采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究

孟君龍

（晉能控股集團(tuán)有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

煤炭露天開(kāi)采作為我國(guó)煤礦生產(chǎn)的主要開(kāi)采方式，具有生產(chǎn)安全、工作環(huán)境好、自然環(huán)境影響小的特點(diǎn)，露天開(kāi)采模式在符合相關(guān)條件下會(huì)被優(yōu)先選擇。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于環(huán)境與技術(shù)條件的改變會(huì)出現(xiàn)由礦井開(kāi)采轉(zhuǎn)化為露天開(kāi)采的情況。開(kāi)采模式的轉(zhuǎn)變會(huì)使采場(chǎng)形成開(kāi)采邊坡，其設(shè)計(jì)的合理性與穩(wěn)定性會(huì)直接影響露天礦開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性與安全性。地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采模式邊坡穩(wěn)定性的影響因素眾多，而開(kāi)采范圍內(nèi)的采空區(qū)是影響邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。采空區(qū)會(huì)改變地下原巖的應(yīng)力分布，在邊坡開(kāi)采時(shí)，應(yīng)力得以釋放，就可能造成滑坡、坍塌等重大生產(chǎn)事故，使企業(yè)的財(cái)產(chǎn)與人身安全蒙受巨大損失。因此，采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性的研究對(duì)煤礦開(kāi)采企業(yè)意義重大[1]。本文以某煤礦為例，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期提高企業(yè)生產(chǎn)安全性，提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 某煤礦概述

某煤礦中部較高，兩側(cè)較低，高差約為130 m，是典型的高原丘陵地貌，具有切割性強(qiáng)，溝谷多，植被稀少等特點(diǎn)。該煤礦所處地為干旱性大陸氣候，光照強(qiáng)，溫差大，冬季較長(zhǎng)夏季較短，秋季高溫多雨，春季少雨多風(fēng)。周邊水系為間歇性河流水系，旱季水量極少，但雨季水系流量大，時(shí)間短，易形成洪流，需集中排泄。其抗震烈度為6。經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，該煤礦共有3層煤層，具體為4-1、4-2、6-2 煤層。其中，4-1 煤層厚度較小，穩(wěn)定性差，定義為不可開(kāi)采區(qū)域。4-2 煤層厚度符合切較為穩(wěn)定，定義為局部開(kāi)采區(qū)域。6-2煤層厚度與穩(wěn)定性均符合要求，定義為可開(kāi)采區(qū)域。

對(duì)煤礦進(jìn)行實(shí)際勘查后發(fā)現(xiàn)，該煤礦推進(jìn)方向?yàn)槟媳毕颍?-2 煤層會(huì)首先暴露，但由于該煤礦厚度小，擬采用垮落的方法進(jìn)行處理。經(jīng)垮落處理后，邊坡的土體較為疏松，隨對(duì)其進(jìn)行剝離處理即可。6-2厚度較大，也宜采用剝離的方法進(jìn)行處理，但其穩(wěn)定性較難保證，本文主要對(duì)6-2 煤層進(jìn)行研究分析。采場(chǎng)與6-2 煤層位置關(guān)系示意圖，如圖1 所示。

圖1 采場(chǎng)與6-2 煤層位置關(guān)系示意圖

2 數(shù)值模擬分析

通過(guò)分析本文擬以6-2 煤層西側(cè)為采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性的主要研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際的煤礦勘查情況對(duì)邊坡模型進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，采空區(qū)剖面示意圖，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)剖面示意圖

2.1 采空區(qū)跨度影響分析

在該露天煤礦生產(chǎn)中，采空區(qū)的跨度為影響煤礦邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一，本節(jié)將主要研究采空區(qū)跨度對(duì)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)實(shí)際測(cè)算可知，留煤柱的寬度與采空區(qū)跨度的比值為1∶20，將不同寬跨情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，得出結(jié)果后對(duì)采空區(qū)頂板的中點(diǎn)進(jìn)行位移測(cè)算，從而可得出當(dāng)坡腳為空時(shí)，其跨度與穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并根據(jù)實(shí)際的影響因素提出相應(yīng)的解決辦法，提高采空區(qū)邊坡的穩(wěn)定性[2-3]。

采空區(qū)與留煤柱周邊地層主要為粉砂巖，故將粉砂巖設(shè)定為主要研究對(duì)象。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，邊坡穩(wěn)定性的普適性研究多采用單級(jí)模型，且臺(tái)階的級(jí)數(shù)與高度可作簡(jiǎn)化處理，不列為穩(wěn)定性研究的主要研究對(duì)象，以此簡(jiǎn)化研究方法，提高研究效率。因此，將粉砂巖上方邊坡看作為均布載荷，該載荷主要為上巖層的巖層重量，其計(jì)算公式為重度×巖土體積/面積，通過(guò)計(jì)算可知，均布載荷為647 kPa。粉砂巖的坡角大小為40。，將粉砂巖的兩個(gè)臺(tái)階看作為一個(gè)，其高度數(shù)值相加為20 m。采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，如圖3 所示。圖中：

圖3 空區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型示意圖

邊坡設(shè)計(jì)幫坡角為40°；

H——邊坡高度，m；

Hf——底板高度，m；

Hg——采空區(qū)高度，m；

Hi——采空區(qū)上方邊坡高度，m；

B——寬度，m；

Bq——均布載荷寬度，m；

Bc——留煤柱寬度，m；

Bg——采空區(qū)寬度，m。

在上述計(jì)算模型中，H 的數(shù)值需等于Hf、Hg、Hi三者之和，Bc 與Bg 需成比例關(guān)系。通過(guò)上述計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析后可知，當(dāng)留煤柱寬度與采空區(qū)寬度之比為1 時(shí)，其位移量較小為0.012 55 m，可以達(dá)到自穩(wěn)要求，可以保持。但當(dāng)其比例為1∶2 時(shí)，其最大位移量為1.8 m，超過(guò)了1.5 m，當(dāng)比例增加為1∶3 時(shí)，其位移量更大為2.8 m，由此得出結(jié)論，當(dāng)比例超過(guò)1∶2 時(shí)，位移量無(wú)法收斂，邊坡已達(dá)到破壞狀態(tài)，需對(duì)其進(jìn)行有效的邊坡穩(wěn)定性治理。

2.2 采空區(qū)深度影響分析

通過(guò)上文研究可知，當(dāng)留煤柱寬度與采空區(qū)寬度比值為1∶1 以上時(shí)，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)較差，處于破壞邊緣。因此，取留煤柱寬度與采空區(qū)寬度比值為1:1，消除采空區(qū)的跨度影響因素，在代入不同的深度數(shù)值對(duì)采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。在采空區(qū)深度倍數(shù)為1、1.5、2、2.5、3 時(shí)，采空區(qū)邊坡仍然可以保持穩(wěn)定，具體位移量為0.012 8、0.034 21、0.044 88、0.045 01、0.044 89 m。其位移圖，如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)不同深度中部點(diǎn)位移圖

3 采空區(qū)處理研究

采空區(qū)處理現(xiàn)階段主要有崩落、填充和加固三種方法。加固法主要用于采空區(qū)上方需建設(shè)重要建筑物或者構(gòu)筑物的實(shí)際情況，在鐵路與公路建設(shè)中使用較為廣泛，但因該方法施工成本大、所需技術(shù)要求高、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)無(wú)法廣泛推廣，只運(yùn)用于個(gè)別行業(yè)建設(shè)[4]。崩落法為礦井開(kāi)采處理最為常用的方法，該方法主要是使煤炭礦井頂板崩落，利用崩落巖石的大體積使礦井具有一定的支撐性。崩落法較為粗糙，易使上方建筑物造成塌陷，對(duì)上方環(huán)境破壞較大，因此，常用于上方無(wú)重要建筑物的偏遠(yuǎn)礦區(qū)。填充法是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充從而達(dá)到支撐作用的處理方法，填充材料一般有砂子、鵝卵石、煤灰等物質(zhì)[5]。該方法要求低、周期短，合適的填充物也可以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)環(huán)境保護(hù)較為友好。結(jié)合本文的研究，當(dāng)采空區(qū)跨度與深度比例超過(guò)要求時(shí)，可采用填充法進(jìn)行采空區(qū)處理，保證企業(yè)的安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某煤礦進(jìn)行實(shí)際勘查與相應(yīng)的露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性影響因素分析可得出如下結(jié)論：

1）留煤柱寬度與采空區(qū)跨度比應(yīng)小于1∶2，當(dāng)比值大于1∶2 時(shí)，露天開(kāi)采邊坡會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，易造成安全生產(chǎn)事故。

2）采空區(qū)深度小于3 時(shí)，露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性不受影響，穩(wěn)定性較好。

3）某煤礦可實(shí)行填充法進(jìn)行采空區(qū)處理，保證開(kāi)采煤礦的邊坡穩(wěn)定性。