大型緩傾煤礦采空區穩定性評價研究

唐鶴鳴

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

采空區穩定性問題一直是一個非常重要的工程問題。煤礦采空區穩定性評價方法研究已很多，也取得了一定的經驗。以《煤礦采空區巖土工程勘察規范》[1-2]為代表的現行規范，推薦采用開采條件判別法、地表移動變形判別法等方法對采空區穩定性進行評價；《工程地質手冊》[3]建議借助安全距離、臨界深度來判定場地穩定性；《采空區工程地質勘察設計實用手冊》[4]則是從采深采厚比、地表傾斜及變形程度等因素定性判別采空區穩定狀態；辛亞軍等[5]從不同煤柱尺寸的留設與巷道圍巖裂隙、巖層移動特征入手，分析巷道圍巖應力、支架應力的分布規律，確定巷道圍巖初始擾動與臨界失穩的煤柱尺寸；曾冠華[6]基于數值模擬，得到了自重應力作用下煤層頂板、地表及安全煤柱的應力應變和塑性區變化規律；王玉濤等[7]從采空區頂板、煤柱、底板、地表殘余變形等方面對小煤窯采空區穩定性評價方法進行了討論，提出了穩定性評價判據。

實際工程中，影響采空區穩定性的因素很多，采空區穩定性問題是一個由多種因素共同作用的復雜問題，采空區穩定性受到地質、采礦條件的綜合影響，各因素具有動態性、復雜性、模糊性、不確定性和隨機性等特征[8]。綜合看來，對于采空區穩定性的評價，規范及文獻多是對其中一個或個別因素進行評價，評價過程缺乏全面性和系統性，且前人對于大型緩傾及煤層多層開采工況下采空區穩定性評價方法研究較少。因此，本文結合中陽縣過境公路改線工程地質勘察研究結果，針對該類采空區穩定性影響因素進行綜合分析，通過數值模擬與層次分析法等方法，找出影響采空區穩定性的主要因素，并以此為依據探尋一種采空區穩定性評價的新思路、新方法。

1 工程概況

國道209中陽縣過境公路改線工程位于山西省呂梁市中陽縣境內，改線路線全長為27.9 km。區域內主要不良地質為煤層采空區。擬建路線經過多處采空區，采空區埋深為80～350 m，煤層厚度0.6～6.4 m不等，項目共涉及5個大型煤礦礦區。根據前期工程地質調繪，區域內多處采空區地表變形嚴重。為了更好地掌握采空區對本工程的影響，陜西鐵道工程勘察有限公司對煤層采空區的影響因素及穩定性分析開展了專題研究，并按照規范要求，對采空區進行了長期地表沉降及水平位移觀測。

2 FLAC 3D數值模擬

2.1 研究思路與模型建立

影響采空區穩定的因素很多，包括地質因素和非地質因素（采礦因素）。地質因素包括采空區的煤層埋藏條件、地質構造、地形地貌、覆巖物理力學性質和水文地質條件、構造應力等；非地質因素包括采空區的厚度、采煤方法和頂板管理方法、重復采動、回采率、充水情況及開采時間等。不同的條件下，各因素的重要性不盡相同，分析的首要任務是找出影響穩定性的主要因素。

本次研究首先參考了相關文獻成果[9-14]，初步確定出該類采空區穩定性影響因素，并采用FLAC 3D有限差分軟件對采空區的穩定性進行數值模擬。由于影響因素眾多，若把所有因素考慮在內，將使模擬過程變得極其繁瑣，因此，結合實踐經驗，本次數值模擬主要討論開采厚度、深度、多層開采情況及巖層強度參數對采空區地表變形的影響，模擬結果可為最終確定影響因素權重提供參考依據。數值模擬選取的模型尺寸為450 m×300 m×400 m，開采厚度分別為1 m、3 m和6 m，開采深度分別為150 m、200 m和300 m，多層開采（沿深度方向分3層，開采尺寸為150 m×200 m），煤層緩傾（傾角為10°），并考慮巖層抗剪強度變化。具體模型如圖1，各種因素組合工況包括45種，見表1。

圖1 采空區數值模擬分組模型

表1 煤層開采工況分類表

2.2 模型邊界條件與計算參數

（1）邊界條件[15]：模型底部邊界定為固定約束，取u=0，v=0，w=0（u、v、w分別為x、y、z方向位移）；模型左右邊界定為單向約束，取u=0，v≠0，w≠0；模型前后邊界定為單向約束，取u≠0，v=0，w≠0；模型上部邊界定為自由邊界。

（2）計算參數：參考研究區域的巖層與煤層的物理力學性質，選取摩爾庫倫模型[16-17]作為本次模型計算的本構模型，具體參數見表2。

表2 巖土層力學參數表

2.3 地表位移監測點布置

模擬監測點主要布設在采空區地表位置，沿x方向，每間隔20 m 設置一個模擬監測點，模擬監測點布設簡圖見圖2。

圖2 模擬監測點布置位置簡圖（單位：m）

2.4 模擬過程及結果

通過本次建模及分析，得到了不同煤層埋藏深度（150 m、200 m 和300 m）、不同煤層開挖厚度（1 m、3 m和6 m）條件下的地表變形規律，具體數值模擬結果見圖3—圖5。

圖3表明：開采深度相同、開采厚度不同時，相同位置處地表變形相差較小。最大豎向位移發生在采空區中部，向四周逐漸變小，通過豎向位移變化曲線可以確定采空區的影響范圍；地表水平位移呈現四周向采空區中部變形的規律。開采厚度對地表變形影響較小，而開采深度影響較大。隨開挖深度的增加，邊界處的豎向位移增大，采空區中部位移反而減小，影響范圍增大；地表水平位移逐漸減小，呈現兩側向中部變形的趨勢。

圖3 不同開采深度不同采厚情況下地表豎向位移、水平位移對比曲線

圖4表明：隨著開采層數的增加，地表變形明顯增大。開采層數相同時，隨著開采層間距的增加地表豎向位移增大，但水平位移變化不大。

為模擬上覆巖層抗剪強度變化對地表變形的影響，設定采空區上部為中等風化砂巖夾泥巖，其物理力學性質指標如下：密度2500 kg/m3、內摩擦角30°、抗拉強度1.5 MPa、彈性模量2500 MPa、泊松比0.27 MPa。巖層抗剪強度變化通過改變其黏聚力值來實現，編號1—3號（圖中“巖1—巖3”）的巖層的黏聚力值分別設定為2000 kPa、1900 kPa和1800 kPa。數值模擬結果見圖5。

圖4 多層開采情況下地表豎向位移、水平位移對比曲線

圖5 黏聚力不同、開采厚度不同情況下地表豎向位移、水平位移對比曲線

圖5表明：隨著采空區上覆巖層黏聚力值的減小，地表變形增大趨勢明顯，上覆巖層的抗剪強度值對地表變形影響較大。

綜上，采空區埋藏深度、煤層開采層數及上覆巖層抗剪強度值對該類采空區地表變形影響較大，開采厚度（一定值范圍內）影響相對較小。

3 確定采空區穩定性影響因素權重

為了更加全面、系統地分析各影響因素對采空區穩定性的影響大小，定量確定其影響程度權重，可以通過層次分析法（AHP）[18-19]進一步來實現。首先把影響采空區穩定性的因素按層次分析法進行分類，并建立相應層次結構，見圖6。

圖6 采空區穩定性評價指標層次結構圖

結合已有采空區穩定性分析經驗及文獻成果，通過兩兩比較的方式初步確定層次分析法中各影響因素的重要性并對其賦初始值、構造判斷矩陣。對某些主要的影響因素，可通過前文數值模擬的方法進行分析，驗證判斷矩陣賦值的合理性，必要時對其賦值進一步修正，并最終構造出采空區影響因素判斷矩陣U、U1、U2，對矩陣進行計算得出各影響因素的權重值，計算結果見表3。

表3 采空區穩定性影響因素影響程度權重表

由影響程度權重表可知，影響大型緩傾煤層深埋采空區穩定性的前三位因素分別為埋藏深度、開采層數及巖層抗剪強度指標，其所占權重分別為0.1895、0.1463 及0.1158，合計權重值達0.45。

4 綜合評分法定性評價穩定性

為快速、全面評價采空區穩定性，本次研究結合多項采空區案例分析，通過多年經驗及文獻資料，初步確定評分標準，然后通過規范評定法、數值模擬法、模糊數學法等方法對其結果進行驗證，以確定其合理性，對于不合理的評分標準的參數重新分析賦值，最終制定出采空區穩定性影響因子評分標準。評分標準見表4。

對照影響因子評分表并結合工程實際，確定各因子得分Di，并結合其影響權重，按如下公式計算采空區穩定性總得分P。

計算出總得分P后，即可根據評價標準對采空區的穩定性狀態作出綜合評價，其評價標準為：P＞80分——穩定；60＜P＜80分——基本穩定；P＜60分——不穩定。

5 工程實例應用

采用綜合評分法，對國道209中陽縣過境公路改線工程中所涉及的5個大型煤礦采空區的穩定性進行評價，其穩定性綜合評價結果見表5。

通過勘察期間實地調查，結合現行規范推薦的穩定性評價方法—地表移動變形觀測法對上述各大煤礦進行長達6～7 個月沉降觀測及水平位移觀測，評價得出的結論與上述綜合評價方法得出的結論相符，地表移動觀測評價結果見表6。

表4 采空區穩定性影響因子評分表

表5 各煤礦穩定性評價總得分及綜合評價結果匯總表

表6 各煤礦地表移動觀測評價結果匯總表

6 結語

本文針對大型緩傾深埋及煤層多層開采工況下采空區（采空區埋深為80～350 m，煤層厚度0.6～6.4 m不等）穩定性評價問題開展了研究，并將研究成果成功應用于山西中陽縣縣多家煤礦的穩定性評價中，主要結論如下：

（1）通過FLAC 3D 軟件對采空區進行模擬計算，確定了埋藏深度、煤層開采層數及上覆巖層抗剪強度值對該類采空區地表變形影響較大。

（2）通過層次分析法對采空區各因素進行權重計算并排序，確定了影響采空區穩定性各因素的影響權重的大小。

（3）制定了該類采空區穩定性評價評分表，結合層次分析法得到的影響因素權重排序結果對山西中陽縣多家煤礦的穩定性進行了評價，評價結果與實際地表移動變形觀測評價結果一致。

本文提出的用定量的計算方法進行定性評價，能夠較全面、系統地反應各影響因素對采空區穩定性影響程度的大小，避免片面、單一地選用其中一兩個因素進行評價而導致評價結果失真，這對類似采空區穩定性評價具有重要借鑒參考意義。鑒于采空區穩定性評價的復雜性，且實踐案例不多，仍需要后續通過較多案例分析優化評分標準。