浅埋煤层开采水库周边保护煤柱合理留设研究

苗彦平黄克军曹新奇耿耀强沈会初

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西省西安市,710054; 2.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054; 3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西省西安市,710065; 4.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司,陕西省神木县,719313)

浅埋煤层开采水库周边保护煤柱合理留设研究

苗彦平1,4黄克军2,3曹新奇3耿耀强3沈会初3

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西省西安市,710054; 2.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054; 3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西省西安市,710065; 4.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司,陕西省神木县,719313)

针对神南矿区张家峁煤矿常家沟水库周边5－2煤层大规模开采现状,在考虑保护煤柱稳定性影响因素的基础上,将保护煤柱从防隔水功能上沿宽度方向划分为矿压影响区和有效隔水区,分别对矿压影响区宽度和有效隔水区宽度进行了理论分析,推导出相应的计算公式。计算得出张家峁煤矿常家沟水库周边5－2煤层开采保护煤柱合理宽度为77 m。

建筑物下采煤 保护煤柱 留设宽度 浅埋煤层开采 神南矿区

神南矿区总面积约373.4 km2,煤炭总资源量约55亿t,先后建成红柳林、张家峁和柠条塔三处特大型现代化矿井。矿区生产、生活用水多取自区内火烧区水、砂层潜水、地表水径流以及水库等,随着煤炭资源大规模回采,矿区各类水资源受到不同程度的影响。同时,神南矿区各矿井均采用长壁工作面一次采全高的开采工艺,采动影响剧烈,在采矿活动中应留设足够的侧向煤柱,防止大型水体涌入矿井,造成突水事故。

1 矿井概况

张家峁煤矿井田面积51.98 km2,可采煤层7层,地质储量8.65亿t,可采储量5.43亿t。矿井设计生产能力为600万t/a,服务年限72年,采煤方法为综合机械化开采,全部垮落法管理顶板。井田位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带,生态环境脆弱,水资源缺乏。常家沟水库位于张家峁井田一盘区内东南部,建于乌兰不拉河与老来河的交汇处,是神木县目前最大的蓄水水库。汇水面积44 km2,容水面积约0.3 km2,水库最大容量1295万m3,库底标高1111.74 m,比矿井5－2煤层底板标高1055 m高出56.74 m,洪峰期最高水位1138.17 m,枯水期水位标高1121.74 m,分别比矿井5－2煤层底板标高高出83.17 m和66.74 m。若保护煤柱留设宽度过小,则地表迳流及地下水可能会涌入矿井,对矿井安全生产构成严重威胁;若保护煤柱留设宽度过大,则会浪费大量的煤炭资源。因此,针对常家沟水库下及其周边5－2煤层大规模开采现状,基于神南矿区浅埋煤层赋存条件,研究确定合理的保护煤柱留设尺寸是十分必要的。

2 保护煤柱稳定性影响因素

2.1 矿山压力对煤柱体破坏和影响作用

留设的保护煤柱除了煤体自身的裂隙性、非均质性和不连续性以外,在矿山压力作用下沿宽度方向还存在不同的物性状态。由于采动对煤柱破坏和影响作用,煤柱靠近采场一侧,支承压力超过其极限强度必然会引起边缘部分煤体片帮,产生裂隙发生破坏,形成屈服区,成为强渗透区,基本上已丧失隔水能力,变为具有极低阻水能力的煤柱残余储备带。真正起隔水作用的是除去屈服区的煤柱,也就是弹性区的煤柱。

2.2 水对煤体强度的影响

无论岩石还是煤体,都存在着浸水后强度降低的软化性质,软化程度与煤岩体中亲水性矿物、易溶性矿物的含量、裂隙孔隙的发育情况以及浸水时间的长短等因素有关,由于保护煤柱要保证其受长期浸泡时的稳定性,因此应当充分考虑压力水作用的煤体强度降低问题。此外,水压的大小也直接影响煤柱的稳定性。

3 保护煤柱留设宽度计算模型

根据矿山压力和水压力对煤体不同作用和影响,保护煤柱从防隔水功能上沿宽度方向可划分为矿压影响区和有效隔水区。分别对矿压影响区宽度和有效隔水区宽度进行理论分析,推导出相应的计算公式,综合即可得出常家沟水库周边5－2煤层开采保护煤柱合理宽度计算公式。保护煤柱合理煤柱宽度为:

式中:L——保护煤柱宽度,m;

L1——矿压影响区煤柱宽度,m;

L2——有效隔水区煤柱宽度,m。

5－2煤层开采保护煤柱宽度留设如图1所示。

图1 5－2煤层开采保护煤柱宽度留设示意

3.1 矿压影响区煤柱宽度计算

5－2煤层开采后,采空区上方的地表产生移动和变形,会造成其影响范围内的岩体破坏,为保证有效隔水区煤岩体不受采动影响,须根据采动影响的范围增加保护煤岩柱的宽度,因此在分析时把隔水煤岩柱视为建筑物,留设时借鉴建筑物下采煤时保护煤柱留设的相关规定及计算方法,矿压影响区煤柱宽度L1以地表下沉±10 mm为边界。即:

式中:H1——水库最高水位标高到煤层底板标高的差值(相对埋深),m;

δ——煤层采动边界角,(°)。

3.2 有效隔水区煤柱宽度计算

有效隔水区煤柱宽度将基于3种不同的理论分别进行计算。

3.2.1 采用力学模型计算有效隔水区煤柱宽度

对煤柱屈服区应力计算模型进行简化,煤柱受力简化模型如图2所示。

图2 矿山压力与水压作用下煤柱受力简化模型

模型的边界条件为:

可得出模型的弹性力学解为:

式中:p——水头压力,MPa;

pz——矿山压力,MPa;

M——煤层厚度或采高,m;

L——留设煤柱宽度,m;

γ——覆岩容重,k N/m3;

H2——煤层埋深,k N/m3;

p1——煤层抗压强度,MPa;

β——侧向压应力系数。

由岩石力学可知,煤岩是满足复杂应力下沿着最大剪切面发生破坏的结构体。同时,考虑煤体中含有软弱夹层,因此对于煤岩破坏的强度大小,可采用Mohr-Coulomb准则作为煤柱强度失效判据。由两区约束理论假设可知核区可视为弹性体,其弹性单元任意角度应力具有莫尔圆关系:

其中σ1,σ3可由下列公式(5)得到:

由煤岩破坏的线性莫尔—库伦准则,可推导出主应力与内摩擦角、粘聚力之间的关系:

式中:σ——主应力,MPa;

σ1——垂直主应力,MPa;

φ——内摩擦角,(°);

c——煤层粘聚力,MPa。

又由于在水的作用影响下,煤体孔隙在注水压力和毛细管作用力的共同作用下吸附水分,从而使煤体颗粒间的内聚力和摩擦角降低。当煤体内注入水压后,由于存在孔隙水压pv使得有效应力发生变化,其关系为:

式中:σ′——有效应力,MPa;

α——等效孔隙水压系数;

pv——孔隙水压,MPa。

将式(7)代入式(4)中,得到以下变换:

此外，枯草芽孢杆菌对蛋白的降解能力较强。从养殖池塘底泥中分离的枯草芽孢杆菌也作为降解饲料蛋白菌剂，并采用紫外诱变提升蛋白酶活性[9]，通过高温发酵提高发酵液中蛋白质的降解率[10]。另外，新疆阿克苏盐碱地土壤中可培养的优势菌群为芽孢杆菌属(36. 27%)、链霉菌(10.8%)、微球菌属(6.9%)等[7]，采用变性梯度凝胶电泳分析芽孢杆菌目也为优势菌群[11]，由此推测芽孢杆菌属菌群对土壤中Cry1Ac蛋白降解可能具有较大贡献。芽孢杆菌属菌群与Cry1Ac蛋白降解特性还需深入研究。

由此得出有效主应力与内摩擦角、粘聚力之间的关系为:

且知煤体外侧静水压力ps函数关系,其中负号表示煤体承压:

式中:ps——煤体外侧静水压力,MPa。

由于煤柱破坏止于有效隔水区表面,则可以近似认为静水压力与孔隙水压相同,即ps＝pv。

联立(3)、(5)、(7)、(9)、(10)计算有效隔水区合理宽度,取z＝M,x＝L12,解得有效隔水区合理宽度L12为:

式中:L12——有效隔水区煤柱合理宽度,m。

3.2.2 采用《煤矿防治水规定》中经验公式计算有效隔水区煤柱宽度

《煤矿防治水规定》中规定,含水或导水断层防隔水煤柱留设公式:

K——安全系数,一般取2～5;

Kp——煤的抗拉强度,MPa。

3.2.3 根据极限平衡理论计算有效隔水区煤柱宽度

极限平衡理论对隔水煤柱的留设作出了细致分析,认为真正起隔水作用的煤柱宽度是扣除塑性破坏后的核心部分,其有效隔水区煤柱宽度为:

式中:L32——有效隔水区煤柱留设宽度,m;

f——煤层摩擦系数,常近似取0.1;

δy——顶底板摩擦阻力,MPa。

综上所述,取3种计算方法得出的最大值为有效隔水区煤柱宽度,即:

则常家沟水库周边5－2煤层开采保护煤柱合理宽度计算公式为:

4 保护煤柱留设宽度计算

4.1 矿压影响区煤柱宽度L1计算

常家沟水库洪峰期最高洪水位标高为＋1138.17 m,5－2煤层底板标高为＋1055 m,则相对埋深H1为83.17 m。

根据张家峁煤矿5－2煤层开采地表移动实测结果可知,5－2煤层开采后走向边界角为65°,倾向边界角为57.8°。选取最小边界角值进行计算,因此取边界角δ为57.8°,将数据代入式(1),计算得矿压影响区煤柱宽度52.4 m。

4.2 有效隔水区煤柱宽度L2计算

采用式(11)计算,式中采高M取6.0 m,煤层粘聚力c为2.81 MPa,内摩擦角φ为23°,等效孔隙水压系数α取0.3,水头压力p取0.26 MPa。

5－2煤层埋深H2取130 m,上覆岩层平均容重γ取24 k N/m3,根据pz＝γH2,计算得矿山压力为3.12 MPa。

5－2煤层抗压强度p1为15 MPa,侧向压应力系数β为0.24,根据x＝βp1,计算得侧向压应力为3.6 MPa。将数据代入式(11)计算得出L12为4.8 m,即利用力学模型求得有效隔水区煤柱宽度为4.8 m。

采用公式(12)计算,式中K为安全系数,取5;煤的抗拉强度Kp为0.3 MPa。计算得出为24.2 m,即参考《煤矿防治水规定》中经验公式求得有效隔水区煤柱宽度为24.2 m。

采用公式(13)计算,式中煤层摩擦系数f取0.1,顶底板摩擦阻力δy为3.12 MPa。计算得出L32为2.45 m,即根据极限平衡理论计算有效隔水煤柱宽度为2.45 m。

针对张家峁煤矿5－2煤层赋存条件,采用《煤矿防治水规定》中经验公式计算结果最为合理。因此,确定有效隔水区煤柱宽度L2为24.2 m。

综上所述,常家沟水库周边5－2煤层保护煤柱留设总宽度L5－2＝L1＋L2＝52.4＋24.2＝76.4 m,取77 m。

按照一般的经验设计,大型水库周边的煤柱留设宽度为100～150 m,张家峁煤矿根据采掘计划, 2017年后计划开采常家沟水库周围5－2煤层,目前按照本论文计算方法及结论正在组织施工相关巷道工程,使水库周边5－2煤资源回收率在初步设计基础上提高,增加矿井经济效益。

5 结语

(1)从煤柱赋存条件及自身物理力学性质、矿山压力和水作用3个方面对保护煤柱稳定性进行了分析。除此之外,开采技术条件、煤柱侧的开采活动也对煤柱稳定性产生影响。因此,煤柱宽度计算时不能只考虑煤柱自身的承受能力,应该从多方面进行计算和验证。

(2)根据矿山压力和水压力对煤体不同作用和影响,保护煤柱从防隔水功能上沿宽度方向可划分为矿压影响区和有效隔水区。

(3)计算得出张家峁煤矿常家沟水库周边5－2煤层保护煤柱留设宽度为77 m。

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[3] 蒋泽泉,孟庆超,王宏科.陕西神南矿区煤炭开采保水煤柱留设分析[J].中国地质灾害与防治学报,2011(2)

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[9] 国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定释义[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009

[10] 王永红,沈文.中国煤矿水害预防及治理[M].北京:煤炭工业出版社,1996

(责任编辑 张毅玲)

图1 设计区域工作面布置图

4 结论

(1)分析了设计区覆岩结构、火成岩及开采深度等因素对地表移动变形的影响,认为设计区域上软下硬的覆岩结构对建(构)筑物保护是有利的,采用条带开采方案进行建(构)筑物下压煤开采是可行的。

(2)根据村庄房屋及湖口闸结构状况并结合相关规范,确定采动变形控制标准为:村庄内最大下沉值小于500 mm,湖口闸最大下沉值小于200 mm,村庄及湖口闸的最大水平变形值均小于1 mm/m。

(3)依据覆岩条件,应用条带开采设计理论,确定设计区范围采用开采宽度120 m、留设煤柱宽度110 m的条带开采方案。采动变形预计结果和应用实践均表明,该方案可以有效减小地表移动变形,满足保护地表房屋及湖口闸等建(构)筑物的要求。

参考文献:

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作者简介:郭爱国(1981－),男,山东菏泽人,硕士,工程师。现在天地科技股份有限公司从事岩层移动与特殊采煤技术的研究与应用工作。

(责任编辑 张毅玲)

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

苗彦平(1984－),男,陕西省神木县人,采矿工程师,现于陕煤集团神木张家峁矿业有限公司生产技术部任主任工程师,主要从事浅埋煤层开采、多煤层配采等技术研究。