采空區(qū)防水密閉墻穩(wěn)定性監(jiān)測與抗水壓能力研究

杜明澤 ，孔繁龍 ，費 宇 ，王東昊

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室, 北京 100013；3.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083）

0 引 言

我國煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是世界上礦山水害最嚴(yán)重的國家之一[1]。近年來，隨著能源戰(zhàn)略向西部轉(zhuǎn)移、西部煤炭資源開發(fā)步伐的加快，煤炭資源開采深度、開采規(guī)模、開采范圍及開采強度不斷加大，水害危害程度將更加突出，突水頻率和突水強度將不斷加大，礦井水害防治也面臨著巨大的挑戰(zhàn)[2-3]。尤其是西部煤炭資源開采效率的提高以及中小型礦井資源整合，形成了大量的煤礦采空區(qū)，隨著時間的延長采空區(qū)積水逐漸增多，由此引發(fā)的水害問題也日益嚴(yán)重[4-5]。

西部礦區(qū)煤層厚度大，開采強度高，圍巖破壞劇烈，礦壓顯現(xiàn)加劇[6-7]。為防止工作面開采后采空區(qū)積水對本工作面開采造成威脅，通常在工作面采終位置修建防水密閉墻，以防止采空區(qū)積水過多引發(fā)水害。另外，西部作為我國煤炭主要生產(chǎn)基地，侏羅紀(jì)煤田處于干旱、半干旱氣候區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此，利用井下采空區(qū)進行儲水成為保水開采的重要手段[8-9]。然而，井下采空區(qū)儲水需要對采空區(qū)防水密閉墻的抗水壓能力進行評估，一方面實現(xiàn)井下儲水，另一方面保證井下安全，為井下采空區(qū)疏放水提供參數(shù)指導(dǎo)。

然而，現(xiàn)有的研究多集中在理論計算和數(shù)值模擬上，采礦工程力學(xué)影響因素眾多，各礦山采礦技術(shù)復(fù)雜多變，特別是受采動和水壓影響，防水密閉墻會發(fā)生損傷，承壓能力會發(fā)生變化，僅單憑簡化后的理論計算和數(shù)值模擬是難以真實反映出防水密閉墻的受力狀態(tài)和變形情況，且數(shù)值模擬多未考慮水頭高度的影響。鑒于此，筆者在理論分析的基礎(chǔ)上，研發(fā)井下采空區(qū)防水密閉墻應(yīng)力和位移監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，探索了采終防水密閉墻的穩(wěn)定性，以期為防水密閉墻抗水壓能力提供理論基礎(chǔ)與應(yīng)用參考。

1 工程概況

1.1 礦井地質(zhì)條件

察哈素煤礦位于東勝煤田南緣的中深部，井田內(nèi)地層由老至新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）、侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）、侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）、第四系（Q）。

1.2 工作面開采情況

31311 工作面開采煤層為近水平厚煤層，采用走向長壁式后退式采煤法，采用大采高一次采全高綜合機械化采煤工藝，自然垮落法管理采空區(qū)頂板。31311 工作面煤層厚度5.11～6.90 m，平均煤厚6.04 m。煤層底板標(biāo)高+941.045～+956.40 m，工作面斜長290.08 m，31313 回風(fēng)巷與31311 采空區(qū)之間煤柱寬度35 m。31311 工作面防水密閉墻位置如圖1所示。

圖1 采終防水密閉墻位置Fig.1 Location of end mining waterproof sealing wall

1.3 31311 防水密閉墻結(jié)構(gòu)

31311 采終密閉結(jié)構(gòu)為濾漿墻+正式密閉（內(nèi)墻+充填層+外墻），濾漿墻為磚混墻結(jié)構(gòu)，厚度為1 m；內(nèi)外墻為鋼筋砼墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻厚度為1 m，外墻厚度為1.5 m；充填層為黃土+生石灰+羅克休充填，長度為5 m。正式密閉內(nèi)外墻在澆筑前需要掏槽，實幫實底后幫槽、底槽、頂槽均為0.75 m。正式密閉的砼澆筑部分掏槽后在頂、底及兩幫根據(jù)掏槽寬度及深度打設(shè)?18×1 800 mm 錨桿（錨桿外露500 mm）并掛網(wǎng)。防水密閉墻結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采終防水密閉墻結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural of end mining waterproof sealing wall

2 煤巖體力學(xué)性質(zhì)

煤體取樣地點為31311 回采工作面，頂、底板巖樣取樣地點為31311、31313 工作面主回撤通道。試驗共加工煤巖標(biāo)準(zhǔn)試樣124 塊，根據(jù)煤層取樣的相對位置分為3 煤上、3 煤中和3 煤下，3-1 煤煤巖加工試件如圖3 所示。

圖3 3-1 煤煤巖加工試件Fig.3 No.3-1 coal rock processing test piece

通過巖石力學(xué)測試，得出3-1 煤單軸抗壓強度最最小值為9.979 MPa，最大值為19.567 MPa；3-1 煤頂板巖層單軸抗壓強度最小值為30.601 MPa，最大值為97.779 MPa，單軸抗拉強度為1.185～3.081 MPa；3-1煤底板巖層單軸抗壓強度最小值為60.168 MPa，最大值為62.770 MPa，單軸抗拉強度為2.908～3.267 MPa。

3 防水密閉墻安全水壓理論分析

影響井下密閉墻可靠性的主要因素除了墻體自身的強度外，還與墻體周邊圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)，水體性質(zhì)及壓力大小，防水煤柱留設(shè)尺寸，墻體施工質(zhì)量及維護情況等主要因素有關(guān)。

北京市河湖基本情況普查技術(shù)路線及特點分析………………………………… 王亞娟，李 濤，楊大杰等(1.47)

從防水密閉墻結(jié)構(gòu)受力出發(fā)，通過對物理模型的簡化，將密閉墻體與煤柱看成整體，推導(dǎo)計算密閉墻體抗壓強度、墻體與煤柱相嵌固定的四周抗剪強度以及抗?jié)B的安全水頭[11]。

察哈素煤礦井下防水密閉墻主體受力結(jié)構(gòu)為混凝土/砼墻體，混凝土/砼墻強度等級為C20。防水密閉墻的穩(wěn)定性除與密閉墻有關(guān)，還與密閉墻相嵌于煤柱內(nèi)部的煤體強度有關(guān)。不考慮采動影響，理論計算結(jié)果見表1。由表1 可知，墻體與煤巖柱相嵌的四周抗水壓能力最小，即墻體與煤巖柱接觸面容易受剪切作用而破壞。因此，墻體與煤巖柱相嵌的接觸面易為結(jié)構(gòu)弱面，應(yīng)注意加強防水密閉墻與煤巖柱相嵌位置的監(jiān)測或觀測。通過理論計算，得出防水密閉墻承壓的安全水頭最大值為13.1 m。

表1 防水密閉墻承壓能力理論計算結(jié)果Table 1 Theoretical calculation results of pressure bearing capacity of waterproof sealing wallm

4 防水密閉墻抗水壓能力數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型的建立與力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦井工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立煤層開采密閉墻的數(shù)值模型，模型尺寸為610 m×600 m×220 m，工作面長度290 m，采高5.6 m，密閉墻建在工作面綜采線回風(fēng)外回風(fēng)巷道50 m 處。模型上方有約180 m 巖層未建立，以均布載荷形式施加到模型上部邊界，大小為4.5 MPa。密閉墻數(shù)值模型如圖4所示，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

圖4 防水密閉墻數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of waterproof sealing wall

4.2 模擬方案

為方便計算，對模型進行了簡化，設(shè)計回風(fēng)巷采線外50 m 建立密閉墻，簡化后的模擬推進方向和密閉墻的相對位置如圖5 所示。模擬分為2 步：①工作面開切眼推采至終采線，分析采動過程中密閉墻的受力狀態(tài)和變形情況；②考慮采空區(qū)儲水水頭高度對密閉墻穩(wěn)定性的影響，采空區(qū)進行儲水，設(shè)置采空區(qū)儲水或積水水頭高度分別為6、9、12 和15 m 時對密閉墻穩(wěn)定性的影響，即水頭從采空區(qū)底板起水頭梯度（1 m 水頭高度≈0.01 MPa）依次梯度減小，分析密閉墻在應(yīng)力和水壓耦合作用下密閉墻的破壞情況。

圖5 工作面開采采終密閉墻破壞情況Fig.5 Sealing wall damage after mining of the 31311 working face

4.3 模擬結(jié)果分析

1）采動超前影響結(jié)果分析。工作面開采后，采終密閉的受力狀態(tài)、變形和塑性破壞情況如圖5 所示。由圖5 可知，工作面開采后，密閉在工作面停采線50 m 受到采動超前影響，最大應(yīng)力達(dá)到33 MPa，最大位移在密閉右上頂角位置，這是由于采動影響下，密閉受超前應(yīng)力的影響，在密閉處形成相對應(yīng)力集中，右上角靠近工作面?zhèn)龋瑢?dǎo)致應(yīng)力在右上角最大，位移也相對增大。塑性區(qū)受密閉集中應(yīng)力的影響，在頂?shù)捉翘幊霈F(xiàn)，局部受拉伸破壞，但范圍小，未貫通，密閉整體完整性較好，密閉整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

總體來看，密閉墻處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受超前采動的影響，密閉墻體易出現(xiàn)應(yīng)力集中，除在密閉與煤柱接觸面易為結(jié)構(gòu)弱面外，在密閉頂?shù)捉俏恢靡踩菀壮蔀榻Y(jié)構(gòu)弱面，在觀測過程中應(yīng)加強監(jiān)測或觀測。

2）水頭高度的影響分析?？紤]到采空區(qū)內(nèi)進行儲水，因此，設(shè)置水頭高度分別為6、9、12 和15 m 情況下，密閉的接觸滑移情況如圖6 所示。由圖6 可知，水壓作用下加劇了密閉墻體破壞的概率。當(dāng)水頭高度為6 m 時，在水壓作用下最大剪切應(yīng)力在頂部兩角出現(xiàn)，剪切破壞也發(fā)生在頂部兩角，切向雖發(fā)生局部滑移，但未貫通，密閉處于安全狀態(tài)；當(dāng)水頭高度為9 m 時，剪切破壞繼續(xù)發(fā)展，局部滑移更進一步加急加劇，但仍沒有完全溝通，因此，水頭高度為9 m 時，密閉整體處于安全狀態(tài)，但趨于危險的走勢明顯；當(dāng)水頭高度為12 m 時，剪切破壞繼續(xù)發(fā)展，剪切應(yīng)力下降，局部滑移再次擴大，且密閉頂角進一步發(fā)生滑移，密閉在頂角已經(jīng)相嵌滑移，幾乎貫通，密閉處于危險邊緣；當(dāng)水頭高度為15 m 時，發(fā)生大范圍的剪切破壞，滑移再次擴大，且發(fā)生貫通，密閉在頂角發(fā)生滑移相嵌，表明裂隙已經(jīng)貫通，密閉處于危險狀態(tài)。因此，密閉在水壓和應(yīng)力的作用下，水頭高度極限狀態(tài)在12 m。

圖6 水壓作用下防水密閉墻破壞情況Fig.6 Damage of waterproof sealing wall under water pressure

5 防水密閉墻應(yīng)力位移監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測結(jié)果

5.1 防水密閉墻應(yīng)力、位移監(jiān)測系統(tǒng)介紹

井下采空區(qū)防水密閉墻應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，包括應(yīng)力監(jiān)測裝置、采集裝置和分析裝置，應(yīng)力監(jiān)測裝置與防水密閉墻相接觸，以監(jiān)測防水密閉墻上的應(yīng)力；所述采集裝置包括存儲器和采集器，存儲器與應(yīng)力監(jiān)測裝置相連，以存儲應(yīng)力監(jiān)測裝置形成的應(yīng)力數(shù)據(jù)；采集器與存儲器電連接，以接收存儲器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)；分析裝置與采集裝置相連，以用于接收和分析采集器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前防水密閉墻的受力狀態(tài)。

井下采空區(qū)防水密閉墻位移監(jiān)測系統(tǒng)，包括位移監(jiān)測裝置、采集裝置和分析裝置，位移監(jiān)測裝置與防水密閉墻相接觸，以監(jiān)測防水密閉墻的位移；采集裝置包括存儲器和采集器，存儲器與位移監(jiān)測裝置相連，以存儲位移監(jiān)測裝置形成的位移數(shù)據(jù)；采集器與存儲器電連接，以接收存儲器中的位移數(shù)據(jù)；分析裝置與采集裝置相連，以用于接收和分析采集器采集的位移數(shù)據(jù)并根據(jù)位移數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前防水密閉墻的變形情況。防水密閉墻應(yīng)力、位移監(jiān)測系統(tǒng)示意如圖7 所示。

5.2 防水密閉墻應(yīng)力、位移監(jiān)測布置與過程

基于理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果可知，在密閉與煤巖柱相嵌的結(jié)構(gòu)面以及密閉的頂?shù)捉且壮蔀榻Y(jié)構(gòu)弱面，因此，應(yīng)力和位移監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點布置在密閉墻與煤巖柱相嵌的接觸面和頂?shù)捉牵瑫r，為保證監(jiān)測范圍，在密閉墻中間位置也布設(shè)應(yīng)力和位移監(jiān)測點，具體測點布置如圖8 所示。

31311 工作面防水密閉于2019 年5 月31 日安裝調(diào)試完成，應(yīng)力和位移監(jiān)測點布置在正式密閉墻的內(nèi)墻，布置6 個應(yīng)力監(jiān)測探頭和5 個位移計，安裝過程中，1 個應(yīng)力監(jiān)測探頭線被破壞，后續(xù)又有1 連接線被破壞。31311 工作面應(yīng)力、位移監(jiān)測點布置如圖8 所示。

5.3 防水密閉墻應(yīng)力、位移監(jiān)測結(jié)果分析

防水密閉墻應(yīng)力、位移隨時間的變化規(guī)律如圖9 所示。由圖9a 可知，6 號和7 號應(yīng)力測點在2019 年11 月底出現(xiàn)應(yīng)力波動異常點，應(yīng)力探頭均朝上，說明監(jiān)測點可能受到超前采動應(yīng)力的影響，在密閉頂部產(chǎn)生應(yīng)力集中，但影響不大，未出現(xiàn)明顯持續(xù)的應(yīng)力波動。8 號應(yīng)力點除在初期調(diào)試開始階段有跳動（調(diào)試結(jié)果），整個監(jiān)測期間未有明顯的持續(xù)波動。5 號應(yīng)力測點在2019 年10 月突然增大后緩慢下降，說明密閉墻和煤柱接觸面受到擠壓，密閉墻與煤柱接觸面為重點關(guān)注部位，其余測點基本平穩(wěn)，密閉處于安全狀態(tài)。

圖9 防水密閉墻應(yīng)力、位移隨時間的變化規(guī)律Fig.9 The change laws of stress and displacement of waterproof sealing wall with time

由圖9b 可知，5 號位移監(jiān)測點監(jiān)測周期內(nèi)有所波動，其對應(yīng)位置為密閉墻與煤柱的頂角，說明受超前應(yīng)力的影響，在密閉頂部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在頂角處產(chǎn)生變形，但影響較小，波動不大。2019 年11 月后，5 號位移監(jiān)測點出現(xiàn)異常，位移監(jiān)測點已達(dá)到最大，此監(jiān)測點已經(jīng)失效，為異常點。除異常點外，其余位移測點基本保持穩(wěn)定，較為穩(wěn)定，密閉處于安全狀態(tài)。

5.4 防水密閉安全水位高度確定

通過理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果，在不受采動影響的情況下，31311 防水密閉墻承受的最大水頭高度為13.1 m?？紤]采動影響，防水密閉墻受超前采動影響和水壓作用下密閉墻的最大水頭高度為12 m，按照密閉墻所能承受的安全水頭值的80%確定警戒水位線，確定31311 防水密閉墻的警戒水位線的水頭高度為9.6 m。

井下環(huán)境復(fù)雜，為保證密閉墻的安全，建議在日常井下采空區(qū)儲水過程中，要時刻動態(tài)監(jiān)測采空區(qū)水體的水位、水壓，嚴(yán)格控制水位高度，嚴(yán)禁井下水位超過限制水位線；必要時采取注漿封堵等有效措施對密閉與煤巖柱接觸面等結(jié)構(gòu)弱面、滲漏部位進行加固處理，同時合理控制采空區(qū)內(nèi)注排量，確保井下采空區(qū)礦井水復(fù)用的可持續(xù)性。

6 結(jié) 論

1）研發(fā)了防水密閉墻應(yīng)力和位移監(jiān)測系統(tǒng)，由應(yīng)力或位移監(jiān)測裝置、采集裝置和分析裝置組成。系統(tǒng)在31311 工作面采終防水密閉墻進行了應(yīng)用，監(jiān)測結(jié)果表明除個別異常點外，應(yīng)力和位移變化不明顯，現(xiàn)階段密閉墻整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）通過理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測表明，在不考慮采動影響的情況下，31311 采終防水密閉墻承受的最大水頭高度為13.1 m；考慮采動和水壓作用下，確定了防水密閉墻的最大水頭高度為12 m，31311 采終密閉墻的警戒水位線的水頭高度為9.6 m。

3）通過理論分析和數(shù)值模擬表明，墻體與煤巖柱相嵌的接觸面、密閉墻的頂?shù)捉且诪榻Y(jié)構(gòu)弱面，應(yīng)加強此處位置的監(jiān)測或觀測，必要時可采用注漿封堵手段對結(jié)構(gòu)弱面或滲漏部位進行加固處理。