淺埋煤層開采水庫周邊保護(hù)煤柱合理留設(shè)研究

苗彥平黃克軍曹新奇耿耀強(qiáng)沈會(huì)初

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; 3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西省西安市,710065; 4.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司,陜西省神木縣,719313)

淺埋煤層開采水庫周邊保護(hù)煤柱合理留設(shè)研究

苗彥平1,4黃克軍2,3曹新奇3耿耀強(qiáng)3沈會(huì)初3

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054; 3.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西省西安市,710065; 4.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司,陜西省神木縣,719313)

針對(duì)神南礦區(qū)張家峁煤礦常家溝水庫周邊5－2煤層大規(guī)模開采現(xiàn)狀,在考慮保護(hù)煤柱穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上,將保護(hù)煤柱從防隔水功能上沿寬度方向劃分為礦壓影響區(qū)和有效隔水區(qū),分別對(duì)礦壓影響區(qū)寬度和有效隔水區(qū)寬度進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式。計(jì)算得出張家峁煤礦常家溝水庫周邊5－2煤層開采保護(hù)煤柱合理寬度為77 m。

建筑物下采煤 保護(hù)煤柱 留設(shè)寬度 淺埋煤層開采 神南礦區(qū)

神南礦區(qū)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(xiàn)代化礦井。礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水多取自區(qū)內(nèi)火燒區(qū)水、砂層潛水、地表水徑流以及水庫等,隨著煤炭資源大規(guī)?；夭?礦區(qū)各類水資源受到不同程度的影響。同時(shí),神南礦區(qū)各礦井均采用長(zhǎng)壁工作面一次采全高的開采工藝,采動(dòng)影響劇烈,在采礦活動(dòng)中應(yīng)留設(shè)足夠的側(cè)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(zhì)儲(chǔ)量8.65億t,可采儲(chǔ)量5.43億t。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬t/a,服務(wù)年限72年,采煤方法為綜合機(jī)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(tài)環(huán)境脆弱,水資源缺乏。常家溝水庫位于張家峁井田一盤區(qū)內(nèi)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(biāo)高1111.74 m,比礦井5－2煤層底板標(biāo)高1055 m高出56.74 m,洪峰期最高水位1138.17 m,枯水期水位標(biāo)高1121.74 m,分別比礦井5－2煤層底板標(biāo)高高出83.17 m和66.74 m。若保護(hù)煤柱留設(shè)寬度過小,則地表逕流及地下水可能會(huì)涌入礦井,對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅;若保護(hù)煤柱留設(shè)寬度過大,則會(huì)浪費(fèi)大量的煤炭資源。因此,針對(duì)常家溝水庫下及其周邊5－2煤層大規(guī)模開采現(xiàn)狀,基于神南礦區(qū)淺埋煤層賦存條件,研究確定合理的保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸是十分必要的。

2 保護(hù)煤柱穩(wěn)定性影響因素

2.1 礦山壓力對(duì)煤柱體破壞和影響作用

留設(shè)的保護(hù)煤柱除了煤體自身的裂隙性、非均質(zhì)性和不連續(xù)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(tài)。由于采動(dòng)對(duì)煤柱破壞和影響作用,煤柱靠近采場(chǎng)一側(cè),支承壓力超過其極限強(qiáng)度必然會(huì)引起邊緣部分煤體片幫,產(chǎn)生裂隙發(fā)生破壞,形成屈服區(qū),成為強(qiáng)滲透區(qū),基本上已喪失隔水能力,變?yōu)榫哂袠O低阻水能力的煤柱殘余儲(chǔ)備帶。真正起隔水作用的是除去屈服區(qū)的煤柱,也就是彈性區(qū)的煤柱。

2.2 水對(duì)煤體強(qiáng)度的影響

無論巖石還是煤體,都存在著浸水后強(qiáng)度降低的軟化性質(zhì),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(fā)育情況以及浸水時(shí)間的長(zhǎng)短等因素有關(guān),由于保護(hù)煤柱要保證其受長(zhǎng)期浸泡時(shí)的穩(wěn)定性,因此應(yīng)當(dāng)充分考慮壓力水作用的煤體強(qiáng)度降低問題。此外,水壓的大小也直接影響煤柱的穩(wěn)定性。

3 保護(hù)煤柱留設(shè)寬度計(jì)算模型

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

式中:L——保護(hù)煤柱寬度,m;

L1——礦壓影響區(qū)煤柱寬度,m;

L2——有效隔水區(qū)煤柱寬度,m。

5－2煤層開采保護(hù)煤柱寬度留設(shè)如圖1所示。

圖1 5－2煤層開采保護(hù)煤柱寬度留設(shè)示意

3.1 礦壓影響區(qū)煤柱寬度計(jì)算

5－2煤層開采后,采空區(qū)上方的地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形,會(huì)造成其影響范圍內(nèi)的巖體破壞,為保證有效隔水區(qū)煤巖體不受采動(dòng)影響,須根據(jù)采動(dòng)影響的范圍增加保護(hù)煤巖柱的寬度,因此在分析時(shí)把隔水煤巖柱視為建筑物,留設(shè)時(shí)借鑒建筑物下采煤時(shí)保護(hù)煤柱留設(shè)的相關(guān)規(guī)定及計(jì)算方法,礦壓影響區(qū)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(biāo)高到煤層底板標(biāo)高的差值(相對(duì)埋深),m;

δ——煤層采動(dòng)邊界角,(°)。

3.2 有效隔水區(qū)煤柱寬度計(jì)算

有效隔水區(qū)煤柱寬度將基于3種不同的理論分別進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 采用力學(xué)模型計(jì)算有效隔水區(qū)煤柱寬度

對(duì)煤柱屈服區(qū)應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,煤柱受力簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型

模型的邊界條件為:

可得出模型的彈性力學(xué)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(shè)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(qiáng)度,MPa;

β——側(cè)向壓應(yīng)力系數(shù)。

由巖石力學(xué)可知,煤巖是滿足復(fù)雜應(yīng)力下沿著最大剪切面發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)體。同時(shí),考慮煤體中含有軟弱夾層,因此對(duì)于煤巖破壞的強(qiáng)度大小,可采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為煤柱強(qiáng)度失效判據(jù)。由兩區(qū)約束理論假設(shè)可知核區(qū)可視為彈性體,其彈性單元任意角度應(yīng)力具有莫爾圓關(guān)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(zhǔn)則,可推導(dǎo)出主應(yīng)力與內(nèi)摩擦角、粘聚力之間的關(guān)系:

式中:σ——主應(yīng)力,MPa;

σ1——垂直主應(yīng)力,MPa;

φ——內(nèi)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(xì)管作用力的共同作用下吸附水分,從而使煤體顆粒間的內(nèi)聚力和摩擦角降低。當(dāng)煤體內(nèi)注入水壓后,由于存在孔隙水壓pv使得有效應(yīng)力發(fā)生變化,其關(guān)系為:

式中:σ′——有效應(yīng)力,MPa;

α——等效孔隙水壓系數(shù);

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(duì)蛋白的降解能力較強(qiáng)。從養(yǎng)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(fā)酵提高發(fā)酵液中蛋白質(zhì)的降解率[10]。另外，新疆阿克蘇鹽堿地土壤中可培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)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(yōu)勢(shì)菌群[11]，由此推測(cè)芽孢桿菌屬菌群對(duì)土壤中Cry1Ac蛋白降解可能具有較大貢獻(xiàn)。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(yīng)力與內(nèi)摩擦角、粘聚力之間的關(guān)系為:

且知煤體外側(cè)靜水壓力ps函數(shù)關(guān)系,其中負(fù)號(hào)表示煤體承壓:

式中:ps——煤體外側(cè)靜水壓力,MPa。

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

聯(lián)立(3)、(5)、(7)、(9)、(10)計(jì)算有效隔水區(qū)合理寬度,取z＝M,x＝L12,解得有效隔水區(qū)合理寬度L12為:

式中:L12——有效隔水區(qū)煤柱合理寬度,m。

3.2.2 采用《煤礦防治水規(guī)定》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算有效隔水區(qū)煤柱寬度

《煤礦防治水規(guī)定》中規(guī)定,含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲褐粼O(shè)公式:

K——安全系數(shù),一般取2～5;

Kp——煤的抗拉強(qiáng)度,MPa。

3.2.3 根據(jù)極限平衡理論計(jì)算有效隔水區(qū)煤柱寬度

極限平衡理論對(duì)隔水煤柱的留設(shè)作出了細(xì)致分析,認(rèn)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(qū)煤柱寬度為:

式中:L32——有效隔水區(qū)煤柱留設(shè)寬度,m;

f——煤層摩擦系數(shù),常近似取0.1;

δy——頂?shù)装迥Σ磷枇?MPa。

綜上所述,取3種計(jì)算方法得出的最大值為有效隔水區(qū)煤柱寬度,即:

則常家溝水庫周邊5－2煤層開采保護(hù)煤柱合理寬度計(jì)算公式為:

4 保護(hù)煤柱留設(shè)寬度計(jì)算

4.1 礦壓影響區(qū)煤柱寬度L1計(jì)算

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

根據(jù)張家峁煤礦5－2煤層開采地表移動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)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(jìn)行計(jì)算,因此取邊界角δ為57.8°,將數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得礦壓影響區(qū)煤柱寬度52.4 m。

4.2 有效隔水區(qū)煤柱寬度L2計(jì)算

采用式(11)計(jì)算,式中采高M(jìn)取6.0 m,煤層粘聚力c為2.81 MPa,內(nèi)摩擦角φ為23°,等效孔隙水壓系數(shù)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(jù)pz＝γH2,計(jì)算得礦山壓力為3.12 MPa。

5－2煤層抗壓強(qiáng)度p1為15 MPa,側(cè)向壓應(yīng)力系數(shù)β為0.24,根據(jù)x＝βp1,計(jì)算得側(cè)向壓應(yīng)力為3.6 MPa。將數(shù)據(jù)代入式(11)計(jì)算得出L12為4.8 m,即利用力學(xué)模型求得有效隔水區(qū)煤柱寬度為4.8 m。

采用公式(12)計(jì)算,式中K為安全系數(shù),取5;煤的抗拉強(qiáng)度Kp為0.3 MPa。計(jì)算得出為24.2 m,即參考《煤礦防治水規(guī)定》中經(jīng)驗(yàn)公式求得有效隔水區(qū)煤柱寬度為24.2 m。

采用公式(13)計(jì)算,式中煤層摩擦系數(shù)f取0.1,頂?shù)装迥Σ磷枇Ζ膟為3.12 MPa。計(jì)算得出L32為2.45 m,即根據(jù)極限平衡理論計(jì)算有效隔水煤柱寬度為2.45 m。

針對(duì)張家峁煤礦5－2煤層賦存條件,采用《煤礦防治水規(guī)定》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果最為合理。因此,確定有效隔水區(qū)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(hù)煤柱留設(shè)總寬度L5－2＝L1＋L2＝52.4＋24.2＝76.4 m,取77 m。

按照一般的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),大型水庫周邊的煤柱留設(shè)寬度為100～150 m,張家峁煤礦根據(jù)采掘計(jì)劃, 2017年后計(jì)劃開采常家溝水庫周圍5－2煤層,目前按照本論文計(jì)算方法及結(jié)論正在組織施工相關(guān)巷道工程,使水庫周邊5－2煤資源回收率在初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提高,增加礦井經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

(1)從煤柱賦存條件及自身物理力學(xué)性質(zhì)、礦山壓力和水作用3個(gè)方面對(duì)保護(hù)煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。除此之外,開采技術(shù)條件、煤柱側(cè)的開采活動(dòng)也對(duì)煤柱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此,煤柱寬度計(jì)算時(shí)不能只考慮煤柱自身的承受能力,應(yīng)該從多方面進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。

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

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

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

圖1 設(shè)計(jì)區(qū)域工作面布置圖

4 結(jié)論

(1)分析了設(shè)計(jì)區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)、火成巖及開采深度等因素對(duì)地表移動(dòng)變形的影響,認(rèn)為設(shè)計(jì)區(qū)域上軟下硬的覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)建(構(gòu))筑物保護(hù)是有利的,采用條帶開采方案進(jìn)行建(構(gòu))筑物下壓煤開采是可行的。

(2)根據(jù)村莊房屋及湖口閘結(jié)構(gòu)狀況并結(jié)合相關(guān)規(guī)范,確定采動(dòng)變形控制標(biāo)準(zhǔn)為:村莊內(nèi)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(jù)覆巖條件,應(yīng)用條帶開采設(shè)計(jì)理論,確定設(shè)計(jì)區(qū)范圍采用開采寬度120 m、留設(shè)煤柱寬度110 m的條帶開采方案。采動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果和應(yīng)用實(shí)踐均表明,該方案可以有效減小地表移動(dòng)變形,滿足保護(hù)地表房屋及湖口閘等建(構(gòu))筑物的要求。

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作者簡(jiǎn)介:郭愛國(guó)(1981－),男,山東菏澤人,碩士,工程師。現(xiàn)在天地科技股份有限公司從事巖層移動(dòng)與特殊采煤技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。

(責(zé)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(xiàn)于陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司生產(chǎn)技術(shù)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(shù)研究。