D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.01.001 第26卷第1期 北京科技大学学报 Vol.26 No.1 2004年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2004 西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制 来兴平12) 1)西安科技大学能源学院，教育部西部矿山开采与灾害治理重点实验室，西安710054 2)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害是目前煤矿开采中面临的最大技术难题.为 了给采取合理有效的防灾措施提供科学依据，对采空区衍生动力灾害主要特征、形成原因以 及衍生灾害的实质等进行详细阐述，通过数字化监测与预防分析可以控制采空区衍生动力 灾害有效方法. 关键词西部矿山：大尺度采空区：衍生动力灾害：突然坍塌 分类号TD315 西部地区地域辽阔，矿产资源丰富，煤炭资 塌速率大，有动力学破坏特征. 源总量为4.7亿万t,占全国84.5%.随着煤炭开采 (3)危害大.这类围岩断裂与失稳发生时间、 技术和装备越来越先进，开采强度与深度逐渐提 地点具有随机性、发生过程具有突变性，其力学 高，开采规模日益加大，以及小窑小井的不规范 现象具有冲击性.因此其造成的围岩断裂、错动、 开采，多年来形成的采空区很多，严重威胁着西 失稳以及耦合破坏（有害气体滋出或爆炸）等动 部大开发的战略计划与建设，影响西部经济稳定 力学效应对生产和安全的危害极大，甚至造成矿 发展.如果不及时进行研究与治理，很容易造成 井停产或关闭，造成的经济损失很大， 大空区的动力破坏，进而演变为重大灾害，这是 (4)负面社会效应大.这类突发性灾害造成的 西部煤矿开采中面临的一个迫在眉睫的重大科 社会效应对西部矿区的经济与政治稳定影响 学问题 很大 1特征描述 2形成原因 西部矿山采空区衍生动力灾害有四大特征： 大尺度采空区坍塌是在特定地质条件下，因 (1)尺度大，开采形成的大尺度采空区是在一 自然和人为因素耦合触发形成的衍生灾害，采空 定的煤岩（脆弱）条件、构造环境以及脆弱的生态 区上覆煤岩结构稳定主要由自然作用和围岩结 与干旱的气候中形成的，其变形的数量级别大 构的连接作用来维持.由于不同矿区的地质条件 (属于米以上尺度)，这不同于其他坚硬（如坚硬 相差很大，大尺度采空区坍塌的主导因素也有所 复合材料、金属材料)材料的微尺度变形，形成的 不同，主要原因有： 平衡结构可能维持几天，也可能维持几年.但从 (1)许多矿区或工作面的断层比较多，由断层 本质上讲，它是一个暂时的结构，一旦受到某种 动力效应诱发造成坍塌， 外因的诱发，就可能造成大尺度的动力失稳现 (2)煤体内部气体运动速率增加，如煤与瓦斯 象，从而演变为动力灾害。 突出诱发等造成坍塌， (2)变形速率大.大尺度采空区的失稳与层状 (3)采取大规模，高强度的开采技术 矿床开采围岩沉陷有所不同，前者围岩失稳与坍 (4)开采方式与工作面结构参数优化不合理 造成，尤其是保护煤（矿）柱的结构参数不合理或 收稿日期200305-15来兴平男，31岁，博士后，副教授 *陕西省自然科学基金(N02003E213)和教育部博士点基金 支撑体系结构内部力学特性劣化， (No.20020008021)资助项目第 26 卷 第 1 期 2 0 4 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U o iv e r s iyt o f S e ie n c e a n d 几c h n o ol gy B e ij i n g V心1 . 2 6 N o . l F e b . 2 0 0 4 西部矿 山大尺度采空 区衍生 动力灾害控制 来兴 平 ’ ,2 ’ l) 西 安科技大 学能源 学 院 , 教 育部西 部矿山 开 采与 灾害 治理重 点实 验室 , 西 安 71 0 0 54 2) 北京科 技大 学土 木与环 境 工 程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 西 部矿 山 大尺 度采 空 区衍 生动力 灾 害是 目前 煤矿开 采中面 临的最 大 技术 难题 . 为 了给 采取合 理有 效 的防灾 措施 提供 科学 依据 , 对采 空 区衍 生动力 灾害 主要 特征 、 形 成原 因 以 及 衍 生灾害 的实 质等 进行 详细 阐述 . 通 过数 字化 监 测与 预防 分析 可 以控制 采空 区衍 生 动力 灾 害有 效方 法 , 关键 词 西部矿 山 : 大 尺度采空 区 : 衍 生动 力灾 害 : 突 然坍 塌 分 类号 T D 31 5 西 部地 区地 域 辽 阔 , 矿 产 资源 丰 富 , 煤 炭 资 源 总量 为 .4 7 亿 万 t , 占全 国 84 .5 % . 随着煤炭 开 采 技 术和 装备越来越 先进 , 开采强度与深 度逐 渐提 高 , 开采规 模 日益 加 大 , 以及 小 窑小 井 的不 规 范 开采 , 多年 来 形成 的采 空 区很 多 , 严 重威 胁 着 西 部 大 开发 的战 略计 划 与建 设 , 影 响西 部经济稳 定 发展 . 如 果不 及 时进 行研 究 与 治理 , 很容 易造 成 大空 区 的动 力破坏 , 进而 演 变 为重 大 灾害 , 这 是 西 部 煤 矿开采 中面 临的 一 个 迫在 眉 睫 的重 大 科 学 问题 ’ 1周 . 塌速 率 大 , 有 动 力学 破 坏特 征 . (3 ) 危 害大 . 这类 围岩 断裂 与 失 稳发 生 时 间 、 地 点具 有 随机 性 、 发生 过程 具 有 突变性 , 其 力学 现象 具有 冲击 性 . 因此 其造 成 的 围岩 断裂 、 错 动 、 失稳 以及 祸合 破坏 ( 有 害气 体 溢 出或 爆 炸 ) 等 动 力 学效应 对 生产和 安全 的危 害极 大 , 甚 至造 成矿 井 停产 或 关 闭 , 造成 的经 济损 失 很 大 . (4 ) 负面 社会 效应 大 . 这 类 突发 性灾 害造 成 的 社 会 效 应 对 西 部 矿 区 的经 济 与 政 治 稳 定 影 响 很 大 , 1 特征 描述 西部矿 山采空 区衍生 动 力灾 害有 四大特 征 : ( l) 尺度 大 . 开采形 成 的大尺 度采 空 区是在 一 定 的煤岩( 脆弱 ) 条 件 、 构造 环境 以及脆弱 的生 态 与干 早 的气 候 中形 成 的 , 其 变 形 的数 量 级 别 大 ( 属于 米 以上 尺度 ) , 这 不 同于其 他坚 硬 ( 如 坚 硬 复合 材料 、 金 属材 料 ) 材 料的微尺 度变形 , 形成 的 平 衡 结构 可 能 维持 几天 , 也 可 能维持几 年 . 但 从 本 质上 讲 , 它 是 一个 暂 时 的结构 , 一旦 受 到某种 外 因的 诱 发 , 就可 能造 成 大尺 度 的动 力 失稳 现 象 , 从而 演 变 为动 力 灾 害 . (2 )变 形速率 大 . 大尺 度采 空 区的 失稳与层 状 矿 床 开采围岩 沉 陷有所 不 同 , 前者 围岩失稳 与坍 收 稿日期 2 0仍刁5一 15 来兴 平 男 , 31 岁 , 博 士后 , 副 教授 * 陕西省 自然 科学基 金 (oN 2 0 03 E2 13 ) 和 教育 部博 士点基金 ( N o . 2 0 0 20 0 0 8 0 2 1) 资 助项 目 2 形成 原 因 大 尺度 采空 区 坍塌 是在特 定 地质 条件 下 , 因 自然和 人 为因素 祸 合触 发形 成 的衍生 灾害 . 采 空 区 上 覆 煤岩 结构 稳 定主 要 由 自然 作用 和 围岩 结 构 的连 接作 用来 维持 . 由于 不 同矿 区 的地质 条 件 相 差很 大 , 大尺 度采空 区坍塌 的主 导 因素 也有 所 不 同 , 主 要 原 因有 : ( l) 许 多矿 区或工 作面 的 断层 比 较多 , 由断层 动 力效 应 诱发 造成 坍塌 . (2 )煤体 内部 气体 运动速 率增加 , 如煤 与 瓦斯 突 出诱 发等 造 成坍 塌 . (3 ) 采 取大 规模 , 高强度 的 开采 技 术 . (4 ) 开 采方 式 与工 作 面 结 构 参数 优 化不 合 理 造 成 , 尤其 是保护 煤 ( 矿 ) 柱 的结 构参 数 不合 理或 支 撑体 系 结构 内部力 学特性 劣 化 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 01. 001