煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析與研究

安文偉

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦 ，山西 古交030200）

0 引 言

煤炭作為我國現(xiàn)階段主要的能源資源，對國民經(jīng)濟的發(fā)展、經(jīng)濟的高效快速增長具有重要的影響。現(xiàn)有的研究資料表明，我國煤炭資源儲存量豐富，在石化能源中占比高達94%[1]。雖然近年來其它新能源利用比率不斷提升，但在目前及今后一段時間內(nèi)，煤炭仍將對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著極其重要作用[2-4]。在煤炭開采完成后，會出現(xiàn)許多空腔和空洞，形成規(guī)模不一的采空區(qū)。采空區(qū)的形成不僅對煤礦安全開采造成極大危險，也會對地面的建筑物、工程等造成潛在危害。因此，對煤礦采空區(qū)的準確探測，了解和掌握采空區(qū)及周邊的地質(zhì)構(gòu)造、巖層特征，確定采空區(qū)的深度大小、狀態(tài)等基本信息顯得尤為重要。

1 煤礦采空區(qū)的地質(zhì)特征

煤礦采空區(qū)會對原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，采空區(qū)地基原有的應(yīng)力平衡被打破，由此引發(fā)采空區(qū)塌陷和持力層破壞等地質(zhì)問題。煤炭采空區(qū)的類型可分為空洞型和塌陷型兩類[5]，空洞型主要是由采煤過程中各種巷道的掘進形成的；塌陷型采空區(qū)主要是由于大面積的采煤引發(fā)的煤層及上覆巖層塌陷造成的，主要由三部分組成：沉降帶、裂隙帶、冒落帶。

圖1 采空區(qū)三帶結(jié)構(gòu)圖

冒落帶上層通常為脆性巖，當(dāng)下部煤礦開采完成后，脆性巖層發(fā)生塌落，回填到采空區(qū)域，形成冒落帶；裂隙帶位于冒落帶上部，巖層主要在脆性與塑性之間，當(dāng)冒落帶發(fā)生崩落后，裂隙帶發(fā)生不完全塌落，主要是由于其橫向應(yīng)力大于豎向應(yīng)力，巖層發(fā)生大量變形，形成裂隙；沉降帶位于最上層，主要以塑性巖層為主，受下部巖層變化，沉降帶也發(fā)生了下沉，但沒有塌落，巖層性質(zhì)沒有發(fā)生根本變化，其變形特點為下部變形大，范圍?。簧喜孔冃涡?，范圍大。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價

2.1 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素

影響采空區(qū)穩(wěn)定性四大因素為[6-7]：地質(zhì)因素、水文因素、環(huán)境因素和工程因素，造成采空區(qū)塌落的原因是上述因素的隨機共同作用結(jié)果。其中地質(zhì)因素主要包括巖體結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)以及巖石的RQD質(zhì)量指標；水文因素主要對巖體產(chǎn)生力學(xué)作用和物理作用，它與巖體相互作用，在改變地下水自身物理、力學(xué)性質(zhì)的同時改變了巖體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)；環(huán)境因素主要包括相鄰采空區(qū)以及上覆松散堆積層的影響等；工程因素主要考慮采空區(qū)的埋藏深度和采空區(qū)面積的影響，一般情況下，采空區(qū)埋藏深度越深，頂板暴露面積越大，穩(wěn)定就越差。

2.2 采空區(qū)頂板厚度的計算

采空區(qū)頂板承受著采空區(qū)上部所有載荷，因此采空區(qū)頂板穩(wěn)定性對采空區(qū)穩(wěn)定性具有重要作用。本文通過不同方法對采空區(qū)安全厚度的合理值進行分析。分析過程中頂板巖層密度取2.36g/cm3，單軸抗壓和抗拉強度分別為6.1MPa和0.34MPa,內(nèi)摩擦角為36.5°，凝聚力為 0.6MPa,外部載荷q=0，安全系數(shù)K=1.5。

1）厚跨比法。

厚跨比法認為當(dāng)采空區(qū)頂板厚度與頂板跨度的比值大于0.5時，即認為采空區(qū)頂板是安全的，得出計算公式如下：

式中：K為安全系數(shù)；W為采空區(qū)頂板的跨度，單位m；H為采空區(qū)頂板安全厚度，單位m。

2）載荷傳遞線交匯法。將頂板上方載荷簡化為一條與豎直方向呈30°-35°的傳遞線，通過與頂板與洞壁交點進行對比，若傳遞線在交點外側(cè)，則認為洞壁可以承受頂板上外載荷及巖石自重，頂板是安全的。頂板安全厚度計算公式為：

式中：θ為擴散角，去θ=32°；b為采空區(qū)跨度，單位為m；H為采空區(qū)頂板安全厚度，單位m。

3）普氏拱理論法。

此計算方法的前提是采空區(qū)在發(fā)生破壞前處于自然平衡狀態(tài)，上部巖體及外載荷全部由拱承擔(dān)，即采空區(qū)要形成自然壓力拱。為了形成自然壓力拱，采空區(qū)上方必須要有足夠厚度的穩(wěn)定巖層，本次計算中取穩(wěn)定巖層厚度等于壓力拱拱高厚度：

式中：Hy為壓力拱拱高，單位為m；Φ為內(nèi)摩擦角，取φ=36.5°；h為采空區(qū)最大高度，取h=15m；b為采空區(qū)跨度一半，單位為m；f為頂板巖層強度系數(shù)為單軸抗拉強度，單位為MPa）。

4）K.B.佩魯涅伊特法。

在綜合考慮巖體強度、地質(zhì)特征、采空區(qū)跨度、作業(yè)設(shè)備等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)疊加原理和獨立作用原則，根據(jù)頂板最大拉應(yīng)力計算得安全厚度，其計算公式如下：

其中：H為采空區(qū)頂板安全厚度，單位m；K為安全系數(shù)；γ為頂板巖層容重，單位為kN/m3；采空區(qū)跨度，單位為m；σB為頂板強度極限；g為設(shè)備對頂板壓力，取g=0，單位為MPa;

5）結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論法。

將采空區(qū)頂板兩端視為固定端，上部受巖層自重及外載荷作用，頂板按照受彎梁進行考慮，巖層抗拉強度作為控制指標，安全厚度的計算公式如下：

其中：H為采空區(qū)頂板安全厚度，單位m；γ為頂板巖層容重，單位為kN/m3；b為采空區(qū)跨度，單位為m；g為設(shè)備對頂板壓力，取g=0，單位為MPa；ln為采空區(qū)寬度，單位為m；σt為單軸極限抗拉應(yīng)力，單位為kPa；

2.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

圖2 空區(qū)跨度與頂板安全厚度之間關(guān)系圖

根據(jù)上述不同方法計算得不同采空區(qū)跨度對應(yīng)采空區(qū)頂板安全高度如圖2所示。

從圖2可以看出，五種計算方法計算結(jié)果較為一致，其中厚跨比法和載荷傳遞交匯法具有明顯的線性性質(zhì)；結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論法和K.B.佩魯涅特法考慮因素較多，兩者的曲線變化趨勢較為接近。

3 采空區(qū)數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，參照已有資料，選取地層物理參數(shù)主要值見表1。

表1 模擬地層主要物理參數(shù)表

本文通過采用三維離散單元法軟件FLAC3D建立采空區(qū)模型，在綜合考慮模型邊界效應(yīng)的影響以及工作面各圍巖特性的基礎(chǔ)上，設(shè)置模型大小為長150m×寬10m×厚160m，取重力加速度g=9.81m/s2，該場地松散堆積物厚度約為70m，巖層厚度30m，煤層厚約26m；模型底邊界定位全約束邊界，上邊界定位自由邊界，地基自重應(yīng)力為模型的初始應(yīng)力，圖3所示為數(shù)值計算模型圖。

圖3 數(shù)值模擬計算模型圖

圖4 、圖5所示為采空區(qū)開挖后水平位移和垂直位移云圖，從圖可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)在煤層開采完成后，采空區(qū)周邊發(fā)生了明顯變形，主要產(chǎn)生在采空區(qū)上部兩側(cè)及采空區(qū)兩端，采空區(qū)水平位移量最大值發(fā)生在其上部，位移量為2.82cm；在頂板發(fā)生沉降后，其豎向最大位移量達36.8cm。

圖6、圖7所示為采空區(qū)開挖后最大最小主應(yīng)力圖，從圖可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)底板由于在煤層開挖后出現(xiàn)上隆，而頂板在外載荷作用下下沉，使得主應(yīng)力最大處發(fā)生在采空區(qū)角點處，應(yīng)力集中較為明顯，并且以壓應(yīng)力為主，最小值為-6.71×106Pa，最大主應(yīng)力為-1.42×106Pa。

圖4 采空區(qū)開挖水平位移云圖

圖5 采空區(qū)開挖垂直位移云圖

圖6 采空區(qū)開挖最大主應(yīng)力圖

圖7 采空區(qū)開挖最小主應(yīng)力圖

4 結(jié) 語

本文通過對采空區(qū)形成機理進行研究，并用不同方法對采空區(qū)頂板安全厚度進行了分析計算，其中厚跨比法和載荷傳遞交匯法具有明顯的線性性質(zhì)；結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論法和K.B.佩魯涅特法因考慮因素較多，兩者的曲線變化趨勢較為接近，分析對比后提出了不同跨度對應(yīng)的頂板厚度值。在應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬分析后發(fā)現(xiàn)，煤層采空區(qū)角點處應(yīng)力集中較為明顯，并且以壓應(yīng)力為主，通過仿真結(jié)果得出頂板最大位移量，從而為采空區(qū)穩(wěn)定性的研究提供依據(jù)。