劉義新

(1.煤炭科學研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

房柱式采煤法無論是作為一種常規(guī)的柱式體系采煤法，還是作為巖層及地表沉陷控制的部分開采方法之一，在國內(nèi)外均得到廣泛應(yīng)用［1－5］，尤其是在開采邊角煤、不規(guī)則塊段、“三下”壓煤等條件下取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。房柱式采煤法在采空區(qū)內(nèi)遺留有大量支撐煤柱，這些煤柱對采場上覆巖層直至地表的運動起到至關(guān)重要的作用，但煤柱一旦失穩(wěn)，將失去對覆巖的支撐，易導(dǎo)致采空區(qū)及地表的大面積突然垮塌甚至引發(fā)礦震，非但起不到保護地面和井下受護對象的作用，而且還損失了寶貴的煤炭資源，給煤礦安全生產(chǎn)帶來重大隱患，困擾著企業(yè)和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對房柱式采空區(qū)遺留煤柱的穩(wěn)定進行評價是非常必要的。

目前房柱式采空區(qū)內(nèi)煤柱穩(wěn)定性評價方法尚無統(tǒng)一的標準，主要有經(jīng)驗公式法、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬法及剛度理論法等［3－8］，采用單一的評價方法較難滿足實際應(yīng)用，應(yīng)采用多種方法相結(jié)合的綜合評價法。本文采用初評定性與后評定量評價相結(jié)合的綜合評價法對房柱式采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性進行評價，并結(jié)合實例進行應(yīng)用。評價結(jié)果可為采空區(qū)的有效治理，房柱式采空區(qū)上能否新建建(構(gòu))筑物等提供理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性定性評價

煤柱穩(wěn)定性取決于地質(zhì)和采礦因素的綜合影響，這些影響因素涉及到諸多方面［3，9－10］，一類是很難或不可能改變的不可控因素，如地質(zhì)構(gòu)造、煤柱及頂?shù)装灞旧淼膶傩缘?另一類為可通過人為改變的可控因素，如采煤方法、頂板管理方式、煤柱的寬高比、煤柱面積比率及煤柱的形狀等。已有的開采實踐表明，采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性主要與煤柱的寬高比和煤柱面積比率有關(guān)。因此，在實際工程應(yīng)用中，可優(yōu)先采用煤柱的寬高比和煤柱面積比率這2個定性指標來初步評價煤柱的穩(wěn)定性。

1.1 煤柱寬高比

煤柱的寬高比對煤柱的穩(wěn)定性有重要影響。大量的實驗室試驗和現(xiàn)場研究表明，在其他條件相同時，煤柱的穩(wěn)定性隨寬高比的增加而增加。對瘦高煤柱而言(寬高比＜3～4)，煤柱極不穩(wěn)定，極易發(fā)生頂板大面積的突然冒落，并伴隨強烈的沖擊，若采深較小，則地表也會發(fā)生突然塌陷。當煤柱寬高比超過10 時，煤柱很難破壞，煤柱會長期穩(wěn)定。從我國煤礦采用的條帶開采的成功實例來看:垮落條帶開采時煤柱寬高比最小應(yīng)為3.2～3.6，通常應(yīng)大于5;充填條帶開采時煤柱寬高比應(yīng)大于2。

1.2 煤柱面積比率

煤柱面積比率指保留煤柱面積占相應(yīng)開采面積的比率，是衡量煤柱穩(wěn)定性的重要標志。煤柱面積比率越大，煤柱的有效承載面積越大，煤柱穩(wěn)定性越高，煤柱就不會被壓垮，采空區(qū)就越穩(wěn)定;反之，采空區(qū)穩(wěn)定性就越差。已有的條帶開采實踐表明，當煤柱面積比率在30%以上時，地表緩慢下沉且下沉較小，說明遺留煤柱發(fā)揮著長期有效的支撐作用，即煤柱的穩(wěn)定性好。通過分析大同礦區(qū)有關(guān)資料［11－12］，歸納出煤柱穩(wěn)定性與煤柱面積比率及覆巖破壞、地表沉陷情況關(guān)系的參考條件:

(1)在開采厚煤層時，采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱面積比率為30%～35%以上;薄及中厚煤層時，當煤柱面積比率為25%～30%以上時，采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱的穩(wěn)定性好，因而頂板和地表也是安全穩(wěn)定的，甚至在開采3～4 個煤層以后，頂板未出現(xiàn)大面積冒落，地表未出現(xiàn)突然塌陷。

(2)當煤柱面積比率為20%～25%時，遺留煤柱的穩(wěn)定性一般，地表一般只發(fā)生小裂縫。

(3)當煤柱面積比率小于20%時，遺留煤柱的穩(wěn)定性較差，地表易發(fā)生大裂縫或突然塌陷。

在采用煤柱的寬高比、煤柱面積比率這兩個指標來初評煤柱穩(wěn)定性時，煤柱的寬高比優(yōu)先于煤柱面積比率，因為煤柱的失穩(wěn)往往是從某一個煤柱開始。一個煤柱的破壞誘發(fā)相鄰煤柱相繼破壞，接著迅速擴展到整個區(qū)域煤柱，造成多米諾骨牌效應(yīng)，且整個煤柱失穩(wěn)過程具有突然性和迅速性。大同礦務(wù)局發(fā)生的頂板大面積突然垮落表明:有的采空區(qū)留設(shè)的煤柱面積比率并不小，但由于某個煤柱寬高比小，穩(wěn)定性很差，造成了地表突然塌陷?？梢姡褐€(wěn)定性定性初評指標中煤柱的寬高比應(yīng)為前提條件。

2 采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性定量評價法

煤柱穩(wěn)定性經(jīng)初評后，若煤柱的寬高比和煤柱面積比率這兩個指標均達到要求后，仍需做進一步的定量評價，主要通過經(jīng)驗公式極限強度理論和逐步破壞理論相結(jié)合進行評價［13］。

2.1 極限強度理論

極限強度理論認為煤柱穩(wěn)定性主要取決于煤柱應(yīng)力和煤柱強度。當煤柱應(yīng)力超過煤柱強度時，煤柱將失穩(wěn)破壞，通常用安全系數(shù)來定量評定，煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)(F)=煤柱強度(σp)/煤柱應(yīng)力(Sp)，安全系數(shù)一般應(yīng)在1.5～2.0 之間。

2.1.1 煤柱應(yīng)力

由于煤柱內(nèi)應(yīng)力分布異常復(fù)雜，工程應(yīng)用中常采用簡單易行、應(yīng)用廣泛的輔助面積法進行計算。該法的實質(zhì)是:僅考慮圍巖的自重應(yīng)力場，并認為采空區(qū)上方的覆巖重量全部轉(zhuǎn)移到遺留煤柱上。煤柱應(yīng)力計算公式為:

式中，r 為上覆巖層平均容重，kN/m3;H 為采深，m;W 為煤柱寬度，m;B 為煤房寬度，m;L 為煤柱長度，m。

2.1.2 煤柱強度

關(guān)于煤柱強度的確定，國內(nèi)外進行了大量的研究，提出了10 余種煤柱強度計算公式［5］，目前應(yīng)用廣泛的是Bieniawski 公式，其計算公式如下:

式中，σ1為立方體煤柱的原位強度，MPa;h 為煤柱高度，m。

式(2)中σ1的計算公式為:

式中，σc為試驗室圓柱體試樣的平均單軸抗壓強度，MPa;D 為試驗室圓柱體試樣的直徑，m。在使用時當煤柱高度h 大于0.9m 時取0.9m。

2.2 逐步破壞理論

逐步破壞理論認為煤柱的破壞是從煤柱邊緣向內(nèi)部逐漸發(fā)展的，即在一定地質(zhì)采礦條件下，煤柱必須具備相應(yīng)的最小寬度，煤柱寬度留設(shè)不夠，煤柱極易被壓垮失穩(wěn)導(dǎo)致頂板大面積垮落和地表突然塌陷。因此，為保持留設(shè)煤柱的長期穩(wěn)定，留設(shè)煤柱寬度應(yīng)包括塑性區(qū)和核區(qū)兩部分，且煤柱應(yīng)有一個穩(wěn)定的核區(qū)存在，則煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度應(yīng)滿足:W＞2×0.00492hH+(1～2)m。

3 實例評價

陜西省榆林市作為第二大煤炭資源城市，經(jīng)過幾十年的開采，地下已經(jīng)形成了量大面廣、時間跨度長的采空區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，這些采空區(qū)大部分為地方煤礦和私營煤礦開采所致，采煤方法多為房柱式放炮采煤法，采深淺，采高大，開采尺寸大，留設(shè)煤柱小，且留設(shè)煤柱形狀不規(guī)整，上覆巖層多為堅硬砂巖，地表賦存有厚黃土和風積沙。采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤柱，少部分已失穩(wěn)垮塌，大部分尚未失穩(wěn)。采空區(qū)內(nèi)煤柱失穩(wěn)已導(dǎo)致礦震頻發(fā)、地表塌陷、地下水位下降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題。

為此，采用前文介紹的房柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性綜合評價方法對榆林市某地區(qū)部分煤礦采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱的穩(wěn)定性進行評價，采空區(qū)遺留煤柱基本情況及其評價結(jié)果分別列于表1 和表2。

表1 房柱式采空區(qū)遺留煤柱基本情況

表2 采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果

從表2 可看出:煤柱寬高比方面，各礦寬高比大部分比要求值小(＞3～4)，且絕大部分很小(≤2);煤柱面積比率方面，僅F 礦、G 礦和H 礦滿足要求;煤柱安全系數(shù)方面，各礦值均比要求值小(＞1.5～2)，且絕大部分很小(＜1);煤柱最小寬度方面，僅G 礦和H 礦滿足要求。根據(jù)前述的初評定性和后評定量的綜合評價法，最終確定各礦采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性差?，F(xiàn)場調(diào)查表明，這些遺留煤柱穩(wěn)定性差的礦井均發(fā)生過不同程度的地表塌陷、裂縫及礦震等現(xiàn)象，可見評價結(jié)果與現(xiàn)場基本吻合。

4 結(jié)論與建議

(1)房柱式采空區(qū)內(nèi)遺留的大量煤柱可從煤柱寬高比、煤柱面積比率、煤柱強度與載荷計算、煤柱保持穩(wěn)定最小寬度等方面，采用初評定性與后評定量相結(jié)合的方法來評價。實例應(yīng)用表明，該法簡單易用，且評價結(jié)果與現(xiàn)場情況基本吻合。

(2)采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤柱對煤礦安全生產(chǎn)存在重大隱患。建議根據(jù)采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性評價結(jié)果，尤其是綜合評價結(jié)果差的，盡快對采空區(qū)采取相應(yīng)的治理措施，比如注漿等。

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