大型缓倾煤矿采空区稳定性评价研究

唐鹤鸣

（陕西铁道工程勘察有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

采空区稳定性问题一直是一个非常重要的工程问题。煤矿采空区稳定性评价方法研究已很多，也取得了一定的经验。以《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[1-2]为代表的现行规范，推荐采用开采条件判别法、地表移动变形判别法等方法对采空区稳定性进行评价；《工程地质手册》[3]建议借助安全距离、临界深度来判定场地稳定性；《采空区工程地质勘察设计实用手册》[4]则是从采深采厚比、地表倾斜及变形程度等因素定性判别采空区稳定状态；辛亚军等[5]从不同煤柱尺寸的留设与巷道围岩裂隙、岩层移动特征入手，分析巷道围岩应力、支架应力的分布规律，确定巷道围岩初始扰动与临界失稳的煤柱尺寸；曾冠华[6]基于数值模拟，得到了自重应力作用下煤层顶板、地表及安全煤柱的应力应变和塑性区变化规律；王玉涛等[7]从采空区顶板、煤柱、底板、地表残余变形等方面对小煤窑采空区稳定性评价方法进行了讨论，提出了稳定性评价判据。

实际工程中，影响采空区稳定性的因素很多，采空区稳定性问题是一个由多种因素共同作用的复杂问题，采空区稳定性受到地质、采矿条件的综合影响，各因素具有动态性、复杂性、模糊性、不确定性和随机性等特征[8]。综合看来，对于采空区稳定性的评价，规范及文献多是对其中一个或个别因素进行评价，评价过程缺乏全面性和系统性，且前人对于大型缓倾及煤层多层开采工况下采空区稳定性评价方法研究较少。因此，本文结合中阳县过境公路改线工程地质勘察研究结果，针对该类采空区稳定性影响因素进行综合分析，通过数值模拟与层次分析法等方法，找出影响采空区稳定性的主要因素，并以此为依据探寻一种采空区稳定性评价的新思路、新方法。

1 工程概况

国道209中阳县过境公路改线工程位于山西省吕梁市中阳县境内，改线路线全长为27.9 km。区域内主要不良地质为煤层采空区。拟建路线经过多处采空区，采空区埋深为80～350 m，煤层厚度0.6～6.4 m不等，项目共涉及5个大型煤矿矿区。根据前期工程地质调绘，区域内多处采空区地表变形严重。为了更好地掌握采空区对本工程的影响，陕西铁道工程勘察有限公司对煤层采空区的影响因素及稳定性分析开展了专题研究，并按照规范要求，对采空区进行了长期地表沉降及水平位移观测。

2 FLAC 3D数值模拟

2.1 研究思路与模型建立

影响采空区稳定的因素很多，包括地质因素和非地质因素（采矿因素）。地质因素包括采空区的煤层埋藏条件、地质构造、地形地貌、覆岩物理力学性质和水文地质条件、构造应力等；非地质因素包括采空区的厚度、采煤方法和顶板管理方法、重复采动、回采率、充水情况及开采时间等。不同的条件下，各因素的重要性不尽相同，分析的首要任务是找出影响稳定性的主要因素。

本次研究首先参考了相关文献成果[9-14]，初步确定出该类采空区稳定性影响因素，并采用FLAC 3D有限差分软件对采空区的稳定性进行数值模拟。由于影响因素众多，若把所有因素考虑在内，将使模拟过程变得极其繁琐，因此，结合实践经验，本次数值模拟主要讨论开采厚度、深度、多层开采情况及岩层强度参数对采空区地表变形的影响，模拟结果可为最终确定影响因素权重提供参考依据。数值模拟选取的模型尺寸为450 m×300 m×400 m，开采厚度分别为1 m、3 m和6 m，开采深度分别为150 m、200 m和300 m，多层开采（沿深度方向分3层，开采尺寸为150 m×200 m），煤层缓倾（倾角为10°），并考虑岩层抗剪强度变化。具体模型如图1，各种因素组合工况包括45种，见表1。

图1 采空区数值模拟分组模型

表1 煤层开采工况分类表

2.2 模型边界条件与计算参数

（1）边界条件[15]：模型底部边界定为固定约束，取u=0，v=0，w=0（u、v、w分别为x、y、z方向位移）；模型左右边界定为单向约束，取u=0，v≠0，w≠0；模型前后边界定为单向约束，取u≠0，v=0，w≠0；模型上部边界定为自由边界。

（2）计算参数：参考研究区域的岩层与煤层的物理力学性质，选取摩尔库伦模型[16-17]作为本次模型计算的本构模型，具体参数见表2。

表2 岩土层力学参数表

2.3 地表位移监测点布置

模拟监测点主要布设在采空区地表位置，沿x方向，每间隔20 m 设置一个模拟监测点，模拟监测点布设简图见图2。

图2 模拟监测点布置位置简图（单位：m）

2.4 模拟过程及结果

通过本次建模及分析，得到了不同煤层埋藏深度（150 m、200 m 和300 m）、不同煤层开挖厚度（1 m、3 m和6 m）条件下的地表变形规律，具体数值模拟结果见图3—图5。

图3表明：开采深度相同、开采厚度不同时，相同位置处地表变形相差较小。最大竖向位移发生在采空区中部，向四周逐渐变小，通过竖向位移变化曲线可以确定采空区的影响范围；地表水平位移呈现四周向采空区中部变形的规律。开采厚度对地表变形影响较小，而开采深度影响较大。随开挖深度的增加，边界处的竖向位移增大，采空区中部位移反而减小，影响范围增大；地表水平位移逐渐减小，呈现两侧向中部变形的趋势。

图3 不同开采深度不同采厚情况下地表竖向位移、水平位移对比曲线

图4表明：随着开采层数的增加，地表变形明显增大。开采层数相同时，随着开采层间距的增加地表竖向位移增大，但水平位移变化不大。

为模拟上覆岩层抗剪强度变化对地表变形的影响，设定采空区上部为中等风化砂岩夹泥岩，其物理力学性质指标如下：密度2500 kg/m3、内摩擦角30°、抗拉强度1.5 MPa、弹性模量2500 MPa、泊松比0.27 MPa。岩层抗剪强度变化通过改变其黏聚力值来实现，编号1—3号（图中“岩1—岩3”）的岩层的黏聚力值分别设定为2000 kPa、1900 kPa和1800 kPa。数值模拟结果见图5。

图4 多层开采情况下地表竖向位移、水平位移对比曲线

图5 黏聚力不同、开采厚度不同情况下地表竖向位移、水平位移对比曲线

图5表明：随着采空区上覆岩层黏聚力值的减小，地表变形增大趋势明显，上覆岩层的抗剪强度值对地表变形影响较大。

综上，采空区埋藏深度、煤层开采层数及上覆岩层抗剪强度值对该类采空区地表变形影响较大，开采厚度（一定值范围内）影响相对较小。

3 确定采空区稳定性影响因素权重

为了更加全面、系统地分析各影响因素对采空区稳定性的影响大小，定量确定其影响程度权重，可以通过层次分析法（AHP）[18-19]进一步来实现。首先把影响采空区稳定性的因素按层次分析法进行分类，并建立相应层次结构，见图6。

图6 采空区稳定性评价指标层次结构图

结合已有采空区稳定性分析经验及文献成果，通过两两比较的方式初步确定层次分析法中各影响因素的重要性并对其赋初始值、构造判断矩阵。对某些主要的影响因素，可通过前文数值模拟的方法进行分析，验证判断矩阵赋值的合理性，必要时对其赋值进一步修正，并最终构造出采空区影响因素判断矩阵U、U1、U2，对矩阵进行计算得出各影响因素的权重值，计算结果见表3。

表3 采空区稳定性影响因素影响程度权重表

由影响程度权重表可知，影响大型缓倾煤层深埋采空区稳定性的前三位因素分别为埋藏深度、开采层数及岩层抗剪强度指标，其所占权重分别为0.1895、0.1463 及0.1158，合计权重值达0.45。

4 综合评分法定性评价稳定性

为快速、全面评价采空区稳定性，本次研究结合多项采空区案例分析，通过多年经验及文献资料，初步确定评分标准，然后通过规范评定法、数值模拟法、模糊数学法等方法对其结果进行验证，以确定其合理性，对于不合理的评分标准的参数重新分析赋值，最终制定出采空区稳定性影响因子评分标准。评分标准见表4。

对照影响因子评分表并结合工程实际，确定各因子得分Di，并结合其影响权重，按如下公式计算采空区稳定性总得分P。

计算出总得分P后，即可根据评价标准对采空区的稳定性状态作出综合评价，其评价标准为：P＞80分——稳定；60＜P＜80分——基本稳定；P＜60分——不稳定。

5 工程实例应用

采用综合评分法，对国道209中阳县过境公路改线工程中所涉及的5个大型煤矿采空区的稳定性进行评价，其稳定性综合评价结果见表5。

通过勘察期间实地调查，结合现行规范推荐的稳定性评价方法—地表移动变形观测法对上述各大煤矿进行长达6～7 个月沉降观测及水平位移观测，评价得出的结论与上述综合评价方法得出的结论相符，地表移动观测评价结果见表6。

表4 采空区稳定性影响因子评分表

表5 各煤矿稳定性评价总得分及综合评价结果汇总表

表6 各煤矿地表移动观测评价结果汇总表

6 结语

本文针对大型缓倾深埋及煤层多层开采工况下采空区（采空区埋深为80～350 m，煤层厚度0.6～6.4 m不等）稳定性评价问题开展了研究，并将研究成果成功应用于山西中阳县县多家煤矿的稳定性评价中，主要结论如下：

（1）通过FLAC 3D 软件对采空区进行模拟计算，确定了埋藏深度、煤层开采层数及上覆岩层抗剪强度值对该类采空区地表变形影响较大。

（2）通过层次分析法对采空区各因素进行权重计算并排序，确定了影响采空区稳定性各因素的影响权重的大小。

（3）制定了该类采空区稳定性评价评分表，结合层次分析法得到的影响因素权重排序结果对山西中阳县多家煤矿的稳定性进行了评价，评价结果与实际地表移动变形观测评价结果一致。

本文提出的用定量的计算方法进行定性评价，能够较全面、系统地反应各影响因素对采空区稳定性影响程度的大小，避免片面、单一地选用其中一两个因素进行评价而导致评价结果失真，这对类似采空区稳定性评价具有重要借鉴参考意义。鉴于采空区稳定性评价的复杂性，且实践案例不多，仍需要后续通过较多案例分析优化评分标准。