摘要：分析煤矿采空区的形成条件，对采空区进行定性及定量的稳定性评价，并提出防治方案和防治措施。
关键词：急倾斜煤层 采空区 稳定
一、概述
新疆维吾尔自治区煤炭资源丰富，全区预测煤炭资源总量为2.19万亿t，约占全国资源量的42%，而且赋存条件好，资源相对集中。煤矿的开采，每年将形成数百万立方米的采空区，除了露天开采外，绝大多数采空区，未进行有效的处理，有些矿山也为此付出了沉重的代价。
洪福煤矿位于新疆乌鲁木齐达坂城区。地层走向300°，倾向30°，倾角48°～53°，为一套河、湖、沼泽相的含煤碎屑岩沉积建造。主要岩性为灰—灰黄、灰绿色泥岩、粉砂岩、砂岩夹炭质泥岩、炭质页岩和煤层。开采煤层厚度6～7.45m，开采深度分别为134米～166米和166米～193米。
二、采空区的确定
在采空区勘查中，结合地面调查，需对煤矿的采空区进行了地球物理勘探，采用直流电法及瞬变电磁测深法对比解译，确定了地下采空区的存在。根据采空区的空间形态特点，以及煤矿各开采水平的安全煤柱的管理特点，将采空区分为三部分（如图1）。
三、采空区形成条件
1、地质条件
煤层赋存在中侏罗统西山窑组（J2x），该地层岩性组合为泥岩、页岩、粉砂质泥岩、粉砂岩夹煤层。含煤地层呈单斜产出，岩层倾向20~30°、倾角52°，属于急倾斜煤层。覆盖层为第四系冲洪积层（Q3apl），平均厚度在15m。为泥砂质胶结的松散卵砾石层。覆盖层的存在，直接扩大了采空塌陷地面变形的范围，覆盖层厚度越大、影响范围越大，同时增加了地面塌陷的不确定性和危险性。
2、开采条件
煤矿在开采期间，+1106m、+1062m水平回采时将水平间安全煤柱进行了放顶回采，造成了地面较大规模的塌陷，同时，因采仓内安全煤柱的突然垮塌造成了运输巷内财产的损失。
3、其他条件
降雨能够形成地表径流，地面塌陷坑处于负地形，能够成为地表经流的临时排泄点。地表水对塌陷坑壁的冲刷、浸泡直接影响了覆盖层的稳定性，同时地表水对采空区的渗透也减小了煤层采空区安全煤柱的稳定性。
地震时产生的地震力对塌陷坑及采空体的影响是较大的，主要表现在地政水平力对塌陷坑壁、采空区顶底板、残留的安全煤柱的破坏，使塌陷坑及采空区处于临界状态的介质失去支撑、从而产生进一步的破坏。
四、稳定性评价
（1）定性评价
采空区上部地面塌陷周围大部分均发育有环形裂缝，从裂缝的发育特征来看，裂缝多倾向煤层的倾向、倾角70~80°，裂缝均有一定的张开，表明塌陷坑处于正在活动的塌陷，或呈间歇性缓慢活动的阶段，地面塌陷坑的稳定分级属于稳定性差或稳定性较差。
（2）定量评价
受地下煤矿采空体的变形、破坏的影响，发生的地面变形破坏的严重程度与采空体的空间分布特征关系重大，同时相对于煤层顶底板、走向的位置关系密切。根据开采沉陷的一般规律，在采空区顶底板及走向的裂缝角影响范围内的地面变形强烈，移动角影响范围内地面变形中等，而边界角影响范围内的地面变形轻微。从稳定程度来说，地面变形强烈区其稳定性差，地面变形中等区其稳定性较差，地面变形轻微区其稳定好。
采用的计算分析公式包括导水裂隙最大高度计算公式、移动盆地稳定与变形边界的计算公式。
导水裂隙带最大高度：
Hf＝[100×M/(5.1×n+5.2)]+5.1
其中：Hf—导水裂隙带最大高度（米）；
M—累计采厚（米）；
n—煤分层层数；
2、采空煤层顶底板影响边界
采空区顶底板围岩变形、稳定宽度（图2）可以按以下公式计算。
B=h1×ctg(52°) +（H-h2）×ctgα+h2×ctgΦ
B’=（H-h2）×ctgα+h2×ctgΦ-h1×ctg(52°)
式中：
B—顶板计算采深处在地表的投影至各边界的距离（m）
B’—底板计算采深处在地表的投影至各边界的距离（m）
H—采空区底板埋深 H=h1+h2
h—上覆土层厚度（m）
Φ—土层内摩擦角（°）
α—采空区顶底板围岩边界、移动、裂缝角（°）
3、煤层采空区沿煤层走向边界
对于煤层采空区沿煤层走向，也存在一个边界稳定问题（图3）计算公式为：
B’’=h1·ctgδ+h2·ctgΦ
式中：B’’—采空区走向边界在地表的投影至各边界的距离（m）
δ—煤层走向破坏移动角（°）
Φ—上覆土层内摩擦角（°）
五、防治措施
目前，国内外处理采空区的方法主要是：封闭、崩落、加固和充填4大类。针对采空区所处位置、形态特征、规模各异，分别采用相应的处理方法。加固法不适用急倾斜煤层的采空区。
1、隔绝封闭法
隔绝封闭法处理采空区是在通往采空区的巷道中，砌筑一定厚度的隔离墙，阻隔由采空区中围岩垮落所产生的冲击波、冲击气浪 及飞石。适用条件为相对独立、跨度小、围岩较稳固、不会诱发大规模地压活动的小采空区。其优点是施工简单、经济费用低，但要求在采空区处理前，对采空区进行详细的调查，以便对采空区进行全面封闭。
2、充填法
充填法是采用充填材料对采空区进行充填处理，使 充填体与围岩共同作用，以改变围岩应力分布状态达到有效控制地压和防止地面塌陷等目的。其优点是对相邻矿休的开采工作影响小，能保证采场回采过程中矿石损失和最低贫化。不足之处是需要大量的充填料，处理劳动强度大，施工费用较高。灌浆材料主要包括普通硅酸盐水泥（425#）、粉煤灰、速凝剂（水玻璃）。
洪福煤矿采空区规则，且规模较小，选择上述两种方法相结合。网址：http://www.cnkikbs.com
3、爆破崩落法
是用用爆破崩落采空区上盘岩，使岩石充满采空区或形成缓冲垫层，以改变围岩应力分布状态，达到有效控制地压的目的。该方法适用的条件为地表允许其对下部采场生产的影响。
六、结语
采空区稳定的评价分析及处理，目前还是一个难题，需要大家共同努力，提高对采空区地基稳定处理的技术和能力，避免地质灾害的发生。 |
