陳 月

(山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 陽(yáng)泉 045000)

為防止在水體下采煤易發(fā)生的潰水、潰砂等事故，必須留設(shè)一定范圍的安全防水煤巖柱。不同學(xué)者[1-12]對(duì)水體下采煤引起的覆巖變形及破壞規(guī)律、垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算等問(wèn)題均進(jìn)行了大量研究，成果十分突出。錢鳴高[1]院士提出的關(guān)鍵層理論對(duì)采場(chǎng)上覆巖層及地表活動(dòng)的規(guī)律研究指出新的方向；許延春等[2-4]系統(tǒng)研究了第三系砂礫巖含水層下開(kāi)采的覆巖規(guī)律和煤柱留設(shè)方式；邵月琴[5]從煤層自身的賦存環(huán)境以及人工施工等影響因素對(duì)煤層露頭煤柱的留設(shè)進(jìn)行了分析；牛心剛[6]等指出斷層突水措施，不論注漿加固或是疏水卸壓都需留設(shè)防水煤巖柱，并提出了位于大傾角正斷層上盤的煤層防水煤柱留設(shè)寬度的數(shù)學(xué)模型；王睿等[12]提出了巨厚松散含水層下防水安全煤柱的計(jì)算模型和理論，并采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，檢驗(yàn)了提出模型的合理性。本文依據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》[13]的設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，結(jié)合黔陽(yáng)礦區(qū)某煤礦的特殊水文地質(zhì)條件，計(jì)算出各個(gè)煤層開(kāi)采的導(dǎo)水裂縫帶高度和露頭防水煤柱高度；再由計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬，評(píng)估大氣降水和地表水對(duì)礦井開(kāi)采的影響程度，對(duì)可能發(fā)生的水害影響和地質(zhì)災(zāi)害提供防治措施和建議[14-15]。

1 地質(zhì)概況

該礦煤層傾角范圍較大，總體10°～50°，大部分15°～30°，從淺部至深部逐漸減小。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造呈單斜且走向上的傾向傾角變化趨勢(shì)小，但斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造屬中等復(fù)雜。該礦區(qū)主要可采煤層為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)，6號(hào)，8號(hào)煤層，全區(qū)可采煤層為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)煤層，大部可采煤層為4號(hào)煤層，局部可采煤層有6號(hào)和8號(hào)煤層。各煤層具體發(fā)育參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各煤層發(fā)育參數(shù)特征

2 煤層露頭煤柱的預(yù)留計(jì)算

2.1 安全防隔水煤巖柱的計(jì)算

安全防隔水煤巖柱是為了防止導(dǎo)水裂縫帶波及水體。其值可按式(1)計(jì)算：

Hsh≥Hli+Hb

(1)

式中，Hsh為防水安全煤巖柱垂直高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；Hb為保護(hù)層厚度，m。

2.2 各煤層垮落帶高度及導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算

(1)對(duì)于≤35°的緩傾斜及角度在35°～54°的中傾斜煤層，當(dāng)煤層頂板覆巖為堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或互層時(shí)，單一煤層開(kāi)采后的最大垮落帶高度計(jì)算公式為：

(2)

式中，M為煤層采厚，m；k為冒落巖石碎脹系數(shù)，取1.2；α為煤層傾角；W為冒落過(guò)程中頂板的下沉值，取0.1M。

(2)當(dāng)上、下兩層煤的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度時(shí)，上、下層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度可分別按上、下層煤的厚度選用公式(3)或(4)計(jì)算，取其中標(biāo)高最高者作為兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。

(3)

(4)

式中，ΣM為煤層累計(jì)采厚，m。

(3)當(dāng)下煤層的垮落帶觸及到或完全處于上煤層范圍內(nèi)時(shí)，本層煤的開(kāi)采厚度可用于上煤層導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算，而上、下煤層綜合開(kāi)采厚度用于下煤層導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算，標(biāo)高最大者取為該兩層煤的導(dǎo)水裂縫帶最大高度。其中上、下煤層綜合開(kāi)采厚度Mzh按公式(5)計(jì)算。

(5)

式中，Ms為上煤層開(kāi)采厚度，m；Mx為下煤層開(kāi)采厚度,m；hs-x為上、下煤層之間的法線距離，m；yx為下煤層的冒高與采厚之比。

2.3 保護(hù)層厚度的選取

對(duì)于緩傾斜(0°～35°)及中傾斜(36°～54°)煤層，頂板巖性中硬時(shí)，防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度，可根據(jù)有無(wú)松散層及其中黏性土層厚度選取。表2列出了中硬巖層防水安全煤巖柱的計(jì)算選擇。

表2 防水安全煤巖柱保護(hù)層厚度

選取具有代表性的2號(hào)地質(zhì)勘探線剖面，依據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，結(jié)合該礦區(qū)的地質(zhì)條件，計(jì)算出了該剖面的開(kāi)采煤層防水煤柱高度，見(jiàn)圖1和表3。

圖1 2號(hào)剖面各煤層開(kāi)采標(biāo)高

煤層垮落帶高度/m導(dǎo)水裂縫帶高度/m防水煤柱高度/m剖面統(tǒng)一開(kāi)采標(biāo)高/m115.0744.0655.66212.7352.5764.82+1559.58315.1244.1255.7648.9434.9850.88

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 模型的建立及模擬過(guò)程

離散元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)于解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題十分有效，在巖土、礦冶和環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用。而離散單元軟件UDEC(Universal Distinct Element Code)是基于離散單元方法模擬非連續(xù)問(wèn)題的通用二維數(shù)值計(jì)算軟件，特別適用于研究與采礦有關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)問(wèn)題。本文選取具有代表性的勘探線2號(hào)地質(zhì)剖面，分析該剖面下各煤層工作面開(kāi)采后上覆巖層及地表的變形破壞情況和導(dǎo)水裂縫帶的分布情況。根據(jù)礦區(qū)的采礦條件，確定模型長(zhǎng)度453.06m,高度480.94m；固定的底部及左右邊界為模擬邊界條件。數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2，2號(hào)剖面各煤層厚度及層間距見(jiàn)表4。

圖2 2號(hào)剖面數(shù)值計(jì)算模型

煤層編號(hào)厚度/m層間距/m傾角/(°)12.9022.4532.9141.7260.3980.5710.1131.678.8322.1023.8030

模擬過(guò)程中的各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。由于2號(hào)剖面的6號(hào)煤層和8號(hào)煤層厚度小于0.5m，為不可采區(qū)域，且因右側(cè)正斷層的分割作用，致使1號(hào)煤層在開(kāi)采標(biāo)高以下的范圍只有30m可采，所以本剖面未模擬1號(hào)、6號(hào)、8號(hào)煤層的開(kāi)采情況。

表5 各巖層物理力學(xué)性質(zhì)

具體過(guò)程為：建立模型→檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀O(jiān)測(cè)線布置→初始力平衡→2號(hào)煤層開(kāi)采→3號(hào)煤層開(kāi)采→4號(hào)煤層開(kāi)采→分析上覆巖層及地表的最終變形破壞情況。每個(gè)可采煤層均開(kāi)采第一區(qū)段，工作面斜長(zhǎng)200m。

3.2 各煤層開(kāi)采后的地表位移及破壞分析

3.2.1 水平移動(dòng)及地表下沉分析

圖3 2號(hào)剖面地表下沉及水平移動(dòng)曲線

(1)地表水平移動(dòng) 由圖3可知，地表水平位移隨著煤層的逐層開(kāi)采而逐漸增大且均是向著山體內(nèi)部移動(dòng)，其水平位移曲線均呈駝峰形狀波動(dòng)，水平位移在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)峰值點(diǎn)，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)煤層的第1峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在橫坐標(biāo)150m附近即2號(hào)煤層露頭處，峰值分別為400mm，900mm，1100mm；第2峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在橫坐標(biāo)250～275m附近即斷層露頭處，峰值分別為300mm，500mm，600mm。以2號(hào)煤層露頭為中心左右各25m范圍內(nèi)，地表由劇烈拉伸變?yōu)閯×覊嚎s，導(dǎo)致此處地表可能會(huì)形成地裂縫，這些裂縫、裂隙若與采空區(qū)貫通極易造成井下水患。在2號(hào)煤層露頭與斷層露頭之間的地表水平移動(dòng)量變化不大，該部分地表相對(duì)穩(wěn)定。由于斷層下盤開(kāi)采后上盤巖體往采空區(qū)方向滑動(dòng)導(dǎo)致其露頭以上地表水平位移總體往山體內(nèi)移動(dòng)。

(2)地表下沉 由圖3可知，地表垂直位移隨著煤層的逐層開(kāi)采其位移曲線均呈單峰形狀波動(dòng)，最大下沉值分別為400mm，900mm，1200mm，峰值點(diǎn)位于橫坐標(biāo)250～275m附近即斷層露頭處，垂直位移峰值與水平位移第1峰值基本相同，說(shuō)明地表移動(dòng)系數(shù)為1。且下沉曲線均呈尖底狀，說(shuō)明第1區(qū)段未達(dá)到充分采動(dòng)。第1區(qū)段開(kāi)采后，在采動(dòng)影響范圍內(nèi)地表總體往采空區(qū)方向移動(dòng)，這部分地表位于坡面的下部，可能引起中上部坡體產(chǎn)生危巖崩塌或滑坡。

3.2.2 不同煤層開(kāi)采后覆巖與地表變形破壞

不同煤層開(kāi)采后覆巖與地表的變形破壞情況如圖4至圖6所示。由圖可知：

圖4 2號(hào)煤層開(kāi)采后覆巖與地表的變形破壞情況

圖5 3號(hào)煤層開(kāi)采后覆巖與地表的變形破壞情況

圖6 4號(hào)煤層開(kāi)采后覆巖與地表的變形破壞情況

(1)受采動(dòng)和斷層裂縫的雙重影響，2號(hào)煤層開(kāi)采后，在其頂板和斷層之間即橫坐標(biāo)260～330m的范圍出現(xiàn)明顯的破壞和深度達(dá)0～40m的裂隙；受斷層下盤的采動(dòng)影響，斷層上盤露頭附近的地表，即橫坐標(biāo)240～320m范圍產(chǎn)生了明顯的破壞和0～40m范圍的離層， 但開(kāi)采后這兩部分的裂隙尚未貫通。

(2)3號(hào)煤層開(kāi)采后，采空區(qū)上部的裂縫帶發(fā)展到橫坐標(biāo)200～380m的范圍，垂直方向上已穿過(guò)斷層進(jìn)入斷層上盤，斷層上盤裂縫高度在20～30m之間，并與地表的裂縫帶之間有20～25m的距離，將要形成貫通裂隙。

(3)4號(hào)煤層開(kāi)采后采空區(qū)裂縫帶向上發(fā)展并與地表裂隙貫通，地表水可沿這些裂隙進(jìn)入采空區(qū)并軟化裂縫帶范圍內(nèi)的泥質(zhì)巖層。由于累積采高的增大和采空區(qū)的擴(kuò)大，2號(hào)煤層露頭附近即橫坐標(biāo)140～155m處也產(chǎn)生了一組裂隙，此組裂隙深度約40m，距采空區(qū)約20m，地表水可能進(jìn)入這些裂縫致巖層層面被軟化。

4 結(jié) 論

(1)斷層對(duì)裂縫帶的擴(kuò)大起了重要作用。

(2)4號(hào)煤層工作面的開(kāi)采對(duì)覆巖及地表的變形破壞影響最大，其開(kāi)采導(dǎo)致裂縫帶貫通到地表，并形成2號(hào)煤層露頭附近的一組裂隙，地表水可沿這些裂縫進(jìn)入井下采空區(qū)，造成水患。

(3)2號(hào)剖面附近煤層因受斷層的影響，按現(xiàn)在的露頭煤柱設(shè)計(jì)，導(dǎo)水裂縫帶會(huì)通達(dá)地表，可能導(dǎo)致中上部山體失穩(wěn)誘發(fā)滑坡或危巖崩塌，危及坡腳一帶的民房。因此2號(hào)剖面煤柱高度要增加，先暫時(shí)不開(kāi)采斷層附近下盤的煤層，在開(kāi)采斷層上盤的煤層時(shí)還應(yīng)留足斷層煤柱，且在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)地表出現(xiàn)的裂縫應(yīng)及時(shí)封堵。