采空区边坡稳定性研究

孟君龙

（晋能控股集团有限公司煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

煤炭露天开采作为我国煤矿生产的主要开采方式，具有生产安全、工作环境好、自然环境影响小的特点，露天开采模式在符合相关条件下会被优先选择。在实际的生产过程中，由于环境与技术条件的改变会出现由矿井开采转化为露天开采的情况。开采模式的转变会使采场形成开采边坡，其设计的合理性与稳定性会直接影响露天矿开采的经济性与安全性。地下转露天开采模式边坡稳定性的影响因素众多，而开采范围内的采空区是影响边坡稳定性的重要影响因素。采空区会改变地下原岩的应力分布，在边坡开采时，应力得以释放，就可能造成滑坡、坍塌等重大生产事故，使企业的财产与人身安全蒙受巨大损失。因此，采空区边坡稳定性的研究对煤矿开采企业意义重大[1]。本文以某煤矿为例，运用数值模拟的方法对其稳定性进行分析，以期提高企业生产安全性，提升企业生产效率。

1 某煤矿概述

某煤矿中部较高，两侧较低，高差约为130 m，是典型的高原丘陵地貌，具有切割性强，沟谷多，植被稀少等特点。该煤矿所处地为干旱性大陆气候，光照强，温差大，冬季较长夏季较短，秋季高温多雨，春季少雨多风。周边水系为间歇性河流水系，旱季水量极少，但雨季水系流量大，时间短，易形成洪流，需集中排泄。其抗震烈度为6。经勘查发现，该煤矿共有3层煤层，具体为4-1、4-2、6-2 煤层。其中，4-1 煤层厚度较小，稳定性差，定义为不可开采区域。4-2 煤层厚度符合切较为稳定，定义为局部开采区域。6-2煤层厚度与稳定性均符合要求，定义为可开采区域。

对煤矿进行实际勘查后发现，该煤矿推进方向为南北向，4-2 煤层会首先暴露，但由于该煤矿厚度小，拟采用垮落的方法进行处理。经垮落处理后，边坡的土体较为疏松，随对其进行剥离处理即可。6-2厚度较大，也宜采用剥离的方法进行处理，但其稳定性较难保证，本文主要对6-2 煤层进行研究分析。采场与6-2 煤层位置关系示意图，如图1 所示。

图1 采场与6-2 煤层位置关系示意图

2 数值模拟分析

通过分析本文拟以6-2 煤层西侧为采空区边坡稳定性的主要研究对象，根据实际的煤矿勘查情况对边坡模型进行简单处理后，采空区剖面示意图，如图2 所示。

图2 采空区剖面示意图

2.1 采空区跨度影响分析

在该露天煤矿生产中，采空区的跨度为影响煤矿边坡稳定性的主要因素之一，本节将主要研究采空区跨度对稳定性的影响。通过实际测算可知，留煤柱的宽度与采空区跨度的比值为1∶20，将不同宽跨情况下的稳定性进行模拟分析，得出结果后对采空区顶板的中点进行位移测算，从而可得出当坡脚为空时，其跨度与稳定性之间的关系，并根据实际的影响因素提出相应的解决办法，提高采空区边坡的稳定性[2-3]。

采空区与留煤柱周边地层主要为粉砂岩，故将粉砂岩设定为主要研究对象。依据相关文献，边坡稳定性的普适性研究多采用单级模型，且台阶的级数与高度可作简化处理，不列为稳定性研究的主要研究对象，以此简化研究方法，提高研究效率。因此，将粉砂岩上方边坡看作为均布载荷，该载荷主要为上岩层的岩层重量，其计算公式为重度×岩土体积/面积，通过计算可知，均布载荷为647 kPa。粉砂岩的坡角大小为40。，将粉砂岩的两个台阶看作为一个，其高度数值相加为20 m。采空区边坡稳定性计算模型，如图3 所示。图中：

图3 空区边坡稳定性计算模型示意图

边坡设计帮坡角为40°；

H——边坡高度，m；

Hf——底板高度，m；

Hg——采空区高度，m；

Hi——采空区上方边坡高度，m；

B——宽度，m；

Bq——均布载荷宽度，m；

Bc——留煤柱宽度，m；

Bg——采空区宽度，m。

在上述计算模型中，H 的数值需等于Hf、Hg、Hi三者之和，Bc 与Bg 需成比例关系。通过上述计算模型进行数值模拟分析后可知，当留煤柱宽度与采空区宽度之比为1 时，其位移量较小为0.012 55 m，可以达到自稳要求，可以保持。但当其比例为1∶2 时，其最大位移量为1.8 m，超过了1.5 m，当比例增加为1∶3 时，其位移量更大为2.8 m，由此得出结论，当比例超过1∶2 时，位移量无法收敛，边坡已达到破坏状态，需对其进行有效的边坡稳定性治理。

2.2 采空区深度影响分析

通过上文研究可知，当留煤柱宽度与采空区宽度比值为1∶1 以上时，边坡稳定状态较差，处于破坏边缘。因此，取留煤柱宽度与采空区宽度比值为1:1，消除采空区的跨度影响因素，在代入不同的深度数值对采空区边坡稳定性进行研究分析。在采空区深度倍数为1、1.5、2、2.5、3 时，采空区边坡仍然可以保持稳定，具体位移量为0.012 8、0.034 21、0.044 88、0.045 01、0.044 89 m。其位移图，如图4 所示。

图4 采空区不同深度中部点位移图

3 采空区处理研究

采空区处理现阶段主要有崩落、填充和加固三种方法。加固法主要用于采空区上方需建设重要建筑物或者构筑物的实际情况，在铁路与公路建设中使用较为广泛，但因该方法施工成本大、所需技术要求高、施工周期长等特点无法广泛推广，只运用于个别行业建设[4]。崩落法为矿井开采处理最为常用的方法，该方法主要是使煤炭矿井顶板崩落，利用崩落岩石的大体积使矿井具有一定的支撑性。崩落法较为粗糙，易使上方建筑物造成塌陷，对上方环境破坏较大，因此，常用于上方无重要建筑物的偏远矿区。填充法是对采空区进行填充从而达到支撑作用的处理方法，填充材料一般有砂子、鹅卵石、煤灰等物质[5]。该方法要求低、周期短，合适的填充物也可以达到较好的经济效益，对环境保护较为友好。结合本文的研究，当采空区跨度与深度比例超过要求时，可采用填充法进行采空区处理，保证企业的安全高效生产。

4 结论

通过对某煤矿进行实际勘查与相应的露天开采边坡稳定性影响因素分析可得出如下结论：

1）留煤柱宽度与采空区跨度比应小于1∶2，当比值大于1∶2 时，露天开采边坡会发生失稳现象，易造成安全生产事故。

2）采空区深度小于3 时，露天开采边坡稳定性不受影响，稳定性较好。

3）某煤矿可实行填充法进行采空区处理，保证开采煤矿的边坡稳定性。