露天煤矿采空区稳定性评价

洪兵兵

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

露天煤矿因其安全、高效、作业条件简单，在我国煤炭开采中所占的比例日益增大，但是由于很多露天矿田内都曾进行过时间或长或短的井工开采，遗留了大量的采空区，且未进行过任何处理。这些采空区的形状一般都不规则，大小各不相同、位置复合交错，分布无规律性，对露天煤矿的作业人员及开采设备的安全存在极大的隐患，对露天矿的正常生产产生严重影响。

采空区灾害成为我国露天煤矿分布较广泛、危害极大的一类典型灾害。因此，开展露天矿采空区稳定性评价工作显得尤为重要和迫切。

1 采空区安全的影响因素

采空区上覆岩层的稳定性是露天煤矿开采中最为突出的问题之一。采空区上覆岩层是随着地质运动而形成的复杂地质体，其稳定性是指在一定时间内和在一定的工程条件下，它是否会产生塑性变形、剪切位移、拉张开裂或塌陷冒落等破坏。岩层产生前述情况的主要原因是由于下部煤层被开采，产生采空区，导致煤层上覆岩层应力平衡被打破。而当应力集中超过岩石支撑力时，应力获得释放，就会产生形变、位移或塌陷，并逐步发展到地表。

采矿工程实践表明，影响采空区上覆岩层稳定性的因素主要有：

(1) 地质因素及岩体力学性质，包括地质构造发育情况(褶皱、断裂等)、岩石质量、岩层构造类型、岩层的物理力学性质；

(2) 采空区参数，包括采空区的形成时间、几何形状、埋深及暴露面积；

(3) 采矿活动，包括采空区上覆岩层所承受的载荷(爆破、采矿设备运行等)、采煤方法及水文条件等。

影响露天矿采空区上覆岩层稳定性的因素繁多，评估各种因素的影响程度是一个十分复杂的问题，因此，只有科学分析影响采空区上覆岩层稳定性的因素，抓住影响采空区上覆岩层稳定性的主要因素，采用科学合理、切合实际的方法对其进行分析研究，才可对其做出合理的评价。

2 采空区上覆岩层稳定性评价办法

2.1 采空区上覆岩层稳定性评价流程

采空区上覆岩层稳定性分析和评价应根据现场实际剥采情况，分阶段、分层次循序渐进。即首先对勘探得到的采空区按照自行堵塞估算理论进行第一阶段的安全分析和评价：对其进行一个粗略、大概意义上的分类，经该阶段分析评价认为是安全的采空区，结合其空腔的大小及埋置深度综合考虑，可暂不予以治理，认为其目前处于“绝对安全”的状态。

经第一阶段安全分析评价后，可筛选出需进行第二阶段安全分析与评价的采空区。第二阶段评价包括安全系数评价和安全厚度评价。

采空区上覆岩层稳定性分析思路见图1。

2.2 某露天矿采空区上覆岩层稳定性分析与评价

某露天矿采空区三维激光扫描效果图见图2，其平面投影近似矩形，空间近似锥体。几何尺寸为长度28.5 m，跨度17.5 m，最大高度25.6 m，体积3400 m3，上覆岩层厚度21 m，采空区空腔体与煤层顶板距离最大为53.55 m，最小为31.08 m。

2.2.1 第一阶段采空区上覆岩层稳定性分析与评价

图1采空区上覆岩层稳定性评价及处理流程

图2 采空区空间效果

2.2.2 第二阶段采空区稳定性分析与评价

假定在该采空区上覆岩层范围内作业的设备有35 m3电铲和300 t级自卸卡车(满载)，其相应参数见表1。

表1 采空区上覆岩层范围内同时作业设备参数

即：

(1)

式中，Q为荷载，kN；k为设备刚度，N/s；m为设备质量，kg。

(1) 安全系数评价。由受力平衡条件，采空区顶板上部所承受的压力：

P0=G+Q-F

(2)

式中，P0为采空区上覆岩层所受的合力，kN；G为采空区上覆岩层的总重量，kN。

计算采空区上部岩体重力G：

(3)

式中，γi为采空区上覆第i层岩体的容重，kN/m3；hi为采空区上覆第i层岩体的平均厚度，m；S为采空区投影平面面积，m2。

计算采空区上部岩体侧壁的摩阻力F：采空区上部岩体第i层岩体侧壁的摩阻力：

(4)

式中，L为采空区平面投影周长，m；κi为采空区上覆第i层岩体的侧压力系数，κi=νi/(1-νi)；νi为采空区上覆第i层岩体的泊松比；φi为采空区上覆第i层岩体的内摩擦角，(°)。

因K1=0.91<1，K2=0.82<1，故两种情况下采空区上覆岩层均不稳定，尤其是当有设备作业时，更易发生整体性坍塌事故。

(2) 安全厚度评价。安全厚度评价中，采空区上覆岩层的物理力学参数均取各岩体相应物理力学参数值的加权平均值(以厚度加权)：

根据载荷传递交汇线法，采空区上覆岩层安全厚度H0=D/(2tanβ)=30.76 m。

根据厚跨比法，采空区上覆岩层安全厚度H0=0.5KD=29.00 m(K取值为2)。

根据普式拱理论估值法，因上覆岩层厚度小于2倍的压力拱计算值24.25 m，故不能形成普式拱。故此采空区不能采用此方法进行稳定性分析。

根据公路行业标准单一巷道式采空区场地稳定性等级评价标准，稳定系数即为安全最小厚度H0与实际采空区上覆岩层厚度的比值。计算载荷传递交汇线法和厚跨比法稳定系数分别为0.68和0.72。

安全厚度评价办法的标准为：当h

对照分析，分别采用安全系数评价办法和安全厚度评价办法计算，此采空区均表现为不稳定。

以上两个阶段计算分析结果可以作为及时治理并避免采空区灾害的依据。

3 分析与评价总结

当采空区上部岩体强度较差、节理发育，处于较破碎、破碎状态时，受地压、岩石风化及爆破震动等的影响，采空区内煤柱变形破坏严重，上覆岩层节理裂隙进一步发育，稳固性逐渐下降，导致采空区空腔体逐渐向上塌落，变回逐渐形成倒置漏斗形的采空区，其特点是：腔体标高分布在煤层顶板上部某个位置，腔体跨度变化大，准确位置和高度没有规律可循。此类采空区上覆岩层稳定性评价可侧重采用极限平衡法、载荷传递交汇法、厚跨比法、普式拱理论估值法。

采空区顶板不易垮落、仍然保持原有形态，通过一个扫描钻孔即可确定空腔体的形态参数，将这类采空区定义为简单型。其特点是采空区空腔顶板比较平整。此类采空区上覆岩层稳定性评价可侧重采用荷载传递交汇法、厚跨比法、空场长宽比法及结构力学梁理论计算法。

当采空区空腔跨度较大，受岩石风化、爆破震动影响，腔体顶板局部垮落，无法通过单孔扫描完整探测采空区，需采用多孔联测、数据对接才能实现完整扫描，将这类采空区定义为复杂型。其特点是分布范围较广、腔体深度不统一。此类采空区上覆岩层稳定性评价可侧重采用极限平衡法、荷载传递交汇法、厚跨比法、普式拱理论估算法。

采空区上覆岩层稳定性评价不仅要根据上覆岩层物理力学性质、采空区形态、形成机理来确定分析评价方法，而且要合理准确的评价方法中各种力学参数及安全系数，考虑影响力学模型的关键因素，以获得合理实际的分析和评价结果。例如考虑外部载荷时，空场长宽比法和结构力学梁理论估算法对外部荷载比较敏感，分析评价时可侧重参考其计算的结果。