趙彬

摘 要：保持防水煤柱是在靠近儲(chǔ)層的煤層開(kāi)采中最有效的防水方法，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，確定防水煤柱的合理寬度一直是采礦學(xué)者的普遍問(wèn)題。在常家溝礦區(qū)張家溝水庫(kù)附近開(kāi)采4-2煤層的情況下，采用理論分析，相似材料物理模擬和數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)上覆地層開(kāi)采破壞特征和地表進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，就抗水性而言，煤柱可分為礦山壓力影響區(qū)，有效防水區(qū)。此外，通過(guò)模型分析確定防水煤柱的寬度與實(shí)踐結(jié)果一致，隨后，根據(jù)防止儲(chǔ)層邊坡失穩(wěn)破壞和采空區(qū)突水事故的要求，提出了確定防水煤柱臨界寬度所需的判斷條件，防水煤柱的最大寬度被認(rèn)為是臨界寬度。這些結(jié)果為確定靠近儲(chǔ)層的煤層防水煤柱的寬度提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦開(kāi)采;防水煤柱寬度;物理模擬

1 緒論

中國(guó)西部擁有豐富的優(yōu)質(zhì)煤炭資源。陜西北部的侏羅紀(jì)煤田尤其如此，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角一般為1°～3°。該領(lǐng)域的煤層是穩(wěn)定的，并且主要包含長(zhǎng)焰和非結(jié)塊煤，這些煤中硫、磷和灰分的含量極低，并且發(fā)熱量中等偏高。這是國(guó)內(nèi)外電力、液化和化學(xué)工業(yè)使用的稀有優(yōu)質(zhì)煤炭。陜西北部的侏羅紀(jì)煤田是中國(guó)已探明儲(chǔ)量最大的煤田，這增加了其在采礦方面的應(yīng)用前景。但是，煤層開(kāi)采，圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布，從而導(dǎo)致松動(dòng)變形和破壞性斷裂[1]。當(dāng)導(dǎo)水裂縫與水體相連時(shí)，例如含水層或煤層附近的承壓水，水會(huì)流入巷道，從而導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故[2]。當(dāng)前，保留防水煤柱可有效防止突水事件。學(xué)者們研究了在含水層下且導(dǎo)水?dāng)鄬痈浇拿簩娱_(kāi)采中防水煤柱寬度的確定。然而，由于地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和開(kāi)采條件的差異，在工作面開(kāi)采過(guò)程中，上覆地層的運(yùn)動(dòng)，裂縫的發(fā)育以及水體對(duì)采場(chǎng)的影響變化很大。對(duì)于靠近儲(chǔ)層的淺煤層，沒(méi)有觀察到高水壓的影響。但是，潛水線在岸坡中的分布是為了防止儲(chǔ)層中的水傳導(dǎo)到周圍的巖石破裂區(qū)域。此外，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)考慮坡度穩(wěn)定性，以確保油藏的安全運(yùn)行。當(dāng)前，在這方面還沒(méi)有研究。

本文中，我們以常家溝水庫(kù)附近常家溝礦區(qū)的一個(gè)4-1煤層為研究項(xiàng)目，并通過(guò)理論分析，物理模擬和模擬研究了開(kāi)采過(guò)程中上覆地層和儲(chǔ)層庫(kù)岸邊坡的破壞特征。此外，我們根據(jù)數(shù)據(jù)確定了合理的防水煤柱寬度。我們的研究結(jié)果可為確定煤層靠近儲(chǔ)層的情況下確定防水煤柱的寬度提供理論依據(jù)。

2 背景介紹

1987年在陜北生態(tài)脆弱地區(qū)開(kāi)始了大規(guī)模的煤層開(kāi)采。到2008年底，榆林市的含煤面積已占其土地總面積的54%，預(yù)測(cè)和探明的煤炭?jī)?chǔ)量為271.4噸和1，460億噸。榆林市被認(rèn)為是中國(guó)重要的現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)基地。榆林市洪家湖是內(nèi)陸沙漠中最大的淡水湖，常家溝水庫(kù)，姚政水庫(kù)和土衛(wèi)河水庫(kù)位于榆神礦區(qū)。常家溝水庫(kù)的蓄水面積約為0.3平方千米，集水面積約為44平方公里，所有主要的分配河源于黃河。常家溝煤礦位于常家溝水庫(kù)附近。第一個(gè)開(kāi)采煤層是4-煤層，埋深為67m，厚度為3.5m。煤層的位置如下圖所示。水庫(kù)的洪水位為27m，比4-2煤層的頂板高14m。

3 防水煤柱寬度的理論分析

如果煤層靠近儲(chǔ)層，則如果儲(chǔ)層的水位高于煤層的底面，則該煤層的一部分位于儲(chǔ)層坡度的飽和線以下。但是，在開(kāi)挖煤層巷道時(shí)，圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布，巷道周圍的煤層會(huì)被破壞。隨后，裂縫逐漸開(kāi)始加深。因此，如果圍繞巷道的煤層的破壞部分連接到儲(chǔ)層坡度飽和線以下的部分，則儲(chǔ)層中的水將通過(guò)煤層流入巷道。為了使煤柱有效防水，必須在煤柱之間保持一段完整。因此，防水煤柱可分為礦壓影響區(qū)，有效防水區(qū)。因此，防水煤柱的寬度可以表示為：防水煤柱的寬度=礦山壓力影響區(qū)的寬度L1+有效防水區(qū)的寬度L2。

3.1 礦山壓力影響區(qū)

基于此分析，礦山壓力影響區(qū)與巷道周圍煤層的塑性破壞區(qū)有關(guān)。礦山壓力影響區(qū)的煤體處于極限平衡狀態(tài)。因此，應(yīng)確定極限平衡區(qū)的寬度。礦山壓力影響區(qū)的寬度L1的計(jì)算式[3]如下：

L1=mA2tanφ0InkγH+c0·ctgφ0（P/A）+c0·ctgφ0

其中M表示煤層開(kāi)采厚度，A表示煤層的側(cè)向壓力系數(shù)，C0和φ0表示煤層與頂板和底板中巖層之間的內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)，P表示煤層的支撐阻力（范圍為0～300KPA），γ表示巖層的平均體積重量，H表示巷道深度，K并表示應(yīng)力集中系數(shù)。

3.2 有效防水區(qū)

有效的防水區(qū)在防止位于飽和線以下的煤層中的水流入采空區(qū)方面起著重要作用。該區(qū)域的寬度可以通過(guò)公式來(lái)計(jì)算，該公式用于在遇水或?qū)當(dāng)鄬拥那闆r下獲得防水煤柱的寬度，公式[4]如下：

L2=0.5α1h13P0σt

其中，安全系數(shù)α1通常為2～5，H1是煤層厚度，P0水頭壓力和煤層抗張強(qiáng)度σT，L2不小于20M。

4 煤層開(kāi)采上覆地層和邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)

4.1 物理模型測(cè)試方案

根據(jù)常家溝水庫(kù)附近4-2煤層上覆巖層的地質(zhì)條件，利用相似的材料建立了物理模型，研究了煤層開(kāi)采引起的上覆巖層和儲(chǔ)層庫(kù)岸邊坡的破壞模式。選擇河砂、石膏、石灰粉和粉煤灰作為物理模型的主要材料。根據(jù)堆密度相似比例和應(yīng)力相似比例的要求，模擬實(shí)際情況。

為分析水庫(kù)水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)等水位儲(chǔ)水瓶，模擬了開(kāi)采過(guò)程中導(dǎo)水裂縫引起的滲水滲入邊坡。在頂部的坡面，巖石分界，洪水水位以及將坡面與以上三個(gè)點(diǎn)分開(kāi)的兩個(gè)部分的中點(diǎn)處，布置了五個(gè)儲(chǔ)水瓶。每個(gè)瓶子裝滿不同顏色的水。在模擬開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)上覆巖層的導(dǎo)水裂縫到達(dá)水瓶時(shí)，瓶中的水會(huì)通過(guò)導(dǎo)水通道向外流出。隨后，將通過(guò)上覆巖層中導(dǎo)水裂縫的發(fā)展來(lái)判斷對(duì)斜坡的破壞程度。因此，可以確定防止水從儲(chǔ)層中流失所需的煤柱的最小寬度。在采煤工作面上安裝了DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)記錄分析開(kāi)采過(guò)程中的覆巖破壞特征和地表變形規(guī)律。

4.2 煤層開(kāi)采測(cè)試

在開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)工作面前進(jìn)到26.0cm時(shí)，采空區(qū)坍塌，觀察到的崩落高度約為3.5cm。當(dāng)工作面前進(jìn)至58cm時(shí)，屋頂大范圍立即塌陷，關(guān)鍵地層（屋頂上27.3cm的細(xì)粒砂巖）部分塌陷。當(dāng)工作面前進(jìn)至99cm時(shí)，工作面覆巖層第二次周期性地大面積下降，崩落步長(zhǎng)為15.0cm。崩落高度為39.5cm。自由空間最大為1.5cm，長(zhǎng)度為32.5cm，并且開(kāi)采側(cè)的放頂角為68°。工作面上的動(dòng)載荷很明顯，并且支撐阻力明顯增加。當(dāng)工作面前進(jìn)到128.0cm時(shí)，煤層的直接頂板坍塌，工作面的上覆地層第三次周期性地大面積掉落，當(dāng)工作面前進(jìn)到139cm時(shí)，工作面頂板經(jīng)歷了第四次周期性塌陷。最高點(diǎn)的累積位移為30mm。同時(shí)，最高點(diǎn)處的紅水儲(chǔ)水瓶中的水開(kāi)始滲入土壤。這表明當(dāng)水庫(kù)裝滿水時(shí)，水將通過(guò)橫向脫落層的裂縫流入斜坡和采空區(qū)。當(dāng)工作面前進(jìn)至155cm時(shí)，工作面屋頂?shù)谖宕蜗陆担硗恋诙未竺娣e下沉，上覆巖石的拉伸破壞導(dǎo)致工作面上方出現(xiàn)新的垂直向下裂縫。同時(shí)，較早產(chǎn)生的垂直向下裂縫逐漸閉合。斜坡體趨向采空區(qū)，中層土壤層出現(xiàn)脫落層破裂，導(dǎo)致水從藍(lán)色儲(chǔ)水瓶滲漏。這表明當(dāng)水位達(dá)到或超過(guò)該位置時(shí)，儲(chǔ)層中的水將通過(guò)脫落層裂縫流入采空區(qū)。