露天煤礦巷柱式地下采空區安全頂板厚度估算方法研究

王志鵬

(應急管理部信息研究院，北京 100029)

目前，國內的山西平朔東露天礦、安家嶺露天礦和平莊元寶山露天礦都是受到采空影響較大的露天煤礦，雖然這些采空區形態、大小等條件各有差異，但仍然存在著一些共同點：①露天礦境界內發現的采空區大部分為巷柱式采空區。由于早期開采條件有限，發現的大部分為巷柱式采空區，大小形態各不相同，層位較為復雜，空腔跨度較小且受隔離煤柱支承，上覆巖體多數尚沒有塌落；②采空區的位置相關信息缺失。由于形成時間較早，或因越界盜采所致，大部分設計與開采資料不全或丟失，無法準確掌握采空區的位置或邊界。在這類采空區上部進行露天剝采作業，極有可能導致上覆巖體突然垮塌，作業設備傾覆或陷落于塌陷區，從而引發人身傷亡或財產損失等事故。

對于開采境界范圍內存在采空區的露天礦，首先需要研究計算出保證設備和人員安全作業所需的極限安全頂板厚度，在采剝作業延深到安全厚度之前探明采空區的空間分布參數，在到達極限厚度時采用爆破崩落等方法對采空區進行治理，從而保證現場人員與設備能夠安全生產[3-8]。因此，深入研究露天煤礦巷柱式地下采空區的變形失穩機理，全面考慮影響露天煤礦地下采空區頂板穩定的主要因素，提出有針對性的采空區安全頂板厚度確定方法，對于優化采空區治理時間、避免采空區塌陷事故的發生、確保露天煤礦安全生產具有重要的現實意義。

1 地質條件與采礦條件

元寶山露天煤礦位于內蒙古自治區赤峰市，核定生產能力8Mt/a，5號煤和6號煤為該露天煤礦主采煤層，且周邊共分布有3處井工礦。元寶山露天煤礦工作幫地層自下而上主要為白堊系下統九佛堂組、白堊系下統阜新組含煤地層、白堊系下統孫家灣組、第三系上新統地層和第四系地層。白堊系阜新組含煤地層傾角平均為8°，厚度為250～470m，傾向東北，以泥巖、碳質泥巖、砂巖、煤為主，砂巖多為砂泥質膠結、遇水易崩解，巖體堅硬程度為較軟巖或軟巖，完整程度為較破碎或破碎。根據調查與探測結果表明，在該露天礦境界內6號煤層位置存在約1.49km2的地下采空區，這些采空區形成方式多樣，其中巷柱式采空區面積約為0.2km2，平面分布呈“梳子”狀，埋深約為80～120m，形成時采空區高度約為6-10m，最大跨度約為10m，目前這些采空區尚未完全垮落。元寶山露天煤礦采用連續與半連續相結合的綜合開采工藝，露天煤礦表土剝離采用輪斗挖掘機進行剝采作業。輪斗挖掘機體型龐大、結構復雜，重量約為2475t，高度約為30m，正常工作時的最大允許傾斜角度約為3°，若在作業過程中遇到采空區塌陷，將會導致設備報廢，產生極大的經濟影響。其次，隨著剝采水平的不斷延深，采空區上覆巖體厚度逐漸較小，隨時可能導致其它采礦設備的傾覆，生產安全受到嚴重威脅。

2 采空區頂板穩定性主要影響因素分析

采空區上覆巖土體塌陷冒落主要原因是由于地下礦層被采空(或者由于水的作用而被侵蝕)，上覆巖層應力平衡狀態被打破，當應力集中超過巖土體承受力時，應力獲得釋放，并逐步發展到地表。采空區頂板穩定性影響因素的研究對于保證抓住主要因素，兼顧次要因素，做到科學合理、切合實際的優化和選擇采空區安全頂板厚度計算方法具有重要的意義。實踐表明，影響露天煤礦采空區上覆巖體穩定性的因素主要有地質條件及巖體力學性質、采空區形成原因及形態參數、露天采礦活動三大類[9-11]，其中地質條件及巖體力學性質包括巖體結構、巖體質量、水文地質條件、巖體物理力學性質和地質構造情況(褶皺、斷裂等)等；采空區成因及形態參數包括礦體傾角、采空區區域規模、采礦方法、采空區形態、空間尺寸參數等；露天采礦活動包括爆破震動、運輸荷載以及設備對地比壓等。

結合元寶山露天煤礦實際情況，巖體結構和質量、采礦方法、采空區形態和規模、空間尺寸參數、爆破震動及設備對地比壓等為影響采空區頂板穩定的主要因素，露天礦采空區上覆巖體穩定性影響因素如圖1所示。

圖1 露天礦采空區上覆巖體穩定性影響因素

3 采空區安全頂板厚度估算方法的比選與確定

3.1 常用采空區安全頂板厚度估算方法對比分析

目前，國內外常用的巷柱式采空區安全頂板厚度估算方法主要有自行堵塞理論估算法、厚跨比法、普氏拱理論、荷載傳遞交匯線法、結構力學板梁理論以及空場長寬比法等[12-17]。

3.1.1 自行堵塞估算法

自行堵塞估算法認為采空區上覆巖體(頂板)在自重及外力作用下，裂隙切割呈塊狀、碎塊狀，頂板塌落后體積松脹，當塌落向上發展到一定高度，空腔體可被碎脹物自行堵塞。由于只考慮塌落前空洞體的高度和巖體的碎脹系數，未考慮巖體結構、力學性質以及露天采礦活動的影響，所以該方法僅適用于巷柱式采空區頂板危險性和安全厚度的初步分析。

3.1.2 厚跨比法

厚跨比法根據采空區近似的水平投影跨度和頂部最薄處厚度，求出厚跨比，作為安全厚度評價依據。當厚跨比≥0.5時，認為采空區頂板安全。由于該方法只考慮采空區跨度和采空區頂板厚度，未考慮巖體結構、巖性構成、巖體力學性質以及露天采礦活動的影響。所以，用此方法確定的安全頂板厚度與采空區的位置、幾何形狀等因素無關，不能反應露天礦現場實際情況，同樣只適用于采空區頂板穩定性的初步分析。

3.1.3 荷載傳遞交匯線法

荷載傳遞交匯線法是在采空區地質剖面上從基礎邊緣，按應力擴散角向下作應力傳遞線，當空洞體位于該線所確定的應力擴散范圍之外時，可認為空洞體不會危及基礎的穩定。假定載荷由頂板中心按與豎直線成β擴散角向下傳遞，此傳遞線位于頂板與空洞側幫的交點以外時，即認為空洞側幫直接支承頂板上的外載荷與巖石自重，頂板是安全的。由于用此方法確定的安全頂板厚度僅與應力擴散角向有關，不能滿足現場安全生產的要求，只能用于采空區頂板安全厚度的初步確定。

3.1.4 普氏拱理論估算法

普氏拱理論又稱破裂拱理論，它根據普氏地壓理論，認為在巷道或采空區形成后，其頂板將形成拋物線形的拱帶，空區上部巖體重量由拱承擔。該方法基本前提是采空區上方的巖石能夠形成自然拱，這就要求采空區上方有足夠的厚度且有相當穩定的巖體，以承受巖體自重和其上的荷載。雖然考慮了頂板巖性、采空區形態，但沒有考慮露天煤礦爆破震動、運輸荷載以及設備對地比壓等，使該方法的實用性受到限制。

3.1.5 結構力學梁理論計算法

結構力學梁理論計算法假定采空區頂板巖體是一個兩端固定的平板梁結構，上部巖體自重及其附加載荷作為上覆巖層載荷，按梁板受彎考慮，以巖層的抗拉強度作為控制指標。該方法物理意義明確，考慮了除爆破震動外所有的因素，可以用于無爆破震動或爆破震動對巖體強度影響程度較小時的采空區安全頂板厚度確定。

3.1.6 空場長寬比法

空場長寬比法是基于采空區長度與跨度的比值簡化空區頂板形態、建立工程力學模型，分析在各因素影響下維持采空區頂板穩定的最小安全厚度的方法。一般適用于計算大型露天礦工作面與采空區之間礦石及圍巖較穩固，且主要依靠圍巖自身的穩固性或少量的礦柱來支撐采空區上覆工作面作業的最小安全厚度。特別是適用于具有采空區頂板巖性、爆破震動、運輸荷載以及露天采礦設備對地比壓等其他影響因素的安全厚度計算，因此從理論上講空場長寬比法能夠滿足露天礦巷柱式地下采空區安全頂板厚度分析計算的需要。

綜上所述，自行堵塞理論估算法、厚跨比法、普氏拱理論和荷載傳遞交匯線法由于考慮因素不夠全面，不能全面反映影響露天煤礦采空區上覆巖體穩定性因素對采空區頂板穩定性的影響，因此只能用于露天煤礦采空區安全頂板厚度的初步估算和分析。結構力學梁理論計算法可以用于無爆破震動或爆破震動對巖體強度影響程度較小時的采空區安全頂板厚度確定?？請鲩L寬比法比較全面的考慮了影響采空區頂板穩定性的主要因素，能夠滿足露天礦對采空區安全頂板厚度分析計算的需要。元寶山露天煤礦深部巖層的剝采工作需要穿孔和爆破，因此必須考慮爆破震動對采空區頂板穩定性的影響，綜合分析認為空場長寬比法可以作為元寶山露天煤礦巷柱式采空區頂板穩定性的估算方法。

3.2 元寶山露天煤礦采空區安全頂板厚度的確定

空場長寬比法認為[18-20]，當采空區長度與跨度之比B/L>2時，假定空區頂板至露天工作平盤間為一塊嵌固梁板，受均衡連續載荷作用，其最小安全厚度H0為：

當采空區長度與跨度之比B/L≤2時，假定采空區頂板為一個整體結構，其最小安全厚度H0為：

式中，B為采空區長度，m；L為采空區跨度，m；γ為上覆巖體加權平均容重，kN/m3；P1為上部臺階爆破產生的動載荷，kPa；P為設備滿載并考慮沖擊作用下的對地壓力值(設備附件載荷)，kN/m2；σx為空洞上覆巖體的許用拉應力，kN/m2；σ拉為頂板巖石極限抗拉強度，kN/m2；n為安全系數，取2～3；kc為巖體結構削弱系數，取7～10；Zn為鉆孔超深，m；kvi為該設備的動載系數，一般取2.0～2.5，最壞情況下不超過2.5；pi為該設備滿載時的對地壓力值，kN/m2；Kj為爆堆沉降系數，取0.1；Kn為爆破鉆孔超鉆系數，取1.1；Kp為爆破后巖石松散系數，取1.3；Kg為載重沖擊系數，取2.0。

元寶山露天煤礦地下采空區位于6#煤層內部，6#煤層上覆巖土體加權平均容重為21.5kN/m3，頂板巖石加權極限抗拉強度為0.25MPa，取安全系數n為2.5，取巖體結構削弱系數kc為8.5，則上覆巖體的許用拉應力σx為11.76kPa，輪斗挖掘機、電鏟(10m3)、電鏟(12m3)、電鏟(15m3)和鉆機在考慮沖擊作用下的對地壓力值P分別為0.24MPa、0.53MPa、0.41MPa、0.48MPa和0.24MPa。調查結果表明，一般情況下研究區域內巷柱式采空區長度與跨度之比B/L>2，假設采空區長度為40m，跨度為2～20m。

當輪斗挖掘機在采空區上部作業時，將各參數代入空場長寬比法計算公式，得到采空區安全頂板厚度計算見表1。采用空場長寬比法確定的不同跨度條件下采空區安全頂板厚度變化曲線如圖2所示。

表1 輪斗挖掘機作業時安全頂板厚度計算表(B/L>2)

圖2 輪斗挖掘機作業時不同跨度條件下采空區安全頂板厚度變化曲線

同理，可以計算并繪制出電鏟(10m3)、電鏟(12m3)、電鏟(15m3)和鉆機在同等條件下的采空區安全頂板厚度變化曲線。從圖2中可知，安全頂板厚度隨著采空區跨度的增大而增大，當跨度大于7m后，安全頂板厚度值劇增，計算結果的可靠性和適用性明顯降低，實際生產中建議采用以上計算方法時的采空區跨度不大于7m。也即該方法適用于長度不大于14m、跨度不大于7m且長度與跨度之比B/L>2的采空區安全頂板厚度計算分析。調查表明，元寶山露天煤礦未坍塌的巷柱式采空區尺寸在上述應用條件之內，即該方法滿足現場生產需要?；诳請鲩L寬比法繪制出元寶山露天煤礦主要采礦設備在不同采空區跨度條件下的安全頂板厚度取值曲線如圖3所示，空場長寬比法計算不同跨度條件下的采空區安全頂板厚度值見表2。

表2 空場長寬比法計算不同跨度條件下的采空區安全頂板厚度值

圖3 元寶山露天煤礦主要采礦設備不同采空區跨度條件下的安全頂板厚度取值曲線

根據分析計算所得的采空區安全頂板厚度值，結合現場勘查，可以確定目前在使用輪斗挖掘機及其他主要采礦設備時，在+460m臺階采用露天作業是安全的，且事實證明，按照計算的安全頂板厚度組織露天開采作業，目前沒有出現安全問題。

4 結 論

1)基于元寶山露天煤礦地質條件與采礦條件，分析了影響工作幫巷柱式采空區頂板穩定性的影響因素，分析認為，巖體結構和質量、采礦方法、采空區形態和規模、空間尺寸參數、爆破震動及設備對地比壓等為影響采空區頂板穩定的主要因素。

2)以元寶山露天礦生產實際為背景，對比分析了常用巷柱式采空區安全頂板厚度估算方法的優點和不足，認為空場長寬比法可以作為元寶山露天煤礦巷柱式采空區安全頂板厚度的估算方法，該方法適用于長度不大于14.0m、跨度不大于7.0m且長度與跨度之比B/L>2的采空區安全頂板厚度計算分析，基于該方法繪制出了元寶山露天煤礦主要采礦設備在不同采空區跨度條件下的安全頂板厚度取值曲線，采用空場長寬比法計算不同跨度條件下的采空區安全頂板厚度值。