房柱式采空区遗留煤柱稳定性综合评价研究

刘义新

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

房柱式采煤法无论是作为一种常规的柱式体系采煤法，还是作为岩层及地表沉陷控制的部分开采方法之一，在国内外均得到广泛应用［1－5］，尤其是在开采边角煤、不规则块段、“三下”压煤等条件下取得了较好的经济和社会效益。房柱式采煤法在采空区内遗留有大量支撑煤柱，这些煤柱对采场上覆岩层直至地表的运动起到至关重要的作用，但煤柱一旦失稳，将失去对覆岩的支撑，易导致采空区及地表的大面积突然垮塌甚至引发矿震，非但起不到保护地面和井下受护对象的作用，而且还损失了宝贵的煤炭资源，给煤矿安全生产带来重大隐患，困扰着企业和地区的可持续发展。因此，对房柱式采空区遗留煤柱的稳定进行评价是非常必要的。

目前房柱式采空区内煤柱稳定性评价方法尚无统一的标准，主要有经验公式法、现场实测、数值模拟法及刚度理论法等［3－8］，采用单一的评价方法较难满足实际应用，应采用多种方法相结合的综合评价法。本文采用初评定性与后评定量评价相结合的综合评价法对房柱式采空区遗留煤柱稳定性进行评价，并结合实例进行应用。评价结果可为采空区的有效治理，房柱式采空区上能否新建建(构)筑物等提供理论依据和工程指导。

1 采空区遗留煤柱稳定性定性评价

煤柱稳定性取决于地质和采矿因素的综合影响，这些影响因素涉及到诸多方面［3，9－10］，一类是很难或不可能改变的不可控因素，如地质构造、煤柱及顶底板本身的属性等;另一类为可通过人为改变的可控因素，如采煤方法、顶板管理方式、煤柱的宽高比、煤柱面积比率及煤柱的形状等。已有的开采实践表明，采空区煤柱稳定性主要与煤柱的宽高比和煤柱面积比率有关。因此，在实际工程应用中，可优先采用煤柱的宽高比和煤柱面积比率这2个定性指标来初步评价煤柱的稳定性。

1.1 煤柱宽高比

煤柱的宽高比对煤柱的稳定性有重要影响。大量的实验室试验和现场研究表明，在其他条件相同时，煤柱的稳定性随宽高比的增加而增加。对瘦高煤柱而言(宽高比＜3～4)，煤柱极不稳定，极易发生顶板大面积的突然冒落，并伴随强烈的冲击，若采深较小，则地表也会发生突然塌陷。当煤柱宽高比超过10 时，煤柱很难破坏，煤柱会长期稳定。从我国煤矿采用的条带开采的成功实例来看:垮落条带开采时煤柱宽高比最小应为3.2～3.6，通常应大于5;充填条带开采时煤柱宽高比应大于2。

1.2 煤柱面积比率

煤柱面积比率指保留煤柱面积占相应开采面积的比率，是衡量煤柱稳定性的重要标志。煤柱面积比率越大，煤柱的有效承载面积越大，煤柱稳定性越高，煤柱就不会被压垮，采空区就越稳定;反之，采空区稳定性就越差。已有的条带开采实践表明，当煤柱面积比率在30%以上时，地表缓慢下沉且下沉较小，说明遗留煤柱发挥着长期有效的支撑作用，即煤柱的稳定性好。通过分析大同矿区有关资料［11－12］，归纳出煤柱稳定性与煤柱面积比率及覆岩破坏、地表沉陷情况关系的参考条件:

(1)在开采厚煤层时，采空区内遗留煤柱面积比率为30%～35%以上;薄及中厚煤层时，当煤柱面积比率为25%～30%以上时，采空区内遗留煤柱的稳定性好，因而顶板和地表也是安全稳定的，甚至在开采3～4 个煤层以后，顶板未出现大面积冒落，地表未出现突然塌陷。

(2)当煤柱面积比率为20%～25%时，遗留煤柱的稳定性一般，地表一般只发生小裂缝。

(3)当煤柱面积比率小于20%时，遗留煤柱的稳定性较差，地表易发生大裂缝或突然塌陷。

在采用煤柱的宽高比、煤柱面积比率这两个指标来初评煤柱稳定性时，煤柱的宽高比优先于煤柱面积比率，因为煤柱的失稳往往是从某一个煤柱开始。一个煤柱的破坏诱发相邻煤柱相继破坏，接着迅速扩展到整个区域煤柱，造成多米诺骨牌效应，且整个煤柱失稳过程具有突然性和迅速性。大同矿务局发生的顶板大面积突然垮落表明:有的采空区留设的煤柱面积比率并不小，但由于某个煤柱宽高比小，稳定性很差，造成了地表突然塌陷。可见，煤柱稳定性定性初评指标中煤柱的宽高比应为前提条件。

2 采空区遗留煤柱稳定性定量评价法

煤柱稳定性经初评后，若煤柱的宽高比和煤柱面积比率这两个指标均达到要求后，仍需做进一步的定量评价，主要通过经验公式极限强度理论和逐步破坏理论相结合进行评价［13］。

2.1 极限强度理论

极限强度理论认为煤柱稳定性主要取决于煤柱应力和煤柱强度。当煤柱应力超过煤柱强度时，煤柱将失稳破坏，通常用安全系数来定量评定，煤柱稳定性安全系数(F)=煤柱强度(σp)/煤柱应力(Sp)，安全系数一般应在1.5～2.0 之间。

2.1.1 煤柱应力

由于煤柱内应力分布异常复杂，工程应用中常采用简单易行、应用广泛的辅助面积法进行计算。该法的实质是:仅考虑围岩的自重应力场，并认为采空区上方的覆岩重量全部转移到遗留煤柱上。煤柱应力计算公式为:

式中，r 为上覆岩层平均容重，kN/m3;H 为采深，m;W 为煤柱宽度，m;B 为煤房宽度，m;L 为煤柱长度，m。

2.1.2 煤柱强度

关于煤柱强度的确定，国内外进行了大量的研究，提出了10 余种煤柱强度计算公式［5］，目前应用广泛的是Bieniawski 公式，其计算公式如下:

式中，σ1为立方体煤柱的原位强度，MPa;h 为煤柱高度，m。

式(2)中σ1的计算公式为:

式中，σc为试验室圆柱体试样的平均单轴抗压强度，MPa;D 为试验室圆柱体试样的直径，m。在使用时当煤柱高度h 大于0.9m 时取0.9m。

2.2 逐步破坏理论

逐步破坏理论认为煤柱的破坏是从煤柱边缘向内部逐渐发展的，即在一定地质采矿条件下，煤柱必须具备相应的最小宽度，煤柱宽度留设不够，煤柱极易被压垮失稳导致顶板大面积垮落和地表突然塌陷。因此，为保持留设煤柱的长期稳定，留设煤柱宽度应包括塑性区和核区两部分，且煤柱应有一个稳定的核区存在，则煤柱保持稳定的最小宽度应满足:W＞2×0.00492hH+(1～2)m。

3 实例评价

陕西省榆林市作为第二大煤炭资源城市，经过几十年的开采，地下已经形成了量大面广、时间跨度长的采空区。据不完全统计，这些采空区大部分为地方煤矿和私营煤矿开采所致，采煤方法多为房柱式放炮采煤法，采深浅，采高大，开采尺寸大，留设煤柱小，且留设煤柱形状不规整，上覆岩层多为坚硬砂岩，地表赋存有厚黄土和风积沙。采空区内遗留大量煤柱，少部分已失稳垮塌，大部分尚未失稳。采空区内煤柱失稳已导致矿震频发、地表塌陷、地下水位下降、滑坡等地质灾害和环境问题。

为此，采用前文介绍的房柱式采空区煤柱稳定性综合评价方法对榆林市某地区部分煤矿采空区内遗留煤柱的稳定性进行评价，采空区遗留煤柱基本情况及其评价结果分别列于表1 和表2。

表1 房柱式采空区遗留煤柱基本情况

表2 采空区遗留煤柱稳定性综合评价结果

从表2 可看出:煤柱宽高比方面，各矿宽高比大部分比要求值小(＞3～4)，且绝大部分很小(≤2);煤柱面积比率方面，仅F 矿、G 矿和H 矿满足要求;煤柱安全系数方面，各矿值均比要求值小(＞1.5～2)，且绝大部分很小(＜1);煤柱最小宽度方面，仅G 矿和H 矿满足要求。根据前述的初评定性和后评定量的综合评价法，最终确定各矿采空区内遗留煤柱稳定性差。现场调查表明，这些遗留煤柱稳定性差的矿井均发生过不同程度的地表塌陷、裂缝及矿震等现象，可见评价结果与现场基本吻合。

4 结论与建议

(1)房柱式采空区内遗留的大量煤柱可从煤柱宽高比、煤柱面积比率、煤柱强度与载荷计算、煤柱保持稳定最小宽度等方面，采用初评定性与后评定量相结合的方法来评价。实例应用表明，该法简单易用，且评价结果与现场情况基本吻合。

(2)采空区内遗留大量煤柱对煤矿安全生产存在重大隐患。建议根据采空区内遗留煤柱稳定性评价结果，尤其是综合评价结果差的，尽快对采空区采取相应的治理措施，比如注浆等。

［1］徐永圻.煤矿开采学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2009.

［2］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［3］何国清，杨 伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994.

［4］PENG SYD S.Surface subsidence engineering ［M］.Littleton:Society for Mining，Metallurgy and Exploration，Inc.，1992.

［5］吴立新，王金庄，郭增长.煤柱设计与监测基础［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2000.

［6］刘克功，王家臣，徐金海.短壁机械化开采方法与煤柱稳定性研究［J］.中国矿业大学学报，2005，34 (1):24－29.

［7］付武斌，邓喀中，张立亚.房柱式采空区煤柱稳定性分析［J］.煤矿安全，2011，42 (1):136－139.

［8］李海清，向 龙，陈寿根.房柱式采空区受力分析及稳定性评价体系的建立［J］.煤矿安全，2011，42 (3):138－142.

［9］谢和平，段法兵，周宏伟，等.条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展［J］.中国矿业，1998，7 (5):37－40.

［10］郭文兵，邓喀中，邹友峰.条带开采的非线性理论研究及应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2005.

［11］戴华阳，李树志，侯敬宗.大同矿区岩层与地表移动规律分析［J］.矿山测量，1995 (2):16－21.

［12］煤炭科学研究院北京开采所，大同矿务局科学研究所.大同矿区顶板大面积冒落与地表突然塌陷规律调查［R］.北京，1983.

［13］郭广礼.老采空区上方建筑物地基变形机理及其控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001.