房柱式采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)研究

劉義新

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

房柱式采煤法無(wú)論是作為一種常規(guī)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(kāi)采方法之一，在國(guó)內(nèi)外均得到廣泛應(yīng)用［1－5］，尤其是在開(kāi)采邊角煤、不規(guī)則塊段、“三下”壓煤等條件下取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。房柱式采煤法在采空區(qū)內(nèi)遺留有大量支撐煤柱，這些煤柱對(duì)采場(chǎng)上覆巖層直至地表的運(yùn)動(dòng)起到至關(guān)重要的作用，但煤柱一旦失穩(wěn)，將失去對(duì)覆巖的支撐，易導(dǎo)致采空區(qū)及地表的大面積突然垮塌甚至引發(fā)礦震，非但起不到保護(hù)地面和井下受護(hù)對(duì)象的作用，而且還損失了寶貴的煤炭資源，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)重大隱患，困擾著企業(yè)和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)房柱式采空區(qū)遺留煤柱的穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)是非常必要的。

目前房柱式采空區(qū)內(nèi)煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬法及剛度理論法等［3－8］，采用單一的評(píng)價(jià)方法較難滿足實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)采用多種方法相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法。本文采用初評(píng)定性與后評(píng)定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法對(duì)房柱式采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用。評(píng)價(jià)結(jié)果可為采空區(qū)的有效治理，房柱式采空區(qū)上能否新建建(構(gòu))筑物等提供理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

煤柱穩(wěn)定性取決于地質(zhì)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(zhì)構(gòu)造、煤柱及頂?shù)装灞旧淼膶傩缘?另一類為可通過(guò)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(kāi)采實(shí)踐表明，采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性主要與煤柱的寬高比和煤柱面積比率有關(guān)。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可優(yōu)先采用煤柱的寬高比和煤柱面積比率這2個(gè)定性指標(biāo)來(lái)初步評(píng)價(jià)煤柱的穩(wěn)定性。

1.1 煤柱寬高比

煤柱的寬高比對(duì)煤柱的穩(wěn)定性有重要影響。大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究表明，在其他條件相同時(shí)，煤柱的穩(wěn)定性隨寬高比的增加而增加。對(duì)瘦高煤柱而言(寬高比＜3～4)，煤柱極不穩(wěn)定，極易發(fā)生頂板大面積的突然冒落，并伴隨強(qiáng)烈的沖擊，若采深較小，則地表也會(huì)發(fā)生突然塌陷。當(dāng)煤柱寬高比超過(guò)10 時(shí)，煤柱很難破壞，煤柱會(huì)長(zhǎng)期穩(wěn)定。從我國(guó)煤礦采用的條帶開(kāi)采的成功實(shí)例來(lái)看:垮落條帶開(kāi)采時(shí)煤柱寬高比最小應(yīng)為3.2～3.6，通常應(yīng)大于5;充填條帶開(kāi)采時(shí)煤柱寬高比應(yīng)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(yīng)開(kāi)采面積的比率，是衡量煤柱穩(wěn)定性的重要標(biāo)志。煤柱面積比率越大，煤柱的有效承載面積越大，煤柱穩(wěn)定性越高，煤柱就不會(huì)被壓垮，采空區(qū)就越穩(wěn)定;反之，采空區(qū)穩(wěn)定性就越差。已有的條帶開(kāi)采實(shí)踐表明，當(dāng)煤柱面積比率在30%以上時(shí)，地表緩慢下沉且下沉較小，說(shuō)明遺留煤柱發(fā)揮著長(zhǎng)期有效的支撐作用，即煤柱的穩(wěn)定性好。通過(guò)分析大同礦區(qū)有關(guān)資料［11－12］，歸納出煤柱穩(wěn)定性與煤柱面積比率及覆巖破壞、地表沉陷情況關(guān)系的參考條件:

(1)在開(kāi)采厚煤層時(shí)，采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱面積比率為30%～35%以上;薄及中厚煤層時(shí)，當(dāng)煤柱面積比率為25%～30%以上時(shí)，采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱的穩(wěn)定性好，因而頂板和地表也是安全穩(wěn)定的，甚至在開(kāi)采3～4 個(gè)煤層以后，頂板未出現(xiàn)大面積冒落，地表未出現(xiàn)突然塌陷。

(2)當(dāng)煤柱面積比率為20%～25%時(shí)，遺留煤柱的穩(wěn)定性一般，地表一般只發(fā)生小裂縫。

(3)當(dāng)煤柱面積比率小于20%時(shí)，遺留煤柱的穩(wěn)定性較差，地表易發(fā)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(gè)指標(biāo)來(lái)初評(píng)煤柱穩(wěn)定性時(shí)，煤柱的寬高比優(yōu)先于煤柱面積比率，因?yàn)槊褐氖Х€(wěn)往往是從某一個(gè)煤柱開(kāi)始。一個(gè)煤柱的破壞誘發(fā)相鄰煤柱相繼破壞，接著迅速擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域煤柱，造成多米諾骨牌效應(yīng)，且整個(gè)煤柱失穩(wěn)過(guò)程具有突然性和迅速性。大同礦務(wù)局發(fā)生的頂板大面積突然垮落表明:有的采空區(qū)留設(shè)的煤柱面積比率并不小，但由于某個(gè)煤柱寬高比小，穩(wěn)定性很差，造成了地表突然塌陷?？梢?jiàn)，煤柱穩(wěn)定性定性初評(píng)指標(biāo)中煤柱的寬高比應(yīng)為前提條件。

2 采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)法

煤柱穩(wěn)定性經(jīng)初評(píng)后，若煤柱的寬高比和煤柱面積比率這兩個(gè)指標(biāo)均達(dá)到要求后，仍需做進(jìn)一步的定量評(píng)價(jià)，主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式極限強(qiáng)度理論和逐步破壞理論相結(jié)合進(jìn)行評(píng)價(jià)［13］。

2.1 極限強(qiáng)度理論

極限強(qiáng)度理論認(rèn)為煤柱穩(wěn)定性主要取決于煤柱應(yīng)力和煤柱強(qiáng)度。當(dāng)煤柱應(yīng)力超過(guò)煤柱強(qiáng)度時(shí)，煤柱將失穩(wěn)破壞，通常用安全系數(shù)來(lái)定量評(píng)定，煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)(F)=煤柱強(qiáng)度(σp)/煤柱應(yīng)力(Sp)，安全系數(shù)一般應(yīng)在1.5～2.0 之間。

2.1.1 煤柱應(yīng)力

由于煤柱內(nèi)應(yīng)力分布異常復(fù)雜，工程應(yīng)用中常采用簡(jiǎn)單易行、應(yīng)用廣泛的輔助面積法進(jìn)行計(jì)算。該法的實(shí)質(zhì)是:僅考慮圍巖的自重應(yīng)力場(chǎng)，并認(rèn)為采空區(qū)上方的覆巖重量全部轉(zhuǎn)移到遺留煤柱上。煤柱應(yīng)力計(jì)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(zhǎng)度，m。

2.1.2 煤柱強(qiáng)度

關(guān)于煤柱強(qiáng)度的確定，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，提出了10 余種煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式［5］，目前應(yīng)用廣泛的是Bieniawski 公式，其計(jì)算公式如下:

式中，σ1為立方體煤柱的原位強(qiáng)度，MPa;h 為煤柱高度，m。

式(2)中σ1的計(jì)算公式為:

式中，σc為試驗(yàn)室圓柱體試樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;D 為試驗(yàn)室圓柱體試樣的直徑，m。在使用時(shí)當(dāng)煤柱高度h 大于0.9m 時(shí)取0.9m。

2.2 逐步破壞理論

逐步破壞理論認(rèn)為煤柱的破壞是從煤柱邊緣向內(nèi)部逐漸發(fā)展的，即在一定地質(zhì)采礦條件下，煤柱必須具備相應(yīng)的最小寬度，煤柱寬度留設(shè)不夠，煤柱極易被壓垮失穩(wěn)導(dǎo)致頂板大面積垮落和地表突然塌陷。因此，為保持留設(shè)煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定，留設(shè)煤柱寬度應(yīng)包括塑性區(qū)和核區(qū)兩部分，且煤柱應(yīng)有一個(gè)穩(wěn)定的核區(qū)存在，則煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度應(yīng)滿足:W＞2×0.00492hH+(1～2)m。

3 實(shí)例評(píng)價(jià)

陜西省榆林市作為第二大煤炭資源城市，經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)采，地下已經(jīng)形成了量大面廣、時(shí)間跨度長(zhǎng)的采空區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這些采空區(qū)大部分為地方煤礦和私營(yíng)煤礦開(kāi)采所致，采煤方法多為房柱式放炮采煤法，采深淺，采高大，開(kāi)采尺寸大，留設(shè)煤柱小，且留設(shè)煤柱形狀不規(guī)整，上覆巖層多為堅(jiān)硬砂巖，地表賦存有厚黃土和風(fēng)積沙。采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤柱，少部分已失穩(wěn)垮塌，大部分尚未失穩(wěn)。采空區(qū)內(nèi)煤柱失穩(wěn)已導(dǎo)致礦震頻發(fā)、地表塌陷、地下水位下降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問(wèn)題。

為此，采用前文介紹的房柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)榆林市某地區(qū)部分煤礦采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，采空區(qū)遺留煤柱基本情況及其評(píng)價(jià)結(jié)果分別列于表1 和表2。

表1 房柱式采空區(qū)遺留煤柱基本情況

表2 采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)結(jié)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(shù)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(jù)前述的初評(píng)定性和后評(píng)定量的綜合評(píng)價(jià)法，最終確定各礦采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性差?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，這些遺留煤柱穩(wěn)定性差的礦井均發(fā)生過(guò)不同程度的地表塌陷、裂縫及礦震等現(xiàn)象，可見(jiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)基本吻合。

4 結(jié)論與建議

(1)房柱式采空區(qū)內(nèi)遺留的大量煤柱可從煤柱寬高比、煤柱面積比率、煤柱強(qiáng)度與載荷計(jì)算、煤柱保持穩(wěn)定最小寬度等方面，采用初評(píng)定性與后評(píng)定量相結(jié)合的方法來(lái)評(píng)價(jià)。實(shí)例應(yīng)用表明，該法簡(jiǎn)單易用，且評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)情況基本吻合。

(2)采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤柱對(duì)煤礦安全生產(chǎn)存在重大隱患。建議根據(jù)采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，尤其是綜合評(píng)價(jià)結(jié)果差的，盡快對(duì)采空區(qū)采取相應(yīng)的治理措施，比如注漿等。

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