唐鶴鳴

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

采空區(qū)穩(wěn)定性問題一直是一個非常重要的工程問題。煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法研究已很多，也取得了一定的經(jīng)驗。以《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[1-2]為代表的現(xiàn)行規(guī)范，推薦采用開采條件判別法、地表移動變形判別法等方法對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評價；《工程地質(zhì)手冊》[3]建議借助安全距離、臨界深度來判定場地穩(wěn)定性；《采空區(qū)工程地質(zhì)勘察設(shè)計實用手冊》[4]則是從采深采厚比、地表傾斜及變形程度等因素定性判別采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)；辛亞軍等[5]從不同煤柱尺寸的留設(shè)與巷道圍巖裂隙、巖層移動特征入手，分析巷道圍巖應(yīng)力、支架應(yīng)力的分布規(guī)律，確定巷道圍巖初始擾動與臨界失穩(wěn)的煤柱尺寸；曾冠華[6]基于數(shù)值模擬，得到了自重應(yīng)力作用下煤層頂板、地表及安全煤柱的應(yīng)力應(yīng)變和塑性區(qū)變化規(guī)律；王玉濤等[7]從采空區(qū)頂板、煤柱、底板、地表殘余變形等方面對小煤窯采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法進(jìn)行了討論，提出了穩(wěn)定性評價判據(jù)。

實際工程中，影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素很多，采空區(qū)穩(wěn)定性問題是一個由多種因素共同作用的復(fù)雜問題，采空區(qū)穩(wěn)定性受到地質(zhì)、采礦條件的綜合影響，各因素具有動態(tài)性、復(fù)雜性、模糊性、不確定性和隨機(jī)性等特征[8]。綜合看來，對于采空區(qū)穩(wěn)定性的評價，規(guī)范及文獻(xiàn)多是對其中一個或個別因素進(jìn)行評價，評價過程缺乏全面性和系統(tǒng)性，且前人對于大型緩傾及煤層多層開采工況下采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法研究較少。因此，本文結(jié)合中陽縣過境公路改線工程地質(zhì)勘察研究結(jié)果，針對該類采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行綜合分析，通過數(shù)值模擬與層次分析法等方法，找出影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素，并以此為依據(jù)探尋一種采空區(qū)穩(wěn)定性評價的新思路、新方法。

1 工程概況

國道209中陽縣過境公路改線工程位于山西省呂梁市中陽縣境內(nèi)，改線路線全長為27.9 km。區(qū)域內(nèi)主要不良地質(zhì)為煤層采空區(qū)。擬建路線經(jīng)過多處采空區(qū)，采空區(qū)埋深為80～350 m，煤層厚度0.6～6.4 m不等，項目共涉及5個大型煤礦礦區(qū)。根據(jù)前期工程地質(zhì)調(diào)繪，區(qū)域內(nèi)多處采空區(qū)地表變形嚴(yán)重。為了更好地掌握采空區(qū)對本工程的影響，陜西鐵道工程勘察有限公司對煤層采空區(qū)的影響因素及穩(wěn)定性分析開展了專題研究，并按照規(guī)范要求，對采空區(qū)進(jìn)行了長期地表沉降及水平位移觀測。

2 FLAC 3D數(shù)值模擬

2.1 研究思路與模型建立

影響采空區(qū)穩(wěn)定的因素很多，包括地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素（采礦因素）。地質(zhì)因素包括采空區(qū)的煤層埋藏條件、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、覆巖物理力學(xué)性質(zhì)和水文地質(zhì)條件、構(gòu)造應(yīng)力等；非地質(zhì)因素包括采空區(qū)的厚度、采煤方法和頂板管理方法、重復(fù)采動、回采率、充水情況及開采時間等。不同的條件下，各因素的重要性不盡相同，分析的首要任務(wù)是找出影響穩(wěn)定性的主要因素。

本次研究首先參考了相關(guān)文獻(xiàn)成果[9-14]，初步確定出該類采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素，并采用FLAC 3D有限差分軟件對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。由于影響因素眾多，若把所有因素考慮在內(nèi)，將使模擬過程變得極其繁瑣，因此，結(jié)合實踐經(jīng)驗，本次數(shù)值模擬主要討論開采厚度、深度、多層開采情況及巖層強(qiáng)度參數(shù)對采空區(qū)地表變形的影響，模擬結(jié)果可為最終確定影響因素權(quán)重提供參考依據(jù)。數(shù)值模擬選取的模型尺寸為450 m×300 m×400 m，開采厚度分別為1 m、3 m和6 m，開采深度分別為150 m、200 m和300 m，多層開采（沿深度方向分3層，開采尺寸為150 m×200 m），煤層緩傾（傾角為10°），并考慮巖層抗剪強(qiáng)度變化。具體模型如圖1，各種因素組合工況包括45種，見表1。

圖1 采空區(qū)數(shù)值模擬分組模型

表1 煤層開采工況分類表

2.2 模型邊界條件與計算參數(shù)

（1）邊界條件[15]：模型底部邊界定為固定約束，取u=0，v=0，w=0（u、v、w分別為x、y、z方向位移）；模型左右邊界定為單向約束，取u=0，v≠0，w≠0；模型前后邊界定為單向約束，取u≠0，v=0，w≠0；模型上部邊界定為自由邊界。

（2）計算參數(shù)：參考研究區(qū)域的巖層與煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，選取摩爾庫倫模型[16-17]作為本次模型計算的本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表2。

表2 巖土層力學(xué)參數(shù)表

2.3 地表位移監(jiān)測點(diǎn)布置

模擬監(jiān)測點(diǎn)主要布設(shè)在采空區(qū)地表位置，沿x方向，每間隔20 m 設(shè)置一個模擬監(jiān)測點(diǎn)，模擬監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)簡圖見圖2。

圖2 模擬監(jiān)測點(diǎn)布置位置簡圖（單位：m）

2.4 模擬過程及結(jié)果

通過本次建模及分析，得到了不同煤層埋藏深度（150 m、200 m 和300 m）、不同煤層開挖厚度（1 m、3 m和6 m）條件下的地表變形規(guī)律，具體數(shù)值模擬結(jié)果見圖3—圖5。

圖3表明：開采深度相同、開采厚度不同時，相同位置處地表變形相差較小。最大豎向位移發(fā)生在采空區(qū)中部，向四周逐漸變小，通過豎向位移變化曲線可以確定采空區(qū)的影響范圍；地表水平位移呈現(xiàn)四周向采空區(qū)中部變形的規(guī)律。開采厚度對地表變形影響較小，而開采深度影響較大。隨開挖深度的增加，邊界處的豎向位移增大，采空區(qū)中部位移反而減小，影響范圍增大；地表水平位移逐漸減小，呈現(xiàn)兩側(cè)向中部變形的趨勢。

圖3 不同開采深度不同采厚情況下地表豎向位移、水平位移對比曲線

圖4表明：隨著開采層數(shù)的增加，地表變形明顯增大。開采層數(shù)相同時，隨著開采層間距的增加地表豎向位移增大，但水平位移變化不大。

為模擬上覆巖層抗剪強(qiáng)度變化對地表變形的影響，設(shè)定采空區(qū)上部為中等風(fēng)化砂巖夾泥巖，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下：密度2500 kg/m3、內(nèi)摩擦角30°、抗拉強(qiáng)度1.5 MPa、彈性模量2500 MPa、泊松比0.27 MPa。巖層抗剪強(qiáng)度變化通過改變其黏聚力值來實現(xiàn)，編號1—3號（圖中“巖1—巖3”）的巖層的黏聚力值分別設(shè)定為2000 kPa、1900 kPa和1800 kPa。數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

圖4 多層開采情況下地表豎向位移、水平位移對比曲線

圖5 黏聚力不同、開采厚度不同情況下地表豎向位移、水平位移對比曲線

圖5表明：隨著采空區(qū)上覆巖層黏聚力值的減小，地表變形增大趨勢明顯，上覆巖層的抗剪強(qiáng)度值對地表變形影響較大。

綜上，采空區(qū)埋藏深度、煤層開采層數(shù)及上覆巖層抗剪強(qiáng)度值對該類采空區(qū)地表變形影響較大，開采厚度（一定值范圍內(nèi)）影響相對較小。

3 確定采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素權(quán)重

為了更加全面、系統(tǒng)地分析各影響因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響大小，定量確定其影響程度權(quán)重，可以通過層次分析法（AHP）[18-19]進(jìn)一步來實現(xiàn)。首先把影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素按層次分析法進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)層次結(jié)構(gòu)，見圖6。

圖6 采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合已有采空區(qū)穩(wěn)定性分析經(jīng)驗及文獻(xiàn)成果，通過兩兩比較的方式初步確定層次分析法中各影響因素的重要性并對其賦初始值、構(gòu)造判斷矩陣。對某些主要的影響因素，可通過前文數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，驗證判斷矩陣賦值的合理性，必要時對其賦值進(jìn)一步修正，并最終構(gòu)造出采空區(qū)影響因素判斷矩陣U、U1、U2，對矩陣進(jìn)行計算得出各影響因素的權(quán)重值，計算結(jié)果見表3。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素影響程度權(quán)重表

由影響程度權(quán)重表可知，影響大型緩傾煤層深埋采空區(qū)穩(wěn)定性的前三位因素分別為埋藏深度、開采層數(shù)及巖層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其所占權(quán)重分別為0.1895、0.1463 及0.1158，合計權(quán)重值達(dá)0.45。

4 綜合評分法定性評價穩(wěn)定性

為快速、全面評價采空區(qū)穩(wěn)定性，本次研究結(jié)合多項采空區(qū)案例分析，通過多年經(jīng)驗及文獻(xiàn)資料，初步確定評分標(biāo)準(zhǔn)，然后通過規(guī)范評定法、數(shù)值模擬法、模糊數(shù)學(xué)法等方法對其結(jié)果進(jìn)行驗證，以確定其合理性，對于不合理的評分標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)重新分析賦值，最終制定出采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子評分標(biāo)準(zhǔn)。評分標(biāo)準(zhǔn)見表4。

對照影響因子評分表并結(jié)合工程實際，確定各因子得分Di，并結(jié)合其影響權(quán)重，按如下公式計算采空區(qū)穩(wěn)定性總得分P。

計算出總得分P后，即可根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對采空區(qū)的穩(wěn)定性狀態(tài)作出綜合評價，其評價標(biāo)準(zhǔn)為：P＞80分——穩(wěn)定；60＜P＜80分——基本穩(wěn)定；P＜60分——不穩(wěn)定。

5 工程實例應(yīng)用

采用綜合評分法，對國道209中陽縣過境公路改線工程中所涉及的5個大型煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，其穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果見表5。

通過勘察期間實地調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范推薦的穩(wěn)定性評價方法—地表移動變形觀測法對上述各大煤礦進(jìn)行長達(dá)6～7 個月沉降觀測及水平位移觀測，評價得出的結(jié)論與上述綜合評價方法得出的結(jié)論相符，地表移動觀測評價結(jié)果見表6。

表4 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子評分表

表5 各煤礦穩(wěn)定性評價總得分及綜合評價結(jié)果匯總表

表6 各煤礦地表移動觀測評價結(jié)果匯總表

6 結(jié)語

本文針對大型緩傾深埋及煤層多層開采工況下采空區(qū)（采空區(qū)埋深為80～350 m，煤層厚度0.6～6.4 m不等）穩(wěn)定性評價問題開展了研究，并將研究成果成功應(yīng)用于山西中陽縣縣多家煤礦的穩(wěn)定性評價中，主要結(jié)論如下：

（1）通過FLAC 3D 軟件對采空區(qū)進(jìn)行模擬計算，確定了埋藏深度、煤層開采層數(shù)及上覆巖層抗剪強(qiáng)度值對該類采空區(qū)地表變形影響較大。

（2）通過層次分析法對采空區(qū)各因素進(jìn)行權(quán)重計算并排序，確定了影響采空區(qū)穩(wěn)定性各因素的影響權(quán)重的大小。

（3）制定了該類采空區(qū)穩(wěn)定性評價評分表，結(jié)合層次分析法得到的影響因素權(quán)重排序結(jié)果對山西中陽縣多家煤礦的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，評價結(jié)果與實際地表移動變形觀測評價結(jié)果一致。

本文提出的用定量的計算方法進(jìn)行定性評價，能夠較全面、系統(tǒng)地反應(yīng)各影響因素對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度的大小，避免片面、單一地選用其中一兩個因素進(jìn)行評價而導(dǎo)致評價結(jié)果失真，這對類似采空區(qū)穩(wěn)定性評價具有重要借鑒參考意義。鑒于采空區(qū)穩(wěn)定性評價的復(fù)雜性，且實踐案例不多，仍需要后續(xù)通過較多案例分析優(yōu)化評分標(biāo)準(zhǔn)。