淺埋煤層開采水庫周邊保護煤柱合理留設研究

苗彥平黃克軍曹新奇耿耀強沈會初

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西省西安市,710054; 2.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054; 3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西省西安市,710065; 4.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司,陜西省神木縣,719313)

淺埋煤層開采水庫周邊保護煤柱合理留設研究

苗彥平1,4黃克軍2,3曹新奇3耿耀強3沈會初3

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西省西安市,710054; 2.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054; 3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西省西安市,710065; 4.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司,陜西省神木縣,719313)

針對神南礦區張家峁煤礦常家溝水庫周邊5－2煤層大規模開采現狀,在考慮保護煤柱穩定性影響因素的基礎上,將保護煤柱從防隔水功能上沿寬度方向劃分為礦壓影響區和有效隔水區,分別對礦壓影響區寬度和有效隔水區寬度進行了理論分析,推導出相應的計算公式。計算得出張家峁煤礦常家溝水庫周邊5－2煤層開采保護煤柱合理寬度為77 m。

建筑物下采煤 保護煤柱 留設寬度 淺埋煤層開采 神南礦區

神南礦區總面積約373.4 km2,煤炭總資源量約55億t,先后建成紅柳林、張家峁和檸條塔三處特大型現代化礦井。礦區生產、生活用水多取自區內火燒區水、砂層潛水、地表水徑流以及水庫等,隨著煤炭資源大規模回采,礦區各類水資源受到不同程度的影響。同時,神南礦區各礦井均采用長壁工作面一次采全高的開采工藝,采動影響劇烈,在采礦活動中應留設足夠的側向煤柱,防止大型水體涌入礦井,造成突水事故。

1 礦井概況

張家峁煤礦井田面積51.98 km2,可采煤層7層,地質儲量8.65億t,可采儲量5.43億t。礦井設計生產能力為600萬t/a,服務年限72年,采煤方法為綜合機械化開采,全部垮落法管理頂板。井田位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶,生態環境脆弱,水資源缺乏。常家溝水庫位于張家峁井田一盤區內東南部,建于烏蘭不拉河與老來河的交匯處,是神木縣目前最大的蓄水水庫。匯水面積44 km2,容水面積約0.3 km2,水庫最大容量1295萬m3,庫底標高1111.74 m,比礦井5－2煤層底板標高1055 m高出56.74 m,洪峰期最高水位1138.17 m,枯水期水位標高1121.74 m,分別比礦井5－2煤層底板標高高出83.17 m和66.74 m。若保護煤柱留設寬度過小,則地表逕流及地下水可能會涌入礦井,對礦井安全生產構成嚴重威脅;若保護煤柱留設寬度過大,則會浪費大量的煤炭資源。因此,針對常家溝水庫下及其周邊5－2煤層大規模開采現狀,基于神南礦區淺埋煤層賦存條件,研究確定合理的保護煤柱留設尺寸是十分必要的。

2 保護煤柱穩定性影響因素

2.1 礦山壓力對煤柱體破壞和影響作用

留設的保護煤柱除了煤體自身的裂隙性、非均質性和不連續性以外,在礦山壓力作用下沿寬度方向還存在不同的物性狀態。由于采動對煤柱破壞和影響作用,煤柱靠近采場一側,支承壓力超過其極限強度必然會引起邊緣部分煤體片幫,產生裂隙發生破壞,形成屈服區,成為強滲透區,基本上已喪失隔水能力,變為具有極低阻水能力的煤柱殘余儲備帶。真正起隔水作用的是除去屈服區的煤柱,也就是彈性區的煤柱。

2.2 水對煤體強度的影響

無論巖石還是煤體,都存在著浸水后強度降低的軟化性質,軟化程度與煤巖體中親水性礦物、易溶性礦物的含量、裂隙孔隙的發育情況以及浸水時間的長短等因素有關,由于保護煤柱要保證其受長期浸泡時的穩定性,因此應當充分考慮壓力水作用的煤體強度降低問題。此外,水壓的大小也直接影響煤柱的穩定性。

3 保護煤柱留設寬度計算模型

根據礦山壓力和水壓力對煤體不同作用和影響,保護煤柱從防隔水功能上沿寬度方向可劃分為礦壓影響區和有效隔水區。分別對礦壓影響區寬度和有效隔水區寬度進行理論分析,推導出相應的計算公式,綜合即可得出常家溝水庫周邊5－2煤層開采保護煤柱合理寬度計算公式。保護煤柱合理煤柱寬度為:

式中:L——保護煤柱寬度,m;

L1——礦壓影響區煤柱寬度,m;

L2——有效隔水區煤柱寬度,m。

5－2煤層開采保護煤柱寬度留設如圖1所示。

圖1 5－2煤層開采保護煤柱寬度留設示意

3.1 礦壓影響區煤柱寬度計算

5－2煤層開采后,采空區上方的地表產生移動和變形,會造成其影響范圍內的巖體破壞,為保證有效隔水區煤巖體不受采動影響,須根據采動影響的范圍增加保護煤巖柱的寬度,因此在分析時把隔水煤巖柱視為建筑物,留設時借鑒建筑物下采煤時保護煤柱留設的相關規定及計算方法,礦壓影響區煤柱寬度L1以地表下沉±10 mm為邊界。即:

式中:H1——水庫最高水位標高到煤層底板標高的差值(相對埋深),m;

δ——煤層采動邊界角,(°)。

3.2 有效隔水區煤柱寬度計算

有效隔水區煤柱寬度將基于3種不同的理論分別進行計算。

3.2.1 采用力學模型計算有效隔水區煤柱寬度

對煤柱屈服區應力計算模型進行簡化,煤柱受力簡化模型如圖2所示。

圖2 礦山壓力與水壓作用下煤柱受力簡化模型

模型的邊界條件為:

可得出模型的彈性力學解為:

式中:p——水頭壓力,MPa;

pz——礦山壓力,MPa;

M——煤層厚度或采高,m;

L——留設煤柱寬度,m;

γ——覆巖容重,k N/m3;

H2——煤層埋深,k N/m3;

p1——煤層抗壓強度,MPa;

β——側向壓應力系數。

由巖石力學可知,煤巖是滿足復雜應力下沿著最大剪切面發生破壞的結構體。同時,考慮煤體中含有軟弱夾層,因此對于煤巖破壞的強度大小,可采用Mohr-Coulomb準則作為煤柱強度失效判據。由兩區約束理論假設可知核區可視為彈性體,其彈性單元任意角度應力具有莫爾圓關系:

其中σ1,σ3可由下列公式(5)得到:

由煤巖破壞的線性莫爾—庫倫準則,可推導出主應力與內摩擦角、粘聚力之間的關系:

式中:σ——主應力,MPa;

σ1——垂直主應力,MPa;

φ——內摩擦角,(°);

c——煤層粘聚力,MPa。

又由于在水的作用影響下,煤體孔隙在注水壓力和毛細管作用力的共同作用下吸附水分,從而使煤體顆粒間的內聚力和摩擦角降低。當煤體內注入水壓后,由于存在孔隙水壓pv使得有效應力發生變化,其關系為:

式中:σ′——有效應力,MPa;

α——等效孔隙水壓系數;

pv——孔隙水壓,MPa。

將式(7)代入式(4)中,得到以下變換:

此外，枯草芽孢桿菌對蛋白的降解能力較強。從養殖池塘底泥中分離的枯草芽孢桿菌也作為降解飼料蛋白菌劑，并采用紫外誘變提升蛋白酶活性[9]，通過高溫發酵提高發酵液中蛋白質的降解率[10]。另外，新疆阿克蘇鹽堿地土壤中可培養的優勢菌群為芽孢桿菌屬(36. 27%)、鏈霉菌(10.8%)、微球菌屬(6.9%)等[7]，采用變性梯度凝膠電泳分析芽孢桿菌目也為優勢菌群[11]，由此推測芽孢桿菌屬菌群對土壤中Cry1Ac蛋白降解可能具有較大貢獻。芽孢桿菌屬菌群與Cry1Ac蛋白降解特性還需深入研究。

由此得出有效主應力與內摩擦角、粘聚力之間的關系為:

且知煤體外側靜水壓力ps函數關系,其中負號表示煤體承壓:

式中:ps——煤體外側靜水壓力,MPa。

由于煤柱破壞止于有效隔水區表面,則可以近似認為靜水壓力與孔隙水壓相同,即ps＝pv。

聯立(3)、(5)、(7)、(9)、(10)計算有效隔水區合理寬度,取z＝M,x＝L12,解得有效隔水區合理寬度L12為:

式中:L12——有效隔水區煤柱合理寬度,m。

3.2.2 采用《煤礦防治水規定》中經驗公式計算有效隔水區煤柱寬度

《煤礦防治水規定》中規定,含水或導水斷層防隔水煤柱留設公式:

K——安全系數,一般取2～5;

Kp——煤的抗拉強度,MPa。

3.2.3 根據極限平衡理論計算有效隔水區煤柱寬度

極限平衡理論對隔水煤柱的留設作出了細致分析,認為真正起隔水作用的煤柱寬度是扣除塑性破壞后的核心部分,其有效隔水區煤柱寬度為:

式中:L32——有效隔水區煤柱留設寬度,m;

f——煤層摩擦系數,常近似取0.1;

δy——頂底板摩擦阻力,MPa。

綜上所述,取3種計算方法得出的最大值為有效隔水區煤柱寬度,即:

則常家溝水庫周邊5－2煤層開采保護煤柱合理寬度計算公式為:

4 保護煤柱留設寬度計算

4.1 礦壓影響區煤柱寬度L1計算

常家溝水庫洪峰期最高洪水位標高為＋1138.17 m,5－2煤層底板標高為＋1055 m,則相對埋深H1為83.17 m。

根據張家峁煤礦5－2煤層開采地表移動實測結果可知,5－2煤層開采后走向邊界角為65°,傾向邊界角為57.8°。選取最小邊界角值進行計算,因此取邊界角δ為57.8°,將數據代入式(1),計算得礦壓影響區煤柱寬度52.4 m。

4.2 有效隔水區煤柱寬度L2計算

采用式(11)計算,式中采高M取6.0 m,煤層粘聚力c為2.81 MPa,內摩擦角φ為23°,等效孔隙水壓系數α取0.3,水頭壓力p取0.26 MPa。

5－2煤層埋深H2取130 m,上覆巖層平均容重γ取24 k N/m3,根據pz＝γH2,計算得礦山壓力為3.12 MPa。

5－2煤層抗壓強度p1為15 MPa,側向壓應力系數β為0.24,根據x＝βp1,計算得側向壓應力為3.6 MPa。將數據代入式(11)計算得出L12為4.8 m,即利用力學模型求得有效隔水區煤柱寬度為4.8 m。

采用公式(12)計算,式中K為安全系數,取5;煤的抗拉強度Kp為0.3 MPa。計算得出為24.2 m,即參考《煤礦防治水規定》中經驗公式求得有效隔水區煤柱寬度為24.2 m。

采用公式(13)計算,式中煤層摩擦系數f取0.1,頂底板摩擦阻力δy為3.12 MPa。計算得出L32為2.45 m,即根據極限平衡理論計算有效隔水煤柱寬度為2.45 m。

針對張家峁煤礦5－2煤層賦存條件,采用《煤礦防治水規定》中經驗公式計算結果最為合理。因此,確定有效隔水區煤柱寬度L2為24.2 m。

綜上所述,常家溝水庫周邊5－2煤層保護煤柱留設總寬度L5－2＝L1＋L2＝52.4＋24.2＝76.4 m,取77 m。

按照一般的經驗設計,大型水庫周邊的煤柱留設寬度為100～150 m,張家峁煤礦根據采掘計劃, 2017年后計劃開采常家溝水庫周圍5－2煤層,目前按照本論文計算方法及結論正在組織施工相關巷道工程,使水庫周邊5－2煤資源回收率在初步設計基礎上提高,增加礦井經濟效益。

5 結語

(1)從煤柱賦存條件及自身物理力學性質、礦山壓力和水作用3個方面對保護煤柱穩定性進行了分析。除此之外,開采技術條件、煤柱側的開采活動也對煤柱穩定性產生影響。因此,煤柱寬度計算時不能只考慮煤柱自身的承受能力,應該從多方面進行計算和驗證。

(2)根據礦山壓力和水壓力對煤體不同作用和影響,保護煤柱從防隔水功能上沿寬度方向可劃分為礦壓影響區和有效隔水區。

(3)計算得出張家峁煤礦常家溝水庫周邊5－2煤層保護煤柱留設寬度為77 m。

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(責任編輯 張毅玲)

圖1 設計區域工作面布置圖

4 結論

(1)分析了設計區覆巖結構、火成巖及開采深度等因素對地表移動變形的影響,認為設計區域上軟下硬的覆巖結構對建(構)筑物保護是有利的,采用條帶開采方案進行建(構)筑物下壓煤開采是可行的。

(2)根據村莊房屋及湖口閘結構狀況并結合相關規范,確定采動變形控制標準為:村莊內最大下沉值小于500 mm,湖口閘最大下沉值小于200 mm,村莊及湖口閘的最大水平變形值均小于1 mm/m。

(3)依據覆巖條件,應用條帶開采設計理論,確定設計區范圍采用開采寬度120 m、留設煤柱寬度110 m的條帶開采方案。采動變形預計結果和應用實踐均表明,該方案可以有效減小地表移動變形,滿足保護地表房屋及湖口閘等建(構)筑物的要求。

參考文獻:

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作者簡介:郭愛國(1981－),男,山東菏澤人,碩士,工程師。現在天地科技股份有限公司從事巖層移動與特殊采煤技術的研究與應用工作。

(責任編輯 張毅玲)

Research on reasonable design of protective coal pillar around reservoir in shallow coal seam

Miao Yanping1,4,Huang Kejun2,3,Cao Xinqi3,Geng Yaoqiang3,Shen Huichu3
(1.School of Architecture and Civil Engineering,Xi＇an University of Science and Technology, Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.School of Energy Engineering,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 3.Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi 710065,China; 4.Shenmu Zhangjiamao Mining Co.,Ltd.,Shaanxi Coal Industry Group,Shenmu,Shaanxi 719313,China)

Aimed at the large-scale mining situation of No.5－2coal seam around Changjiagou reservoir in Zhangjiamao Coal Mine in Shennan mining area,the protective coal pillars are divided into ground pressure effected zones and effective water-resisting zones from the width direction according the function of water-resisting and the influence factors of stability.The widths of ground pressure effected zone and effective water-resisting zone are analyzed theoretically,then the corresponding formula is derived.By calculation,the reasonable width of the protective coal pillar of No.5－2coal seam around Changjiagou reservoir in Zhangjiamao Coal Mine in Shennan mining area is 77m.

mining under the building,protective coal pillar,design width,shallow coal seam mining,Shennan mining area

TD823.83

A

苗彥平(1984－),男,陜西省神木縣人,采礦工程師,現于陜煤集團神木張家峁礦業有限公司生產技術部任主任工程師,主要從事淺埋煤層開采、多煤層配采等技術研究。