大汶口石膏礦區采空區隔離范圍及礦柱寬度的研究

李樹濤　李　洪

(1.山東鑫國煤電有限責任公司汶陽石膏礦；2.山東科技大學資源與土木工程系(泰安))

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大汶口石膏礦區采空區隔離范圍及礦柱寬度的研究

李樹濤1李洪2

(1.山東鑫國煤電有限責任公司汶陽石膏礦；2.山東科技大學資源與土木工程系(泰安))

大汶口石膏礦層開采受上覆含水層嚴重威脅，因此留有連續礦柱以確保開采期間采空區穩定。但石膏礦層質軟且多含泥質夾層，隨著時間的推移，風化和蠕變的礦柱可能最終失穩垮塌，為了避免礦柱失穩時地表過度沉陷造成地面建筑物嚴重破壞和耕作困難，需要設置隔離礦柱。運用彈塑性理論，參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，以地面建筑物破壞程序不超過Ⅱ級的地表變形值為依據，確定了隔離礦柱寬度為30m，礦柱間最大開采長度109m，避免了災害的擴散和對地面的破壞。

隔離礦柱地表下沉連續礦柱房柱法

大汶口礦區石膏儲量豐富，探明儲量337億t，占全國總儲量的48%[1]。石膏礦層賦存于第三系，埋深大多在100～300m，第三系之上的第四系覆蓋層厚度超過20m，為礦區主要含水層，歷史上曾多次出現因頂板垮落貫通第四系含水層而淹井。

大汶口礦區地表土地肥沃、水源充沛、旱澇保收，是山東著名的高產糧地區，加之地面有大量的村莊，因此，井工采礦不允許地表有大的沉陷。

基于上述原因，大汶口礦區石膏礦開采必須避免頂板垮落并保持礦柱穩定，因此，目前普遍采用連續礦柱房柱法開采,礦房跨度4m，礦柱寬度4～5m，采高3～6m。雖然連續礦柱房柱法的開采保證了采空區較長時間內的穩定可靠，但由于風化剝蝕及蠕變劈裂等各種因素的影響，即使封井關停若干年后，也可能最終導致僅5m寬的礦柱坍塌，從而引發更大面積的礦柱倒塌，導致地表大面積沉陷，破壞地面村莊和高產耕地。因此，必須控制開采礦塊大小，并在礦塊四周設置隔離礦柱，不使垮塌范圍大面積擴散,保持永久穩定。為此，針對大汶口石膏礦連續礦柱房柱法開采存在的隱患，需研究礦塊開采后采空區隔離范圍及隔離礦柱尺寸問題。

1　礦山基本概況

山東大汶口礦區具有十分豐富的石膏儲量，普遍開采的石膏礦層分別為2Ⅲ、3Ⅱ和5膏層，礦層平均厚度分別為5.4，7.3，5.2m；礦區地表為第四系覆蓋區，石膏礦層賦存于官莊群大汶口組二段上部，呈向斜構造，兩翼傾角均4°～7°；膏層頂板巖性以泥巖、頁巖為主，夾少量砂巖，頂板工程地質穩定性較差，底板巖性為泥巖、泥灰巖夾頁巖，穩固性較差。為了防止采空區垮塌及地表沉陷，礦層一直采用淺孔連續礦柱房柱法開采[2]，其參數及布置如圖1所示[2]。

圖1　大汶口石膏礦區房柱法開采

2　隔離范圍確定

2.1確定原則

礦柱如果出現大面積垮塌，必然引起上覆巖層移動及地表沉陷，只要垮塌控制在一定范圍內，就能確保地面建筑物不出現嚴重破壞，地表沉陷也不會導致嚴重的積水內澇。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(簡稱《規程》)[3]，當地表水平變形值、變形曲率K及傾斜i不超過表1中Ⅱ級破壞等級的數值時，房屋建筑只需簡單維修就能保證安全使用，地表也不會遭受大的破壞。因此，以建筑物不超過Ⅱ級損壞時的地表最大變形值為原則，確定合理隔離范圍。

表1　建筑物損壞時的地表變形值

2.2地表變形值預計

根據《規程》，表1中的地表水平變形值ε、曲率變形值K和傾斜變形值 i的計算采用下

(1)

式中，b為水平變形系數，取0.3；q為下沉系數；W為地表下沉值，mm；r為主要影響半徑，m；M為開采高度，m；H為開采深度，取多礦層平均值260m；β為主要影響角，取650。

如果采空區不隔離，當礦柱失穩垮塌時，地表沉陷將達到充分采動狀態，根據礦層賦存條件及埋藏深度等因素，結合周邊煤礦地表下沉的實際觀測值(大汶口石膏礦區各礦采空區尚未有垮塌發生，無實測值)，下沉系數q取0.85。

目前，大汶口礦區開采礦層為2Ⅲ、3Ⅱ和5膏，平均采高分別為3.0,4.5和2.7m，共計10.2m。由于采用連續礦柱，礦柱寬度5m，礦房寬度4m。如果礦柱失穩，頂板下沉空間只是采高的一部分?？逅笏楦嗍瘜⒍逊e在長條形礦柱兩邊，使得礦柱失穩散落后堆積不均勻，加之未完全垮塌礦柱、鉆孔礦柱等的支撐，造成頂板下沉空間進一步減少。根據測算和模擬，礦柱失穩后下沉空間為采高的0.3倍，即采空區最大下沉空間為3.06m。

根據式(1)計算，采空區不隔離礦柱失隱后，地表最大下沉值為：ε=9.81mm/m；K=0.273×10-3m；i=21.256mm/m；W=2 581mm。

由表1可知，如果不隔離采空區，地面建筑物將破壞嚴重，破壞等級將達到Ⅳ級，有嚴重的安全隱患，且地表下沉終值最大可達2.58m，對地表破壞嚴重。

2.3隔離范圍確定

要控制地表及建筑物免遭破壞，采用隔離礦柱，把采空區失穩垮塌控制在較小范圍內，則地表下沉不充分，下沉值減少，破壞程度就會降低。

非充分采動沉陷，地表最大下沉值計

(2)

式中，C為覆巖類型系數，堅硬覆巖C=1，中硬覆巖C=2，松軟覆巖C=3；D為礦柱最大失穩寬度，m；m為礦柱失穩時有效下沉空間，mm。

通常情況下，傾斜變形值i受地表下沉影響最大，只要i≤6.0mm/m，則地面建筑物最大破壞等級不會超過Ⅱ級，取C=2[2]，則根據式(1)和式(2)，求得當i=6.0mm/m時，采空區最大尺寸為D=109m。即每隔離109m，需要留設尺寸較大的礦柱，該礦柱能在采空區小尺寸礦柱垮塌時保持穩定，起到阻止礦柱失穩蔓延作用。

3　礦柱尺寸確定

根據彈塑性理論及礦柱設計經驗，隔離礦柱寬度B可按下式計

(3)

式中，x0為礦柱一側塑性區范圍，m；L為礦柱中部彈性區范圍，m；n為安全系數，取2。

礦柱一側塑性區范圍的計算[2]：

(4)

礦柱中部彈性區范圍可按下式計算[2]：

(5)

式中，η為側壓系數，取0.3；c為礦柱內摩擦力，MPa，經測試得到c=2.08。

代入相應參數，計算得到B=28m，確定隔離礦柱寬度B取30m。

根據以上計算，確定大汶口石膏礦區開采的采區(礦塊)最大長度140m，開采長度不應超過109m，隔離礦柱(間柱)不小于30m。

4　預期效果

根據上述隔離范圍，運用式(1)計算,得到采空區所留連續礦柱如果最終失穩，地表最大的沉陷值為：ε=2.73mm/m；K=0.075×10-3/m； i=5.98mm/m；W=727.4mm。

根據表1，設置隔離礦柱后，地表破壞范圍得到控制，建筑物破壞等級最大不超過Ⅱ級，安全隱患小，房屋簡單維修仍可居住。

5　結　語

(1)由于石膏易風化劈裂，開采結束若干年后，井下石膏礦柱可能發生垮塌失穩，為避免礦柱垮塌時對地面建筑和地表造成大的破壞，需要設置隔離礦柱。

(2)隔離范圍為采空區最大長度不超過109m，隔離礦柱寬度應大于30m。

(3)采空區礦柱失穩后隔離礦柱阻止垮塌范圍擴散，控制地表最大下沉值預計不超過727mm，地面建筑物的最大破壞等級不超過Ⅱ級，經簡單維修仍可使用。

[1]泰安市規劃局.山東省泰安市礦產資源調查及規劃[R].泰安：泰安市規劃局，2010.

[2]相寶印，李洪，李樹濤,等.汶陽石膏礦井下開采關鍵技術論證報告[R].泰安:山東泰技大學，2014：26-40.

[3]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京：煤炭工業出版社，2006.

[4]徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.

2015-12-07)

李樹濤(1981—)，男，工程師，總工程師,271606 山東省肥城市汶陽鎮高杭村。