皖北孫疃煤礦防砂煤巖柱開采可行性研究

杜宗慶,陳東

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,合肥 230601)

0 引言

煤礦在開采過程中需要留設(shè)防砂煤巖柱,如果留設(shè)過大,會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi),留設(shè)過小,可能在開采過程中發(fā)生安全事故。防砂煤巖柱留設(shè)在很大程度上影響著斷層下的煤層工作面的推進(jìn),因此,在保證安全開采和有效節(jié)約資源的前提下確定煤巖柱高度、正確留設(shè)煤巖柱就顯得尤為必要。

針對防砂煤巖柱合理留設(shè)的研究,國內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)取得了大量成果。李臣等[1]根據(jù)布爾臺(tái)煤礦的實(shí)測資料,采用數(shù)值模擬和軟件模擬相結(jié)合的研究方法,分析了多次采動(dòng)對斷層保護(hù)煤巖柱產(chǎn)生的影響。王忻[2]以開灤礦區(qū)為研究對象,采用F-RFPA 2D軟件和理論分析的方法,計(jì)算出斷層防水煤巖柱的寬度。顧士坦等[3]根據(jù)3306工作面地質(zhì)特征數(shù)據(jù),利用FLAC 3D模擬研究了在DF60斷層處煤巖柱的應(yīng)力和彈性應(yīng)變能密度,確定了煤巖柱的尺寸。劉金海等[4]以李樓煤礦為研究對象,分析工作面微震數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù),提出了計(jì)算煤巖柱寬度的方法,并進(jìn)行了計(jì)算。涂敏等[5]運(yùn)用數(shù)值分析的方法,通過單因素分析法和函數(shù)增減性判別準(zhǔn)則研究煤巖柱合理寬度的規(guī)律,提出了減小煤巖柱寬度將會(huì)大大提高回采率的方法,并在最后計(jì)算了煤巖柱的寬度。DUAN等[6]采用經(jīng)驗(yàn)公式類比、數(shù)值模擬等方法對工作面進(jìn)行系統(tǒng)分析,確定了防砂煤巖柱的寬度,為提高開采上限和設(shè)置安全煤巖柱提供了參考。LIU等[7]建立了煤巖柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,基于煤巖柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提出了穩(wěn)定性控制措施。POULSEN等[8]通過分析工作面數(shù)據(jù),確定煤巖柱尺寸,同時(shí)提出了一種計(jì)算煤巖柱所受載荷的方法,其適用于任意平面形狀的煤巖柱,并考慮了該礦柱相對于其他礦柱、未開采的煤和巷道網(wǎng)絡(luò)的空間位置。在斷層以及上覆巖層的影響下,煤層留設(shè)防砂煤巖柱寬度的影響因素較多,必須綜合考慮才能確保煤層順利開采[9]。

本文以皖北地區(qū)孫疃煤礦為例,首先進(jìn)行實(shí)地勘探,收集相應(yīng)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。再采用理論計(jì)算、FALC 3D軟件進(jìn)行模擬分析,計(jì)算垮落帶、保護(hù)層厚度以及防砂煤巖柱最大垂高。最后通過FALC 3D軟件模擬開采后覆巖的豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力以及采動(dòng)后位移的變化,對煤巖柱留設(shè)做出合理性判斷,盡可能地減少煤炭資源的浪費(fèi),確保工作面的順利開采。

1 工程概況

1.1 工作面概況

本文以皖北地區(qū)孫疃煤礦的81礦區(qū)為主要研究對象,其位于淮北煤田中南部,地處宿北斷裂塊內(nèi)。1001工作面位于采區(qū)內(nèi),采區(qū)位于礦井南部,總體上為一走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造,地層傾角一般為10°～20°。采區(qū)內(nèi)組合斷層有44條,均為正斷層,其中落差≥100 m的斷層有3條;40 m≤落差<100 m的斷層有4條;20 m≤落差<50 m的斷層有4條;10 m≤落差<20 m的斷層有5條;落差<10 m的斷層有28條。斷層走向以N30°～60°E為主,其次為N10°～30°E。圖1為采區(qū)構(gòu)造綱要圖。

圖1 采區(qū)構(gòu)造綱要圖

據(jù)1001工作面勘探結(jié)果,并結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)信息分析可知82煤層為可采煤層,下部距泥巖4.5～43.5 m,平均深度為20.4 m。煤層可采厚度為1.76～10.0 m,平均厚度為3.76 m,以中厚煤層為主。礦區(qū)北邊因有災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)而設(shè)置為不可采區(qū);可采厚度>2.00 m的煤層大體分布在礦區(qū)的中部以及深部。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦井區(qū)松散層厚度為153.70～246.00 m,呈現(xiàn)從北到南逐漸增厚的趨勢。松散層涵蓋4個(gè)含水層(簡稱“四含”)和3個(gè)隔水層(簡稱“三隔”)。

松散層第3隔水層的底界深度為184.60～221.18 m,平均埋深為201.68 m,厚度較大,分布穩(wěn)定,可塑性好,膨脹性較強(qiáng),阻隔水的性能也良好,是非常重要的隔水層,由綠色、黃色黏土及砂質(zhì)黏土夾薄砂層構(gòu)成[10]。1001工作面東南部“三隔”厚度較厚,向西北部厚度逐漸變薄,但總體均勻,變化不大。圖2為采區(qū)“三隔”厚度等值線圖。

圖2 采區(qū)“三隔”厚度等值線圖

“四含”底界深度為200.23～223.31 m,平均深度為207.90 m,“四含”厚度為1.0～8.0 m,平均厚度為3.63 m。單位涌水量為0.007 1 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.04 m/d。這里的巖性非常復(fù)雜,主要由黏土質(zhì)砂、中細(xì)砂構(gòu)成。有一些鉆孔中含有厚的礫石層,但這只是個(gè)別情況。“四含”的厚度是受古地形控制的,在古地形低洼處砂礫顆粒較粗,沉積層也較厚。一般來說,巖層中泥質(zhì)的含量較高,這是殘坡積物的結(jié)果,其滲透性差。“四含”是礦井充水的補(bǔ)給水源之一,但其補(bǔ)給量有限。從圖3中可以看出,在采區(qū)“四含”中,沉積物的厚度不均勻地分布,在煤層露頭處較淺薄。礦井的西北部和北部有相對較厚的煤層。而采區(qū)南部的“四含”煤層比較淺薄,這為在該地區(qū)開采淺部煤層提供了優(yōu)越條件。

圖3 “四含”厚度等值線圖

2 富水性評(píng)價(jià)

為確保在巷道掘進(jìn)過程中的安全,故先采用瞬變電磁法,超前探查開采區(qū)的富水性情況。得出該工作面有5處低阻異常區(qū):YC1、YC2、YC3、YC4、YC5。頂板相對低阻區(qū)富水性的強(qiáng)弱關(guān)系:YC4>YC5>YC2>YC1>YC3。其中頂板低阻異常區(qū)YC4范圍相對較大,具有一定富水性。根據(jù)對采區(qū)長期水文觀測可知,滲透系數(shù)K=0.04 m/d,單位涌水量q=0.007 1 L/(s·m)。據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》(2018),因q≤0.1 L/(s·m),經(jīng)分析,“四含”富水性較弱。圖4為1001工作面頂板富水性現(xiàn)場布置圖。

圖4 1001工作面頂板富水性現(xiàn)場布置圖

3 理論計(jì)算

根據(jù)工作面巖體力學(xué)性能資料,并結(jié)合鄰近工作面探孔試驗(yàn)分析可知,煤層淺部覆巖屬于軟弱型和中硬型。依照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(簡稱《“三下”采煤規(guī)范》)進(jìn)行可行性計(jì)算,并分析計(jì)算結(jié)果。

3.1 高度計(jì)算

本節(jié)研究依照《“三下”采煤規(guī)范》規(guī)定,綜合考量巖體的強(qiáng)度,由于該工作面淺部覆巖為軟弱型和中硬型,故采用覆巖計(jì)算公式計(jì)算最大采厚時(shí)垮落帶高度。

覆巖為軟弱型時(shí),垮落帶高度:

(1)

覆巖為中硬型時(shí),垮落帶高度:

(2)

式中∑M為煤層厚,取工作面最大采高5.2 m。

3.2 保護(hù)層計(jì)算

根據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》規(guī)定,采動(dòng)等級(jí)確定為Ⅱ級(jí),工作面覆巖巖性為軟弱—中硬型情況時(shí),Hb=2A～3A。

覆巖為軟弱型時(shí),保護(hù)層高度:

Hb=2A=2×5.2=10.4 m。

(3)

覆巖為中硬時(shí),保護(hù)層高度:

Hb=3A=3×5.2=15.6 m。

(4)

3.3 防砂煤巖柱垂高計(jì)算

覆巖為軟弱型時(shí),防砂煤巖柱垂高:

Hsb=Hmi+Hb=9.59+10.4=19.99 m。

(5)

覆巖為中硬型時(shí),防砂煤巖柱垂高:

Hsb=Hmi+Hb=14.17+15.6=29.77 m。

(6)

3.4 數(shù)值計(jì)算成果分析

按照《“三下”采煤規(guī)范》,理論計(jì)算出防砂煤巖柱的最大安全高度為29.77 m,而《“三下”采煤規(guī)范》中現(xiàn)留設(shè)煤巖柱的最小高度為45.63 m,能夠滿足采動(dòng)要求,煤層在開采過程中垮落帶不會(huì)涉及“四含”,所以不會(huì)發(fā)生潰砂事故。

4 數(shù)值模擬研究分析

4.1 模型構(gòu)建

為進(jìn)一步確定工作面合理的斷層防砂煤柱寬度,結(jié)合現(xiàn)場勘探和理論計(jì)算,利用FLAC 3D軟件,建立三維直角坐標(biāo)系模擬開采時(shí)的應(yīng)力變化,該模型尺寸為300 m×300 m×95 m[11-12]。計(jì)劃工作面從30 m處以每次挖掘50 m為研究對象,分別開挖50 m、100 m、150 m和200 m,用以研究開采后覆巖的豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力以及采動(dòng)后位移的變化。模型如圖5所示,巖層參數(shù)見表1。

圖5 工作面地質(zhì)模型

表1 巖層參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 覆巖應(yīng)力變化

在煤層開采過程中,隨著煤層逐漸被挖空。導(dǎo)致頂板失去支撐發(fā)生沉降,底板失去上部的壓力,發(fā)生隆起現(xiàn)象。工作面受到上下兩端擠壓發(fā)生形變,如果采空區(qū)煤礦挖掘過深,煤柱留設(shè)過小,則會(huì)導(dǎo)致上部覆巖發(fā)生裂縫發(fā)育甚至是破碎現(xiàn)象;如果聯(lián)通含水層或其余富水區(qū)域,還會(huì)導(dǎo)致突水淹井等現(xiàn)象發(fā)生。故先對開采區(qū)采取數(shù)值模擬可以有效地避免該類事故的發(fā)生,提前采取相應(yīng)的防護(hù)措施。圖6為模擬的不同掘進(jìn)下豎向應(yīng)力云圖。

(a)50 m

(b)100 m圖6 不同掘進(jìn)下豎向應(yīng)力云圖

(c)150 m

(d)200 m圖6 不同掘進(jìn)下豎向應(yīng)力云圖

在工作面開挖50 m、100 m、150 m和200 m后,其最大壓應(yīng)力為12.757 MPa、16.35 MPa、18.37 MPa和19.84 MPa。由圖6可以看出在工作面掘進(jìn)過程中,上下兩端所產(chǎn)生的壓應(yīng)力在不斷增大,且在50～100 m時(shí),底板壓應(yīng)力的變化幅度明顯快過頂板所發(fā)生的應(yīng)力,然而在150～200 m時(shí),頂板與底板兩端的壓應(yīng)力變化幅度均明顯變小,說明頂?shù)装宓男巫冎饾u趨于穩(wěn)定。因此在開采過程中,頂板會(huì)發(fā)生彎曲下沉,而不會(huì)發(fā)生斷裂等現(xiàn)象。而且應(yīng)力主要集中在頂板的兩端,故在開采過程中需要每隔一段距離就進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)處理,這樣可以防止因開采度過大而導(dǎo)致一些不必要事故的發(fā)生。

4.2.2 覆巖豎向位移的變化

開采后,由于縱向應(yīng)力的作用,采空區(qū)上部的覆巖會(huì)向下發(fā)生位移,從而導(dǎo)致采空區(qū)頂?shù)装灏l(fā)生變形,其中頂板向下沉降,底板則發(fā)生隆起。工作面受到兩端擠壓,如果開采度過大則會(huì)導(dǎo)致工作面發(fā)生垮塌冒落等現(xiàn)象,嚴(yán)重則會(huì)引發(fā)覆巖破壞,從而引發(fā)突水淹井。故通過模擬采空后覆巖位移的變化,可對煤巖柱的合理留設(shè)做出可行性的判斷。圖7 為不同掘進(jìn)下豎向位移云圖。

(a)50 m

(b)100 m

(c)150 m

(d)200 m圖7 不同掘進(jìn)下豎向位移云圖

在工作面挖掘50 m、100 m、150 m和200 m時(shí),頂板最大位移分別為0.42 cm、0.89 cm、1.43 cm和2.37 cm;底板最大位移分別為0.12 cm、0.71 cm、1.06 cm和1.15 cm。隨著挖掘進(jìn)度的不斷推進(jìn),頂板的位移變化明顯快過底板的位移。但頂?shù)装宓奈灰谱兓鄬^小,故對工作面的安全開采不會(huì)造成影響。但為確保工作面可以安全開采,所以在開采過程中,需要對頂板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并在必要時(shí)采取支護(hù)措施,而底板位移相對較小,可以不設(shè)支護(hù),但需要實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.2.3 覆巖剪應(yīng)力的變化

在采動(dòng)過程中,隨著采空區(qū)不斷加大,覆巖上部兩端受到豎向壓力的影響,產(chǎn)生的剪應(yīng)力也會(huì)不斷加大。工作面挖掘50 m、100 m、150 m和200 m時(shí),最大剪應(yīng)力分別為2.06 MPa、2.79 MPa、3.52 MPa和4.09 MPa。由圖8可以看出:隨著工作面掘進(jìn)的不斷加深,覆巖上部受到的豎向剪應(yīng)力不斷增大,其剪切破壞的程度不斷加劇,且破壞主要發(fā)生在頂板兩端部分,符合剪切破壞的原理。

(a)50 m

(b)100 m

(c)150 m

(d)200 m圖8 不同掘進(jìn)下剪應(yīng)力云圖

4.3 數(shù)值模擬成果分析

通過數(shù)值模擬圖分析可知,在防砂煤巖柱垂高為25.3 m,小于理論計(jì)算值和現(xiàn)留設(shè)煤巖柱最小垂高時(shí),開采后覆巖的豎向應(yīng)力變化較小,采動(dòng)后位移變化相對較小,剪應(yīng)力變化不大。豎向應(yīng)力、采動(dòng)后位移以及剪應(yīng)力所發(fā)生的變化處于合理范圍之內(nèi),符合預(yù)期效果。

5 結(jié)論

參照實(shí)際地層勘察資料,考慮斷層因素,通過理論計(jì)算和FLAC 3D的模擬,對采動(dòng)后的含裂隙地層進(jìn)行分析,結(jié)果表明對開挖面覆巖應(yīng)力、豎向位移和覆巖剪切應(yīng)力均在安全開采的范圍之內(nèi),故皖北孫疃煤礦的開采是合理的、可行的,并得出結(jié)論:

1)按照《“三下”采煤規(guī)范》,當(dāng)覆巖為軟弱型和中硬型時(shí),垮落帶分別為9.59 m、14.17 m;保護(hù)層厚度分別是10.4 m、15.6 m。安全防砂煤巖柱最大高度為29.77 m。

2)煤層開采后,工作面所受到的縱向拉力隨著掘進(jìn)深度不斷增大,不斷趨于穩(wěn)定,且在開采過程中,工作面所產(chǎn)生的豎向應(yīng)力始終處于安全可控的范圍內(nèi),故在開采孫疃煤礦留設(shè)的防砂煤巖柱是可行的。但在開采時(shí),兩端的壓力較大,需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)處理,以防止在開采過程中,發(fā)生垮塌等事故。

3)在采動(dòng)過程中,工作面頂板覆巖隨著采動(dòng)的不斷深入,出現(xiàn)的下沉也在不斷加劇,且速率也在不斷提升。但所發(fā)生的沉降處于合理范圍之內(nèi),不會(huì)影響采動(dòng)的范圍,故需要對工作面的頂?shù)装宄两底冃瘟窟M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,若出現(xiàn)沉降范圍過大時(shí)應(yīng)立即停止開采,確保人員安全。

4)在掘進(jìn)的過程中,深度越大,煤層兩端的剪應(yīng)力越大,并出現(xiàn)向兩端集中的現(xiàn)象,且兩端出現(xiàn)的剪應(yīng)力大小相同,方向相反。