煤矿采空区场地稳定性评价方法探讨

摘要：由于矿藏的开采，形成大范围的地下空洞区域，这个区域就称为采空区。采空区稳定性问题是一个复杂的系统，受多种因素影响和控制，如地质构造、水文地质与工程地质、开采技术条件等等。采空区稳定性问题在国内外属于一个比较新的课题，目前尚处于起步阶段。但是许多学科的发展为其深入研究提供了新的研究契机。从丰富岩石力学内容，将理论的发展转化为生产力的角度出发，本课题的研究也显得非常迫切，也具有很高工程实用价值。

关键词：煤矿 采空区 场地 稳定性 评价

采空区的存在，给工程建设埋下了极大的隐患。在国内，对于采空区，工程建设时，由于在开采时技术管理的不规范和在对采空区稳定性评价的手段上存在一定难度，多数情况下采取绕避措施，造成了投资和土地资源的极大浪费。随着我国经济的迅猛发展，工业和基础设施建设的数量和范围也在不断的扩大，土地资源显得日益紧缺，大多数采空区还处于闲置状态，为了最大化的重新利用采空区地表，加强对采空区稳定性研究和处治显得日益紧迫。

一、影响煤矿采空区场地稳定性的因素分析

1.1 煤矿采空区覆岩的石岩组类型

覆岩力学性质是对采空区下沉影响程度较大的因素，我国的煤矿开采实践也表明：岩体越坚硬，地表下沉系数的值就越小。由于破碎的岩体具有分形的几何特性，因此，可以用小尺寸的破碎岩体(数十毫米级)模拟大尺寸的破碎岩体(数十米级)。为了模拟近似实际的矿山压力，采用伺服机实验设备，可以达到实验要求。而只要满足了几何相似和应力应变相似，即可进行相似模拟实验。软硬岩石高压固结模拟实验结果表明：①覆岩的力学性质和结构特征对沉陷变形的影响很大，软岩比硬岩更易被压缩变形，故在软岩厚度大的采空区，地面沉降量会相对较大；②地下水的浸泡可使软岩产生更大的附加沉降，故煤层顶板中较厚的软岩会导致固结沉陷速度加快，沉降量增大，采空区稳定性变差；③覆岩主要为硬岩的条件下，沉陷稳定的时间较长，若覆岩主要为软岩，则沉陷稳定的时间较短。

1.2 煤矿采空区的面积及开采倾角

采空区范围的大小可以决定地表移动过程中发展的程度以及地表移动盆地的形状和大小。采空区的面积对移动角有一定影响，一般来说岩层移动角随着采空区面积的增大而减小，但当采空区面积很大时，对移动角的影响不大口在一定开采深度条件下，随着采空区面积的增大，地表移动影响范围变得越平越大。

1.3 煤矿采空区采厚及采深

研究资料表明：随着采厚的增加，冒落带和裂隙带的高度按线性比例增加，即在相同条件下，采厚越大，破坏波及的范围就越大，岩石的破坏也就越严重。通常以深厚比作为衡量开采条件对地表移动和变形影响的粗略估计指标。一般说，随开采深度的增加，下沉速度减小，地表移动范围增大，扩展到地表所需时间延长，但移动和变形值变化不大，因而地表移动和变形比较慢，同时下沉盆地变得平缓。

1.4 终采时间指标

终采时间即自终采延续到现今的时间，单位可以是年、月或日。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定：连续6个月下沉值不超过30 mm时，可认为地表移动期结束。按此规定一般工作面终采1～2年地面变形即可满足地表移动期结束的条件，但实际上工作面终采5～10年甚至更长时间，地面仍存在残余变形。总体而言，采空区随着终采时间的延续而逐渐趋于稳定，因此，终采时间是评价采空区稳定性的直接指标。

二、 煤矿采空区场地稳定性评价方法研究

2.1 钻探进尺、物探波速和采空区特征综合评价法

设计横波波速大于160m／s相当于中软场地土，中软场地土对应的纵波波速大于1200m／s，暂定纵波波速Vp为1500m／s评价采空区稳定。该方法作为采空区稳定性评价的参考。

2.2 概率积分法

（1）概率积分法的原理

作为开采沉陷的研究主体，岩体可以用两种完全不同的介质模型来模拟:一种是连续介质模型，一种是非连续介质模型。前者认为:在移动过程中，介质始终保持其连续性，介质单元之间的联系关系保持不变;后者认为:在移动过程中，介质的连续性受到破坏，介质单元之间原有的联系关系发生变化，单元互相分离并发生相对运动。

（2）概率积分法的计算过程

用积分法表示的地表移动的变形预计方法，其曲线呈正态分布。

(1)最大下沉量：W=mqcosa

式中：m一煤层开采厚度；q一下沉系数；a一煤层倾角；

(2)最大倾斜值：i=w／r=w／(H／tgβ)

(3)最大曲率值：K=±1.52W／r2

(4)最大水平移动：U=bw

式中，b为水平移动系数，山西取值为0.25。

(5)最大水平变形值：μ=±1.52W／r

利用概率积分法对地表变形动态评价迅速准确，给定量评价提供了科学的依据。该方法适用于壁式陷落法开采或经过正规设计的条带或房柱式开采的地表稳定性评价，也可作为小窑采空区稳定性的评价参考。

2.3 有限元法

有限单元法是一种数值计算方法，计算采空区覆岩破坏和地表沉陷的位移、应力、应变的数值分析方法。数值分析方法是一个极其复杂的问题，与诸多因素有关，一般分三步进行，第一步计算矿层开采前的原始位移和应力，第二步计算矿层开采后的应力及位移，第三步计算外力加载后的应力及位移。构建采空区三维数值计算力学模型，进行采空区处治效果与桥隧结构变形耦合作用计算分析，提出采空区验收指标评判标准，对采空区处治后的剩余沉降变形进行预测分析。该方法作为采空区稳定性评价的参考。

三、结束语

目前在采空区的稳定性评价方面，一般在钻探、物探的基础上，运用工程地质调查、有限元模拟等方法，进行综合评价，也有采用极限平衡的方法计算稳定系数，就总体而言，定量评价的程度尚不足。

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