覆巖層穩定性評價不僅要根據上覆巖層物理力學性質、采空區形態、形成機理來確定分析評價方法，而且要合理準確的評價方法中各種力學參數及安全系數，考慮影響力學模型的關鍵因素，以獲得合理實際的分析和評價結果。例如考慮外部載荷時，空場長寬比法和結構力學梁理論估算法對外部荷載比較敏感，分析評價時可側重參考其計算的結果。