大型緩傾煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

唐鶴鳴

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題一直是一個(gè)非常重要的工程問(wèn)題。煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究已很多，也取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。以《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[1-2]為代表的現(xiàn)行規(guī)范，推薦采用開采條件判別法、地表移動(dòng)變形判別法等方法對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；《工程地質(zhì)手冊(cè)》[3]建議借助安全距離、臨界深度來(lái)判定場(chǎng)地穩(wěn)定性；《采空區(qū)工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》[4]則是從采深采厚比、地表傾斜及變形程度等因素定性判別采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)；辛亞軍等[5]從不同煤柱尺寸的留設(shè)與巷道圍巖裂隙、巖層移動(dòng)特征入手，分析巷道圍巖應(yīng)力、支架應(yīng)力的分布規(guī)律，確定巷道圍巖初始擾動(dòng)與臨界失穩(wěn)的煤柱尺寸；曾冠華[6]基于數(shù)值模擬，得到了自重應(yīng)力作用下煤層頂板、地表及安全煤柱的應(yīng)力應(yīng)變和塑性區(qū)變化規(guī)律；王玉濤等[7]從采空區(qū)頂板、煤柱、底板、地表殘余變形等方面對(duì)小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了討論，提出了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)判據(jù)。

實(shí)際工程中，影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素很多，采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題是一個(gè)由多種因素共同作用的復(fù)雜問(wèn)題，采空區(qū)穩(wěn)定性受到地質(zhì)、采礦條件的綜合影響，各因素具有動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性、模糊性、不確定性和隨機(jī)性等特征[8]。綜合看來(lái)，對(duì)于采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，規(guī)范及文獻(xiàn)多是對(duì)其中一個(gè)或個(gè)別因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過(guò)程缺乏全面性和系統(tǒng)性，且前人對(duì)于大型緩傾及煤層多層開采工況下采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究較少。因此，本文結(jié)合中陽(yáng)縣過(guò)境公路改線工程地質(zhì)勘察研究結(jié)果，針對(duì)該類采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行綜合分析，通過(guò)數(shù)值模擬與層次分析法等方法，找出影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素，并以此為依據(jù)探尋一種采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的新思路、新方法。

1 工程概況

國(guó)道209中陽(yáng)縣過(guò)境公路改線工程位于山西省呂梁市中陽(yáng)縣境內(nèi)，改線路線全長(zhǎng)為27.9 km。區(qū)域內(nèi)主要不良地質(zhì)為煤層采空區(qū)。擬建路線經(jīng)過(guò)多處采空區(qū)，采空區(qū)埋深為80～350 m，煤層厚度0.6～6.4 m不等，項(xiàng)目共涉及5個(gè)大型煤礦礦區(qū)。根據(jù)前期工程地質(zhì)調(diào)繪，區(qū)域內(nèi)多處采空區(qū)地表變形嚴(yán)重。為了更好地掌握采空區(qū)對(duì)本工程的影響，陜西鐵道工程勘察有限公司對(duì)煤層采空區(qū)的影響因素及穩(wěn)定性分析開展了專題研究，并按照規(guī)范要求，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了長(zhǎng)期地表沉降及水平位移觀測(cè)。

2 FLAC 3D數(shù)值模擬

2.1 研究思路與模型建立

影響采空區(qū)穩(wěn)定的因素很多，包括地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素（采礦因素）。地質(zhì)因素包括采空區(qū)的煤層埋藏條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、覆巖物理力學(xué)性質(zhì)和水文地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力等；非地質(zhì)因素包括采空區(qū)的厚度、采煤方法和頂板管理方法、重復(fù)采動(dòng)、回采率、充水情況及開采時(shí)間等。不同的條件下，各因素的重要性不盡相同，分析的首要任務(wù)是找出影響穩(wěn)定性的主要因素。

本次研究首先參考了相關(guān)文獻(xiàn)成果[9-14]，初步確定出該類采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素，并采用FLAC 3D有限差分軟件對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。由于影響因素眾多，若把所有因素考慮在內(nèi)，將使模擬過(guò)程變得極其繁瑣，因此，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次數(shù)值模擬主要討論開采厚度、深度、多層開采情況及巖層強(qiáng)度參數(shù)對(duì)采空區(qū)地表變形的影響，模擬結(jié)果可為最終確定影響因素權(quán)重提供參考依據(jù)。數(shù)值模擬選取的模型尺寸為450 m×300 m×400 m，開采厚度分別為1 m、3 m和6 m，開采深度分別為150 m、200 m和300 m，多層開采（沿深度方向分3層，開采尺寸為150 m×200 m），煤層緩傾（傾角為10°），并考慮巖層抗剪強(qiáng)度變化。具體模型如圖1，各種因素組合工況包括45種，見表1。

圖1 采空區(qū)數(shù)值模擬分組模型

表1 煤層開采工況分類表

2.2 模型邊界條件與計(jì)算參數(shù)

（1）邊界條件[15]：模型底部邊界定為固定約束，取u=0，v=0，w=0（u、v、w分別為x、y、z方向位移）；模型左右邊界定為單向約束，取u=0，v≠0，w≠0；模型前后邊界定為單向約束，取u≠0，v=0，w≠0；模型上部邊界定為自由邊界。

（2）計(jì)算參數(shù)：參考研究區(qū)域的巖層與煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，選取摩爾庫(kù)倫模型[16-17]作為本次模型計(jì)算的本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表2。

表2 巖土層力學(xué)參數(shù)表

2.3 地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在采空區(qū)地表位置，沿x方向，每間隔20 m 設(shè)置一個(gè)模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置簡(jiǎn)圖（單位：m）

2.4 模擬過(guò)程及結(jié)果

通過(guò)本次建模及分析，得到了不同煤層埋藏深度（150 m、200 m 和300 m）、不同煤層開挖厚度（1 m、3 m和6 m）條件下的地表變形規(guī)律，具體數(shù)值模擬結(jié)果見圖3—圖5。

圖3表明：開采深度相同、開采厚度不同時(shí)，相同位置處地表變形相差較小。最大豎向位移發(fā)生在采空區(qū)中部，向四周逐漸變小，通過(guò)豎向位移變化曲線可以確定采空區(qū)的影響范圍；地表水平位移呈現(xiàn)四周向采空區(qū)中部變形的規(guī)律。開采厚度對(duì)地表變形影響較小，而開采深度影響較大。隨開挖深度的增加，邊界處的豎向位移增大，采空區(qū)中部位移反而減小，影響范圍增大；地表水平位移逐漸減小，呈現(xiàn)兩側(cè)向中部變形的趨勢(shì)。

圖3 不同開采深度不同采厚情況下地表豎向位移、水平位移對(duì)比曲線

圖4表明：隨著開采層數(shù)的增加，地表變形明顯增大。開采層數(shù)相同時(shí)，隨著開采層間距的增加地表豎向位移增大，但水平位移變化不大。

為模擬上覆巖層抗剪強(qiáng)度變化對(duì)地表變形的影響，設(shè)定采空區(qū)上部為中等風(fēng)化砂巖夾泥巖，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下：密度2500 kg/m3、內(nèi)摩擦角30°、抗拉強(qiáng)度1.5 MPa、彈性模量2500 MPa、泊松比0.27 MPa。巖層抗剪強(qiáng)度變化通過(guò)改變其黏聚力值來(lái)實(shí)現(xiàn)，編號(hào)1—3號(hào)（圖中“巖1—巖3”）的巖層的黏聚力值分別設(shè)定為2000 kPa、1900 kPa和1800 kPa。數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

圖4 多層開采情況下地表豎向位移、水平位移對(duì)比曲線

圖5 黏聚力不同、開采厚度不同情況下地表豎向位移、水平位移對(duì)比曲線

圖5表明：隨著采空區(qū)上覆巖層黏聚力值的減小，地表變形增大趨勢(shì)明顯，上覆巖層的抗剪強(qiáng)度值對(duì)地表變形影響較大。

綜上，采空區(qū)埋藏深度、煤層開采層數(shù)及上覆巖層抗剪強(qiáng)度值對(duì)該類采空區(qū)地表變形影響較大，開采厚度（一定值范圍內(nèi)）影響相對(duì)較小。

3 確定采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素權(quán)重

為了更加全面、系統(tǒng)地分析各影響因素對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響大小，定量確定其影響程度權(quán)重，可以通過(guò)層次分析法（AHP）[18-19]進(jìn)一步來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先把影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素按層次分析法進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)層次結(jié)構(gòu)，見圖6。

圖6 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合已有采空區(qū)穩(wěn)定性分析經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)成果，通過(guò)兩兩比較的方式初步確定層次分析法中各影響因素的重要性并對(duì)其賦初始值、構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)某些主要的影響因素，可通過(guò)前文數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，驗(yàn)證判斷矩陣賦值的合理性，必要時(shí)對(duì)其賦值進(jìn)一步修正，并最終構(gòu)造出采空區(qū)影響因素判斷矩陣U、U1、U2，對(duì)矩陣進(jìn)行計(jì)算得出各影響因素的權(quán)重值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素影響程度權(quán)重表

由影響程度權(quán)重表可知，影響大型緩傾煤層深埋采空區(qū)穩(wěn)定性的前三位因素分別為埋藏深度、開采層數(shù)及巖層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其所占權(quán)重分別為0.1895、0.1463 及0.1158，合計(jì)權(quán)重值達(dá)0.45。

4 綜合評(píng)分法定性評(píng)價(jià)穩(wěn)定性

為快速、全面評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性，本次研究結(jié)合多項(xiàng)采空區(qū)案例分析，通過(guò)多年經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)資料，初步確定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)規(guī)范評(píng)定法、數(shù)值模擬法、模糊數(shù)學(xué)法等方法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以確定其合理性，對(duì)于不合理的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)重新分析賦值，最終制定出采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

對(duì)照影響因子評(píng)分表并結(jié)合工程實(shí)際，確定各因子得分Di，并結(jié)合其影響權(quán)重，按如下公式計(jì)算采空區(qū)穩(wěn)定性總得分P。

計(jì)算出總得分P后，即可根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性狀態(tài)作出綜合評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：P＞80分——穩(wěn)定；60＜P＜80分——基本穩(wěn)定；P＜60分——不穩(wěn)定。

5 工程實(shí)例應(yīng)用

采用綜合評(píng)分法，對(duì)國(guó)道209中陽(yáng)縣過(guò)境公路改線工程中所涉及的5個(gè)大型煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

通過(guò)勘察期間實(shí)地調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范推薦的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法—地表移動(dòng)變形觀測(cè)法對(duì)上述各大煤礦進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)6～7 個(gè)月沉降觀測(cè)及水平位移觀測(cè)，評(píng)價(jià)得出的結(jié)論與上述綜合評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)論相符，地表移動(dòng)觀測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表4 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子評(píng)分表

表5 各煤礦穩(wěn)定性評(píng)價(jià)總得分及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果匯總表

表6 各煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果匯總表

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大型緩傾深埋及煤層多層開采工況下采空區(qū)（采空區(qū)埋深為80～350 m，煤層厚度0.6～6.4 m不等）穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題開展了研究，并將研究成果成功應(yīng)用于山西中陽(yáng)縣縣多家煤礦的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)FLAC 3D 軟件對(duì)采空區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算，確定了埋藏深度、煤層開采層數(shù)及上覆巖層抗剪強(qiáng)度值對(duì)該類采空區(qū)地表變形影響較大。

（2）通過(guò)層次分析法對(duì)采空區(qū)各因素進(jìn)行權(quán)重計(jì)算并排序，確定了影響采空區(qū)穩(wěn)定性各因素的影響權(quán)重的大小。

（3）制定了該類采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)評(píng)分表，結(jié)合層次分析法得到的影響因素權(quán)重排序結(jié)果對(duì)山西中陽(yáng)縣多家煤礦的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際地表移動(dòng)變形觀測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

本文提出的用定量的計(jì)算方法進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，能夠較全面、系統(tǒng)地反應(yīng)各影響因素對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度的大小，避免片面、單一地選用其中一兩個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真，這對(duì)類似采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要借鑒參考意義。鑒于采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的復(fù)雜性，且實(shí)踐案例不多，仍需要后續(xù)通過(guò)較多案例分析優(yōu)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。