露天煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價

洪兵兵

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

露天煤礦因其安全、高效、作業(yè)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(nèi)都曾進(jìn)行過時間或長或短的井工開采，遺留了大量的采空區(qū)，且未進(jìn)行過任何處理。這些采空區(qū)的形狀一般都不規(guī)則，大小各不相同、位置復(fù)合交錯，分布無規(guī)律性，對露天煤礦的作業(yè)人員及開采設(shè)備的安全存在極大的隱患，對露天礦的正常生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

采空區(qū)災(zāi)害成為我國露天煤礦分布較廣泛、危害極大的一類典型災(zāi)害。因此，開展露天礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價工作顯得尤為重要和迫切。

1 采空區(qū)安全的影響因素

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

采礦工程實踐表明，影響采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性的因素主要有：

(1) 地質(zhì)因素及巖體力學(xué)性質(zhì)，包括地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況(褶皺、斷裂等)、巖石質(zhì)量、巖層構(gòu)造類型、巖層的物理力學(xué)性質(zhì)；

(2) 采空區(qū)參數(shù)，包括采空區(qū)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(qū)上覆巖層所承受的載荷(爆破、采礦設(shè)備運行等)、采煤方法及水文條件等。

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

2 采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價辦法

2.1 采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價流程

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

經(jīng)第一階段安全分析評價后，可篩選出需進(jìn)行第二階段安全分析與評價的采空區(qū)。第二階段評價包括安全系數(shù)評價和安全厚度評價。

采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性分析思路見圖1。

2.2 某露天礦采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性分析與評價

某露天礦采空區(qū)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(qū)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(qū)上覆巖層穩(wěn)定性分析與評價

圖1采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價及處理流程

圖2 采空區(qū)空間效果

2.2.2 第二階段采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價

假定在該采空區(qū)上覆巖層范圍內(nèi)作業(yè)的設(shè)備有35 m3電鏟和300 t級自卸卡車(滿載)，其相應(yīng)參數(shù)見表1。

表1 采空區(qū)上覆巖層范圍內(nèi)同時作業(yè)設(shè)備參數(shù)

即：

(1)

式中，Q為荷載，kN；k為設(shè)備剛度，N/s；m為設(shè)備質(zhì)量，kg。

(1) 安全系數(shù)評價。由受力平衡條件，采空區(qū)頂板上部所承受的壓力：

P0=G+Q-F

(2)

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

計算采空區(qū)上部巖體重力G：

(3)

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

計算采空區(qū)上部巖體側(cè)壁的摩阻力F：采空區(qū)上部巖體第i層巖體側(cè)壁的摩阻力：

(4)

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

因K1=0.91<1，K2=0.82<1，故兩種情況下采空區(qū)上覆巖層均不穩(wěn)定，尤其是當(dāng)有設(shè)備作業(yè)時，更易發(fā)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(qū)上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)均取各巖體相應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)值的加權(quán)平均值(以厚度加權(quán))：

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

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

根據(jù)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(qū)不能采用此方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

根據(jù)公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單一巷道式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級評價標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定系數(shù)即為安全最小厚度H0與實際采空區(qū)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(wěn)定系數(shù)分別為0.68和0.72。

安全厚度評價辦法的標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)h

對照分析，分別采用安全系數(shù)評價辦法和安全厚度評價辦法計算，此采空區(qū)均表現(xiàn)為不穩(wěn)定。

以上兩個階段計算分析結(jié)果可以作為及時治理并避免采空區(qū)災(zāi)害的依據(jù)。

3 分析與評價總結(jié)

當(dāng)采空區(qū)上部巖體強度較差、節(jié)理發(fā)育，處于較破碎、破碎狀態(tài)時，受地壓、巖石風(fēng)化及爆破震動等的影響，采空區(qū)內(nèi)煤柱變形破壞嚴(yán)重，上覆巖層節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，穩(wěn)固性逐漸下降，導(dǎo)致采空區(qū)空腔體逐漸向上塌落，變回逐漸形成倒置漏斗形的采空區(qū)，其特點是：腔體標(biāo)高分布在煤層頂板上部某個位置，腔體跨度變化大，準(zhǔn)確位置和高度沒有規(guī)律可循。此類采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價可側(cè)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(qū)頂板不易垮落、仍然保持原有形態(tài)，通過一個掃描鉆孔即可確定空腔體的形態(tài)參數(shù)，將這類采空區(qū)定義為簡單型。其特點是采空區(qū)空腔頂板比較平整。此類采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價可側(cè)重采用荷載傳遞交匯法、厚跨比法、空場長寬比法及結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計算法。

當(dāng)采空區(qū)空腔跨度較大，受巖石風(fēng)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(qū)，需采用多孔聯(lián)測、數(shù)據(jù)對接才能實現(xiàn)完整掃描，將這類采空區(qū)定義為復(fù)雜型。其特點是分布范圍較廣、腔體深度不統(tǒng)一。此類采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價可側(cè)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(qū)上覆巖層穩(wěn)定性評價不僅要根據(jù)上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)、采空區(qū)形態(tài)、形成機理來確定分析評價方法，而且要合理準(zhǔn)確的評價方法中各種力學(xué)參數(shù)及安全系數(shù)，考慮影響力學(xué)模型的關(guān)鍵因素，以獲得合理實際的分析和評價結(jié)果。例如考慮外部載荷時，空場長寬比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論估算法對外部荷載比較敏感，分析評價時可側(cè)重參考其計算的結(jié)果。