露天煤礦巷柱式地下采空區(qū)安全頂板厚度估算方法研究

王志鵬

(應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029)

目前，國內(nèi)的山西平朔東露天礦、安家?guī)X露天礦和平莊元寶山露天礦都是受到采空影響較大的露天煤礦，雖然這些采空區(qū)形態(tài)、大小等條件各有差異，但仍然存在著一些共同點(diǎn)：①露天礦境界內(nèi)發(fā)現(xiàn)的采空區(qū)大部分為巷柱式采空區(qū)。由于早期開采條件有限，發(fā)現(xiàn)的大部分為巷柱式采空區(qū)，大小形態(tài)各不相同，層位較為復(fù)雜，空腔跨度較小且受隔離煤柱支承，上覆巖體多數(shù)尚沒有塌落；②采空區(qū)的位置相關(guān)信息缺失。由于形成時(shí)間較早，或因越界盜采所致，大部分設(shè)計(jì)與開采資料不全或丟失，無法準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的位置或邊界。在這類采空區(qū)上部進(jìn)行露天剝采作業(yè)，極有可能導(dǎo)致上覆巖體突然垮塌，作業(yè)設(shè)備傾覆或陷落于塌陷區(qū)，從而引發(fā)人身傷亡或財(cái)產(chǎn)損失等事故。

對于開采境界范圍內(nèi)存在采空區(qū)的露天礦，首先需要研究計(jì)算出保證設(shè)備和人員安全作業(yè)所需的極限安全頂板厚度，在采剝作業(yè)延深到安全厚度之前探明采空區(qū)的空間分布參數(shù)，在到達(dá)極限厚度時(shí)采用爆破崩落等方法對采空區(qū)進(jìn)行治理，從而保證現(xiàn)場人員與設(shè)備能夠安全生產(chǎn)[3-8]。因此，深入研究露天煤礦巷柱式地下采空區(qū)的變形失穩(wěn)機(jī)理，全面考慮影響露天煤礦地下采空區(qū)頂板穩(wěn)定的主要因素，提出有針對性的采空區(qū)安全頂板厚度確定方法，對于優(yōu)化采空區(qū)治理時(shí)間、避免采空區(qū)塌陷事故的發(fā)生、確保露天煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)條件與采礦條件

元寶山露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市，核定生產(chǎn)能力8Mt/a，5號煤和6號煤為該露天煤礦主采煤層，且周邊共分布有3處井工礦。元寶山露天煤礦工作幫地層自下而上主要為白堊系下統(tǒng)九佛堂組、白堊系下統(tǒng)阜新組含煤地層、白堊系下統(tǒng)孫家灣組、第三系上新統(tǒng)地層和第四系地層。白堊系阜新組含煤地層傾角平均為8°，厚度為250～470m，傾向東北，以泥巖、碳質(zhì)泥巖、砂巖、煤為主，砂巖多為砂泥質(zhì)膠結(jié)、遇水易崩解，巖體堅(jiān)硬程度為較軟巖或軟巖，完整程度為較破碎或破碎。根據(jù)調(diào)查與探測結(jié)果表明，在該露天礦境界內(nèi)6號煤層位置存在約1.49km2的地下采空區(qū)，這些采空區(qū)形成方式多樣，其中巷柱式采空區(qū)面積約為0.2km2，平面分布呈“梳子”狀，埋深約為80～120m，形成時(shí)采空區(qū)高度約為6-10m，最大跨度約為10m，目前這些采空區(qū)尚未完全垮落。元寶山露天煤礦采用連續(xù)與半連續(xù)相結(jié)合的綜合開采工藝，露天煤礦表土剝離采用輪斗挖掘機(jī)進(jìn)行剝采作業(yè)。輪斗挖掘機(jī)體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量約為2475t，高度約為30m，正常工作時(shí)的最大允許傾斜角度約為3°，若在作業(yè)過程中遇到采空區(qū)塌陷，將會導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢，產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)影響。其次，隨著剝采水平的不斷延深，采空區(qū)上覆巖體厚度逐漸較小，隨時(shí)可能導(dǎo)致其它采礦設(shè)備的傾覆，生產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。

2 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性主要影響因素分析

采空區(qū)上覆巖土體塌陷冒落主要原因是由于地下礦層被采空(或者由于水的作用而被侵蝕)，上覆巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，當(dāng)應(yīng)力集中超過巖土體承受力時(shí)，應(yīng)力獲得釋放，并逐步發(fā)展到地表。采空區(qū)頂板穩(wěn)定性影響因素的研究對于保證抓住主要因素，兼顧次要因素，做到科學(xué)合理、切合實(shí)際的優(yōu)化和選擇采空區(qū)安全頂板厚度計(jì)算方法具有重要的意義。實(shí)踐表明，影響露天煤礦采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性的因素主要有地質(zhì)條件及巖體力學(xué)性質(zhì)、采空區(qū)形成原因及形態(tài)參數(shù)、露天采礦活動三大類[9-11]，其中地質(zhì)條件及巖體力學(xué)性質(zhì)包括巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì)量、水文地質(zhì)條件、巖體物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造情況(褶皺、斷裂等)等；采空區(qū)成因及形態(tài)參數(shù)包括礦體傾角、采空區(qū)區(qū)域規(guī)模、采礦方法、采空區(qū)形態(tài)、空間尺寸參數(shù)等；露天采礦活動包括爆破震動、運(yùn)輸荷載以及設(shè)備對地比壓等。

結(jié)合元寶山露天煤礦實(shí)際情況，巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、采礦方法、采空區(qū)形態(tài)和規(guī)模、空間尺寸參數(shù)、爆破震動及設(shè)備對地比壓等為影響采空區(qū)頂板穩(wěn)定的主要因素，露天礦采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性影響因素如圖1所示。

圖1 露天礦采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性影響因素

3 采空區(qū)安全頂板厚度估算方法的比選與確定

3.1 常用采空區(qū)安全頂板厚度估算方法對比分析

目前，國內(nèi)外常用的巷柱式采空區(qū)安全頂板厚度估算方法主要有自行堵塞理論估算法、厚跨比法、普氏拱理論、荷載傳遞交匯線法、結(jié)構(gòu)力學(xué)板梁理論以及空場長寬比法等[12-17]。

3.1.1 自行堵塞估算法

自行堵塞估算法認(rèn)為采空區(qū)上覆巖體(頂板)在自重及外力作用下，裂隙切割呈塊狀、碎塊狀，頂板塌落后體積松脹，當(dāng)塌落向上發(fā)展到一定高度，空腔體可被碎脹物自行堵塞。由于只考慮塌落前空洞體的高度和巖體的碎脹系數(shù)，未考慮巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)以及露天采礦活動的影響，所以該方法僅適用于巷柱式采空區(qū)頂板危險(xiǎn)性和安全厚度的初步分析。

3.1.2 厚跨比法

厚跨比法根據(jù)采空區(qū)近似的水平投影跨度和頂部最薄處厚度，求出厚跨比，作為安全厚度評價(jià)依據(jù)。當(dāng)厚跨比≥0.5時(shí)，認(rèn)為采空區(qū)頂板安全。由于該方法只考慮采空區(qū)跨度和采空區(qū)頂板厚度，未考慮巖體結(jié)構(gòu)、巖性構(gòu)成、巖體力學(xué)性質(zhì)以及露天采礦活動的影響。所以，用此方法確定的安全頂板厚度與采空區(qū)的位置、幾何形狀等因素?zé)o關(guān)，不能反應(yīng)露天礦現(xiàn)場實(shí)際情況，同樣只適用于采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的初步分析。

3.1.3 荷載傳遞交匯線法

荷載傳遞交匯線法是在采空區(qū)地質(zhì)剖面上從基礎(chǔ)邊緣，按應(yīng)力擴(kuò)散角向下作應(yīng)力傳遞線，當(dāng)空洞體位于該線所確定的應(yīng)力擴(kuò)散范圍之外時(shí)，可認(rèn)為空洞體不會危及基礎(chǔ)的穩(wěn)定。假定載荷由頂板中心按與豎直線成β擴(kuò)散角向下傳遞，此傳遞線位于頂板與空洞側(cè)幫的交點(diǎn)以外時(shí)，即認(rèn)為空洞側(cè)幫直接支承頂板上的外載荷與巖石自重，頂板是安全的。由于用此方法確定的安全頂板厚度僅與應(yīng)力擴(kuò)散角向有關(guān)，不能滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的要求，只能用于采空區(qū)頂板安全厚度的初步確定。

3.1.4 普氏拱理論估算法

普氏拱理論又稱破裂拱理論，它根據(jù)普氏地壓理論，認(rèn)為在巷道或采空區(qū)形成后，其頂板將形成拋物線形的拱帶，空區(qū)上部巖體重量由拱承擔(dān)。該方法基本前提是采空區(qū)上方的巖石能夠形成自然拱，這就要求采空區(qū)上方有足夠的厚度且有相當(dāng)穩(wěn)定的巖體，以承受巖體自重和其上的荷載。雖然考慮了頂板巖性、采空區(qū)形態(tài)，但沒有考慮露天煤礦爆破震動、運(yùn)輸荷載以及設(shè)備對地比壓等，使該方法的實(shí)用性受到限制。

3.1.5 結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計(jì)算法

結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計(jì)算法假定采空區(qū)頂板巖體是一個兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)，上部巖體自重及其附加載荷作為上覆巖層載荷，按梁板受彎考慮，以巖層的抗拉強(qiáng)度作為控制指標(biāo)。該方法物理意義明確，考慮了除爆破震動外所有的因素，可以用于無爆破震動或爆破震動對巖體強(qiáng)度影響程度較小時(shí)的采空區(qū)安全頂板厚度確定。

3.1.6 空場長寬比法

空場長寬比法是基于采空區(qū)長度與跨度的比值簡化空區(qū)頂板形態(tài)、建立工程力學(xué)模型，分析在各因素影響下維持采空區(qū)頂板穩(wěn)定的最小安全厚度的方法。一般適用于計(jì)算大型露天礦工作面與采空區(qū)之間礦石及圍巖較穩(wěn)固，且主要依靠圍巖自身的穩(wěn)固性或少量的礦柱來支撐采空區(qū)上覆工作面作業(yè)的最小安全厚度。特別是適用于具有采空區(qū)頂板巖性、爆破震動、運(yùn)輸荷載以及露天采礦設(shè)備對地比壓等其他影響因素的安全厚度計(jì)算，因此從理論上講空場長寬比法能夠滿足露天礦巷柱式地下采空區(qū)安全頂板厚度分析計(jì)算的需要。

綜上所述，自行堵塞理論估算法、厚跨比法、普氏拱理論和荷載傳遞交匯線法由于考慮因素不夠全面，不能全面反映影響露天煤礦采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性因素對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響，因此只能用于露天煤礦采空區(qū)安全頂板厚度的初步估算和分析。結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計(jì)算法可以用于無爆破震動或爆破震動對巖體強(qiáng)度影響程度較小時(shí)的采空區(qū)安全頂板厚度確定?？請鲩L寬比法比較全面的考慮了影響采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的主要因素，能夠滿足露天礦對采空區(qū)安全頂板厚度分析計(jì)算的需要。元寶山露天煤礦深部巖層的剝采工作需要穿孔和爆破，因此必須考慮爆破震動對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響，綜合分析認(rèn)為空場長寬比法可以作為元寶山露天煤礦巷柱式采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的估算方法。

3.2 元寶山露天煤礦采空區(qū)安全頂板厚度的確定

空場長寬比法認(rèn)為[18-20]，當(dāng)采空區(qū)長度與跨度之比B/L>2時(shí)，假定空區(qū)頂板至露天工作平盤間為一塊嵌固梁板，受均衡連續(xù)載荷作用，其最小安全厚度H0為：

當(dāng)采空區(qū)長度與跨度之比B/L≤2時(shí)，假定采空區(qū)頂板為一個整體結(jié)構(gòu)，其最小安全厚度H0為：

式中，B為采空區(qū)長度，m；L為采空區(qū)跨度，m；γ為上覆巖體加權(quán)平均容重，kN/m3；P1為上部臺階爆破產(chǎn)生的動載荷，kPa；P為設(shè)備滿載并考慮沖擊作用下的對地壓力值(設(shè)備附件載荷)，kN/m2；σx為空洞上覆巖體的許用拉應(yīng)力，kN/m2；σ拉為頂板巖石極限抗拉強(qiáng)度，kN/m2；n為安全系數(shù)，取2～3；kc為巖體結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)，取7～10；Zn為鉆孔超深，m；kvi為該設(shè)備的動載系數(shù)，一般取2.0～2.5，最壞情況下不超過2.5；pi為該設(shè)備滿載時(shí)的對地壓力值，kN/m2；Kj為爆堆沉降系數(shù)，取0.1；Kn為爆破鉆孔超鉆系數(shù)，取1.1；Kp為爆破后巖石松散系數(shù)，取1.3；Kg為載重沖擊系數(shù)，取2.0。

元寶山露天煤礦地下采空區(qū)位于6#煤層內(nèi)部，6#煤層上覆巖土體加權(quán)平均容重為21.5kN/m3，頂板巖石加權(quán)極限抗拉強(qiáng)度為0.25MPa，取安全系數(shù)n為2.5，取巖體結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)kc為8.5，則上覆巖體的許用拉應(yīng)力σx為11.76kPa，輪斗挖掘機(jī)、電鏟(10m3)、電鏟(12m3)、電鏟(15m3)和鉆機(jī)在考慮沖擊作用下的對地壓力值P分別為0.24MPa、0.53MPa、0.41MPa、0.48MPa和0.24MPa。調(diào)查結(jié)果表明，一般情況下研究區(qū)域內(nèi)巷柱式采空區(qū)長度與跨度之比B/L>2，假設(shè)采空區(qū)長度為40m，跨度為2～20m。

當(dāng)輪斗挖掘機(jī)在采空區(qū)上部作業(yè)時(shí)，將各參數(shù)代入空場長寬比法計(jì)算公式，得到采空區(qū)安全頂板厚度計(jì)算見表1。采用空場長寬比法確定的不同跨度條件下采空區(qū)安全頂板厚度變化曲線如圖2所示。

表1 輪斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)安全頂板厚度計(jì)算表(B/L>2)

圖2 輪斗挖掘機(jī)作業(yè)時(shí)不同跨度條件下采空區(qū)安全頂板厚度變化曲線

同理，可以計(jì)算并繪制出電鏟(10m3)、電鏟(12m3)、電鏟(15m3)和鉆機(jī)在同等條件下的采空區(qū)安全頂板厚度變化曲線。從圖2中可知，安全頂板厚度隨著采空區(qū)跨度的增大而增大，當(dāng)跨度大于7m后，安全頂板厚度值劇增，計(jì)算結(jié)果的可靠性和適用性明顯降低，實(shí)際生產(chǎn)中建議采用以上計(jì)算方法時(shí)的采空區(qū)跨度不大于7m。也即該方法適用于長度不大于14m、跨度不大于7m且長度與跨度之比B/L>2的采空區(qū)安全頂板厚度計(jì)算分析。調(diào)查表明，元寶山露天煤礦未坍塌的巷柱式采空區(qū)尺寸在上述應(yīng)用條件之內(nèi)，即該方法滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。基于空場長寬比法繪制出元寶山露天煤礦主要采礦設(shè)備在不同采空區(qū)跨度條件下的安全頂板厚度取值曲線如圖3所示，空場長寬比法計(jì)算不同跨度條件下的采空區(qū)安全頂板厚度值見表2。

表2 空場長寬比法計(jì)算不同跨度條件下的采空區(qū)安全頂板厚度值

圖3 元寶山露天煤礦主要采礦設(shè)備不同采空區(qū)跨度條件下的安全頂板厚度取值曲線

根據(jù)分析計(jì)算所得的采空區(qū)安全頂板厚度值，結(jié)合現(xiàn)場勘查，可以確定目前在使用輪斗挖掘機(jī)及其他主要采礦設(shè)備時(shí)，在+460m臺階采用露天作業(yè)是安全的，且事實(shí)證明，按照計(jì)算的安全頂板厚度組織露天開采作業(yè)，目前沒有出現(xiàn)安全問題。

4 結(jié) 論

1)基于元寶山露天煤礦地質(zhì)條件與采礦條件，分析了影響工作幫巷柱式采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響因素，分析認(rèn)為，巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、采礦方法、采空區(qū)形態(tài)和規(guī)模、空間尺寸參數(shù)、爆破震動及設(shè)備對地比壓等為影響采空區(qū)頂板穩(wěn)定的主要因素。

2)以元寶山露天礦生產(chǎn)實(shí)際為背景，對比分析了常用巷柱式采空區(qū)安全頂板厚度估算方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，認(rèn)為空場長寬比法可以作為元寶山露天煤礦巷柱式采空區(qū)安全頂板厚度的估算方法，該方法適用于長度不大于14.0m、跨度不大于7.0m且長度與跨度之比B/L>2的采空區(qū)安全頂板厚度計(jì)算分析，基于該方法繪制出了元寶山露天煤礦主要采礦設(shè)備在不同采空區(qū)跨度條件下的安全頂板厚度取值曲線，采用空場長寬比法計(jì)算不同跨度條件下的采空區(qū)安全頂板厚度值。