0 引 言
神府煤田是我国已探明的最大煤田，占全国探明储量的15%。开发初期，相当一部分浅部资源采用了传统的房柱式采煤法进行开发利用，这就造成已关闭或者生产矿井井田范围内或多或少存在着房柱式采空区[1-3]。采空区内积水、顶板大面积垮落、有毒有害气体等隐蔽致灾因素的存在给现阶段煤炭资源的整合和开采规模的扩大造成很大的安全隐患[4-5]。露天开采工艺在回采边角煤和资源整合方面发挥了巨大的优势，井工转露天或者露井协同开采等新型开采方式应运而生。但是地下采空区影响下的矿山安全问题逐步成为矿山开采的技术难题[6-8]。国内外众多学者开展了大量研究，张耀平等[9]运用FLAC3D软件对采空区顶板是否稳定进行了模拟研究。宫凤强等[10]对采空区影响下的铁矿开采方案进行了优化分析。李长洪等[11]通过建立不同深度采空区模型，运用数值分析软件对其稳定性进行了评价。李超亮等[12]采用数值模拟法对铁矿山采空区顶板的安全厚度进行了模拟分析。张吉龙等[13]采用厚跨比法、结构梁、板理论法等计算了顶板安全厚度和采空区跨度的关系，确定了采空区顶板的安全厚度。在采空区影响下的露天矿协同开采方面，丁鑫品等[14]基于覆岩“两带”高度与设备对地影响深度的长壁工作面采空区安全顶板厚度确定方法，划定了采空区影响的危险性分区。马法成等[15]运用位移监测设备对露天矿山下部采空区稳定性进行了监测分析。赵永等[16]运用微震对在采空区稳定性和井下民采活动定位等方面进行了监测，并基于微震监测数据揭示了的露天坑底采空区劣化过程。以上研究大多是针对长壁式工作面或金属矿采空区开展的，大多是采用数值模拟进行稳定性分析，并没有结合露天开采采空区顶板，边坡岩体协同影响下的位移趋势，岩体破坏模式进行端帮煤开采方案的优化分析。神府地区的房柱式采空区因埋藏深度不一，开采时间较早，加上大部分没有完整的设计和开采资料，因此采空区的位置、边界范围以及上覆岩体是否垮落等都不能确定，在此区域内进行露天开采危险极大。
笔者针对神木市瓷窑塔露天矿2-2煤层端帮煤开采的安全问题，通过瞬变电磁法探明3-1煤房柱式采空区埋藏深度、范围以及与露天边坡的空间关系，自行研发了针对浅埋煤层房柱式采空区的大变形多点位移监测装置，揭示了采空区影响下的露天开采采空区顶板、边坡岩体协同作用的影响机理，对岩体劣化过程中的变化特性进行了分析。
1 工程概况
神木市瓷窑塔矿业有限责任公司(简称为瓷窑塔矿)为资源整合矿井，开采3-1煤层，为房柱式炮采，可采煤层有2-2、3-1、4-2、4-3、5-2号，共5层煤[17]。
现阶段瓷窑塔矿区采用露天方式开采2-2煤，设计生产规模为0.15 Mt/a，矿区3-1和4-2煤部分区域采用了房柱式开采方式，瓷窑塔矿周边矿井众多，且大多为整合矿井，多年来采用房柱式开采工艺进行的无序开采和技术资料的缺乏为瓷窑塔矿井的露天开采带来了极大的安全隐患，特别是现阶段瓷窑塔矿区进行南端帮的端帮煤回收工作，此区域正好与东梁煤矿整合矿井搭界，并且是瓷窑塔矿的外排土场位置，端帮煤的开采使复合边坡高度和角度增大，加上不明采空区的影响，安全隐患极大，现阶段矿井开采示意如图1所示。
图1 矿井开采布置示意
Fig.1 Schematic of coal mining layout plan
2 采空区与露天边坡空间关系探查
为了准确探查瓷窑塔矿区3-1煤遗留房柱式采空区的埋藏深度以及与露天边坡的空间关系，采用瞬变电磁法对瓷窑塔矿区的采探查，仪器工作原理和具体施工流程参考文献[18],本次探查共设计测线36条，设计测点4 140个，测试主要重点为矿区南部以及东南部端帮煤开采区域，探查面积3.69 km2，选取测线27成果进行分析论述。根据探查结果在采掘平面图上圈定了采空区的范围主要有两处，分别编号为异常区3-1、异常区3-2，总面积约为301 400 m2。其中异常区3-1位于测区的东中部，面积为176 500 m2；异常区3-2位于测区的南部，面积124 900 m2，如图2所示。
结合探测平面图，选取端帮煤开采区域的测线27，形成露天边坡与采空间位置关系剖面图如图3所示。根据图3可以看出瓷窑塔南端帮3-1煤和4-3煤均存在房柱式采空区，采空区的层间距为40 m，瓷窑塔矿属于典型的近距离复合采空区“嵌入”影响下的端帮煤开采。3-1煤采空区处在2-2煤端帮煤开采的坡脚位置，距离2-2煤工作帮埋深为30 m，采空区嵌入露天采场横向长度为50 m。
图2 采空区平面图
Fig.2 Plan figure of gob
图3 空间关系剖面图
Fig.3 Profile figure of spatial relationship
3 采空区顶板稳定性监测分析
3.1 测点布置
采空区顶板的稳定关系到露天开采设备和人员的安全，采空区顶板在露天开采的再次扰动作用下，围岩会再次活化失稳，同时，采空区顶板的移动会对露天边坡的滑移起到促进作用，因此根据探查已知的采空区与露天边坡的空间关系，研发针对房柱式采空区顶板的大变形自动化监测设备对于保障安全开采至关重要。本次监测采用自行研发的锚固式多点位移计。通过在顶板不同深度岩体内安装监测点，达到多维度大变形监测的目的。装置主要由电子采集仪、铟钢丝、固定钢爪和数据传输装置组成，采用分布网络测量系统，数据能够实现自动上传，实时存储、随时查阅、自动预警等功能[19]。本次监测工作主要是在靠近端帮采空区位置，平面上采用菱形布置，共布置4个测点，纵向距离露天矿作业地表30、20、10、5 m分别布置4个测点，实现对顶板稳定性的立体监测，监测时间为4个月，具体测点布置如图4所示。
3.2 数据分析
各监测点位移变化如图5所示，1号和4号测点处于远离端帮位置，2号和3号测点为近端帮位置，根据位移监测时间变化曲线可知，2号和3号测点顶板岩体出现明显的离层现象，监测开始20 d以后即端帮采煤开始时间，在边坡邻空面卸荷应力和顶板岩体垂直应力的耦合作用下浅层顶板出现急剧活化移动的趋势，顶板以下15 m调整为12 m关系较为密切。1号和4号测点受单一的采空区沉降影响，测点在纵向的位移趋势较为一致，由表及深位移移动逐渐减小。在时间上，位移逐渐增大，岩体损伤经历了“稳定—失衡—再稳定”的过程，远端受端帮采煤影响较小，没有出现明显的位移急剧增大现象。
由此可以看出采空区顶板稳定性受端帮煤开采的影响较大，浅层区域会出现离层失稳区，失稳区域在埋深15 m以上区域，失稳区空间大小和采空区埋深以及端帮煤开采台阶高度有密切关系，离层区域出现是采空区顶板活化移动的前兆，对于监测预警的早期识别具有重要意义。
图4 监测点布置剖面
Fig.4 Profile figure of monitoring point layout
图5 各监测点位移变化
Fig.5 Displacement change of each monitoring point
4 端帮煤开采数值分析
通过建立三维计算模型对端帮煤开采中的边坡和采空区顶板岩体的失稳机理进行分析，结合监测数据对端帮煤开采方案进行优化。模型如图6a所示，模型尺寸为300 m×130 m×50 m，模型计算所需力学参数见表1，在房柱式采空区上方加载荷载0.25 MPa，用以模拟端帮煤开采过程采掘设备的负荷。
根据图6b应力云图可以看出，将端帮煤区段1开采后最大主应力在坡肩处集中，边坡出现明显的滑移迹象，边坡下方岩体出现V形下沉，下沉最大值恰位于采空区中心，煤柱帮角处出现明显的应力集中现象，且从边坡岩体由内往外逐渐递减，出现明显的“链式集中效应”，因此内部煤柱的稳定性将成为监测的重点。端帮煤的开采，在边坡卸荷效应的影响下，采空区顶板上方出现明显的卸荷应力区域，靠帮过程中，随着荷载的增大，煤柱和边坡失稳的风险将随关键煤柱损伤产生链式失稳，这与现场监测过程中出现的离层区域埋深较为吻合，因此端帮煤开采过程中应保留端帮煤区段2，将台阶高度由15 m降为12 m，这样可有效降低顶板岩体离层区域范围，保护关键煤柱稳定，保障开采安全。
表1 模型各层的岩石物理力学参数
Table 1 Rock physical and mechanical parameters
of each layer in model
煤岩层密度/(g·cm-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)覆盖层1.900.310.1500.215泥灰岩2.600.560.341.52.034煤层1.400.710.220.50.822砂岩2.805.205.303.57.042泥岩2.464.684.842.66.040
图6 应力分析
Fig.6 Stress analysis
5 结 论
1)瓷窑塔矿南端帮存在3-1煤和4-3煤的复合采空区，4-3煤埋藏较深对端帮煤开采无影响，3-1煤采空区嵌入2-2煤开采端帮坡脚位置，距离2-2煤工作帮埋深为30 m，采空区嵌入露天采场横向范围为50 m。
2)边坡走向上，靠近端帮各监测点呈现出“稳定-增长-再稳定”的位移趋势，远端帮监测点位移变化较为稳定；纵向上端帮煤的开采对采空区顶板浅层15 m以内的岩体影响较大，浅层顶板位移出现急剧增大的离层现象，离层区域出现是采空区顶板活化移动的前兆。
3)端帮煤的开采使边坡岩体出现局部应力集中现象，边坡存在滑移趋势；煤柱帮角岩体边坡由内及外出现“链式集中效应”，采空区上部岩体出现明显的卸荷应力区域，埋深为15 m。端帮煤开采过程中采取保留端帮煤区段2，将台阶高度由15 m降为12 m的开采方案。
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