郭 斌 韓新開 馬朋坤

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司)

井下煤層重復開采與司家營擬建第二尾礦庫區(qū)的相互影響

郭 斌1,2韓新開1馬朋坤1

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司)

在分析司家營鐵礦尾礦庫區(qū)地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，討論了煤層采空區(qū)對尾礦庫區(qū)的影響。隨著煤層開采深度的增加，開采厚度的相對穩(wěn)定，分年度、工作面計算了地表變形值相對淺部呈變小的趨勢。對井下煤層重復開采對尾礦庫壩體的影響以及第二尾礦庫對井下煤層采掘生產(chǎn)的影響進行了探討，結(jié)果表明，司家營礦區(qū)擬建第二尾礦庫的方案是可行的。

煤層重復開采 尾砂庫 覆巖破壞特征

為了解決尾礦堆存及尾礦庫建設(shè)占地面積大且對土地污染嚴重等問題， 司家營鐵礦在建礦初期選擇在范各莊煤礦采煤沉陷區(qū)建設(shè)第一尾礦庫，目前，該尾礦庫已進入閉庫階段。為了解決后續(xù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾礦堆存問題，擬在第一尾礦庫北側(cè)范各莊采煤沉陷區(qū)建設(shè)第二尾礦庫。通過對范各莊煤礦井下煤層重復開采與司家營第二尾礦庫區(qū)相互影響進行分析，論證在該區(qū)域建設(shè)第二尾礦庫的可行性。

1 第二尾礦庫概況

第二尾礦庫是在第一尾礦庫北側(cè)范各莊礦S2(南二)與S3(南三)石門間采煤沉陷區(qū)上，采用堆石筑初期壩的方式建設(shè)，占地面積 2 048 816.04 m2。

(1)初期壩。尾礦庫初期壩擬采用堆石壩，壩體結(jié)構(gòu)采用特制高強土工布進行加筋，初期壩最終頂寬5.0 m，上游坡比為1∶1.75，下游坡比為1∶2.0，采用加筋廢石筑壩，壩軸線長約3 800 m。底部23～29 m每1 m為一層，每層壩體包裹2層600 g/m2的特制加筋土工布；29～35 m每2 m為一層，每層壩體包裹一層600 g/m2的特制加筋土工布。在其下游坡面，設(shè)一層帶有透水孔的預制塊作為保護層。

(2)后期尾礦壩。尾礦顆粒較細，其加權(quán)平均值為0.042 mm，-200目約占82%。采用正常的分散放礦的沖積法筑壩很難實現(xiàn)。后期子壩堆筑采用加筋土壩的形式，即采用土工布包裹碾壓密實的粗砂或黏土堆筑子壩。每級子壩高1 m，頂寬5 m，外邊坡坡度為1∶3，內(nèi)邊坡坡度為1∶1.5。每2級子壩筑一個3 m平臺，每2級子壩搭接部分局部采用倒梯形齒槽形狀，有利于2級子壩間的咬合，齒槽深0.5 m，底寬0.5 m，兩邊坡度均為1∶1，后期壩邊坡坡度為1∶4。設(shè)計正常干灘段長350 m，最小干灘長200 m。尾礦堆積最終標高為45.0 m，尾礦堆積壩平均高10 m。

(3)庫容、服務(wù)年限及尾礦庫等別。第二尾礦庫總壩平均高23 m，總庫容為3 804.5萬m3，為四等庫。匯水面積為2.05 km2，因四邊筑壩，周邊放礦，故取充填系數(shù)為0.85，有效庫容為3 233.8萬m3。按年處理尾礦量450萬t計算，尾礦平均堆積干密度為1.5 t/m3，尾礦庫的服務(wù)年限為10.8 a。

2 尾礦庫區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造

擬建的第二尾礦庫區(qū)域覆蓋的第四系沖積層平均厚約125 m，由北向南增厚，至范畢邊界厚達313 m，其底部為黏土層厚約26 m。沖積層下伏煤系地層為石炭、二迭系，煤系基底為含水豐富的奧陶系灰?guī)r，所有基巖地層基本上為單斜構(gòu)造，靠近井口附近采區(qū)，奧陶系灰?guī)r陷落柱比較發(fā)育。范各莊礦井田位于開平煤田的東南翼，開平煤田位于燕山南麓，煤系地層為石炭二疊系。開平主向斜是開平煤田的主要構(gòu)造骨架，呈復式向斜構(gòu)造。向斜的總體軸向為NE向，自古冶以北主向斜軸逐漸轉(zhuǎn)為EW向[1]。

2.2 工程地質(zhì)條件

各煤層的頂板砂巖分布面積較大，巖性主要為粉砂巖、細砂巖和砂巖，5#、7#和8#煤層頂板存在偽頂，巖性破碎，屬于Ⅱ類中等垮落性頂板，其中5#、7#、9#、11#和12#煤層一次采全高，直接頂全區(qū)屬Ⅱ級，即壓力顯現(xiàn)明顯；8#和12.5#煤層一次采全高，直接頂全區(qū)屬Ⅰ級，即壓力顯現(xiàn)不明顯。各煤層底板巖石穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，為細砂巖、砂巖，其中7#、11#和12#煤層底板屬Ⅲa較軟底板，易形成底鼓，而5#、8#、9#、12.5#屬Ⅳ類中硬底板，不易形成底鼓。因此，礦井工程地質(zhì)條件屬于中等復雜類型[2-3]。

3 第二尾礦庫區(qū)對應(yīng)煤層采空區(qū)分布

第二尾礦庫征地邊界內(nèi)對應(yīng)井下近、中、遠期開采煤層采空區(qū)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 開采煤層采空區(qū)相關(guān)參數(shù)

礦區(qū)采空區(qū)分為2類：①受重復采動影響的新、老采空區(qū)(Ⅰ區(qū))；②永久性的老采空區(qū)(Ⅱ區(qū))，該區(qū)又分為相對穩(wěn)定區(qū)(Ⅱ2區(qū))和相對不穩(wěn)定區(qū)(Ⅱ1區(qū))。范各莊礦在采空區(qū)采用走向長壁式采煤法，頂板管理方法是全部垮落法，采空區(qū)殘余碎漲系數(shù)、離層空間、煤柱支撐空間等殘余壓縮空間都很少。永久性的相對不穩(wěn)定老采空區(qū)(Ⅱ1區(qū))，只要開采深度達到一定值時，地表變形是連續(xù)、漸變的，即便發(fā)生采空區(qū)活化現(xiàn)象，所引起的變形也不會對庫區(qū)產(chǎn)生明顯的損害。永久性的老采空區(qū)(Ⅱ2區(qū))埋藏深度較淺，位于煤層基巖露頭及無煤區(qū)處，屬相對穩(wěn)定地區(qū)。對比第一尾礦庫東壩的實際運行情況，如果正下方不進行開采，庫區(qū)則為相對穩(wěn)定的區(qū)域。而受重復采動影響的新、老采空區(qū)(Ⅰ區(qū))埋深均超過320 m，采空區(qū)上方至少有300 m完整的基巖，盡管該類區(qū)域受重復采動影響，但僅從基巖厚度的角度分析，屬有利地區(qū)[4-5]。

4 重復采動對尾礦庫壩體的影響

4.1 采動變形對壩體的影響

通過對壩體受采動影響變形的計算分析，自2012年度開始，至第二尾礦庫達到服務(wù)年限為止，壩體將受到不同程度的移動變形的影響。

(1)2012年度。受范各莊礦井下3285N、3091S、3191S里、3191S外、1327N及1325SX工作面開采的影響，第二尾礦庫區(qū)、南壩、北壩、西壩及回水碼頭受到不同程度移動變形的影響，其地表水平拉伸變形分別為2.8，6.0，2.0 mm/m。

(2)2013年度。受范各莊礦井下3177S、3285N、3281S里、3093S、3191S外、1327N及2323SX工作面開采的影響，南壩、北壩的地表最大水平拉伸變形分別為8.5，2.5，4.2 mm/m。

(3)2014年度。受范各莊礦井下3177S、3281S外、3283S、3291N及3293N工作面開采的影響，南壩、北壩、西壩的地表最大水平拉伸變形分別為2.3，1.7，2.4 mm/m。

(4)2015年度。受范各莊礦井下4173S、3283S、3291S、3293N及2325Sx工作面開采的影響，南壩、西壩的地表最大水平拉伸變形將分別達到3.5，2.1 mm/m；北壩地表將不發(fā)生水平拉伸變形。

(5)2016年度。受范各莊礦井下4173S、3285S、3125S及3123N工作面開采的影響，南壩、北壩、西壩的地表最大水平拉伸變形將分別達到3.3，3.5，5.5 mm/m。

(6)2017年度。范各莊礦井下4175S、4181S工作面的開采將不會對第二尾礦庫區(qū)、南壩、北壩、西壩及回水碼頭產(chǎn)生影響。

(7)2018年度。受范各莊礦井下4175S、4181S、4191N、3221S及3123N工作面開采的影響，南壩、北壩、西壩的地表最大水平拉伸變形將分別達到2.6，3.5，2.0 mm/m。

擬建的第二尾礦庫如果2014年開始運營，正常情況下可到2025年底閉庫。2019—2025年，隨著煤層開采深度的不斷增加，開采厚度相對穩(wěn)定，分年度、工作面計算的地表變形值相對于淺部將呈變小的趨勢，但累計移動變形量有所增加。只要對壩體采用抵抗采動變形加固設(shè)計處理等工程措施，在征地范圍內(nèi)建設(shè)第二尾礦庫是能夠抵抗采動變形的。

4.2 采動產(chǎn)生地表裂縫對壩體的影響

地表裂縫的發(fā)生與發(fā)展取決于地表水平變形值。據(jù)實測，對于黏土，水平變形達到4～6 mm/m 時發(fā)生裂縫；對于砂質(zhì)黏土，水平變形達到2～3 mm/m時發(fā)生裂縫；對于鋼筋混凝土構(gòu)件，其地基的水平變形達到6～7 mm/m時才發(fā)生裂縫。地表變形大小與煤層的采深及采厚有關(guān)，在采厚不變的條件下，如增加采深，則地表變形減??；在采深不變的條件下，如果增加采厚，則地表變形值會相應(yīng)增大[6]。采厚為2 m，巖性中等，采用全部垮落法管理頂板時，水平變形與采深的關(guān)系見表2。

表2 地表水平變形與采深的關(guān)系

第二尾礦庫壩體以碎石為材料，為滲水壩。碎石作為一種松散體材料，吸收變形能力較強，不易出現(xiàn)通體裂縫。松散材料壩與擋水壩的要求不一致，必須經(jīng)有設(shè)計資質(zhì)的單位進行抗裂縫設(shè)計，由有資質(zhì)的單位施工、監(jiān)理，才能確保工程質(zhì)量，在尾礦庫運營過程中對壩體出現(xiàn)裂縫應(yīng)及時維修加固。

5 第二尾礦庫對井下采掘生產(chǎn)的影響

經(jīng)計算，第二尾礦庫對井下采掘的影響深度為163.2 m。永久性老采空區(qū)(Ⅱ2區(qū))基巖露頭部分埋藏深度約180 m。因而，附加應(yīng)力并未傳遞到基巖面。類比第一尾礦庫，附加應(yīng)力理論傳遞深度為161.6 m，由模擬試驗結(jié)果可知，附加應(yīng)力傳遞深度為150～200 m，因此，可以認為附加應(yīng)力傳遞深度不超過200 m。而沖積層防水煤柱之上的部分(永久性的老采空區(qū)Ⅱ2區(qū)域)埋藏深度為170～190 m。附加應(yīng)力即便影響了老采空區(qū)，其影響程度也是有限的，地表不會出現(xiàn)突然下沉的現(xiàn)象[7]。

根據(jù)礦區(qū)開采條件，煤層平均傾角為13°，屬緩傾斜煤層，且在尾礦庫正下方的采深最小為170 m，第四紀沖積層厚為120 m?？紤]最不利因素的情況下，12.5#煤層導水裂隙帶高度綜合取129.98 m，小于該區(qū)域煤層上的基巖厚度。開采導水裂隙帶不會導通沖積層含水層，說明第二尾礦庫的建設(shè)及運營不會對井下正常采掘活動構(gòu)成影響。

6 結(jié) 語

通過對司家營鐵礦井下重復開采與擬建的第二尾礦庫的相互影響進行深入探討，結(jié)果表明，在范各莊S2(南2)與S3(南3)石門間的采煤沉陷區(qū)上擬建第二尾礦庫是可行的，且尾礦庫的建設(shè)、運營至閉庫期間對范各莊井下煤層正常開采不構(gòu)成安全影響。

[1] 侯興玉.我國尾礦庫現(xiàn)狀及問題分析[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2013(10)：1-4．

[2] 馬文明.礦區(qū)沉陷地復墾與生態(tài)重建研究[J]．水土保持通報，2008(1)：135-139．

[3] 周 沖．井工煤礦沉陷區(qū)土地復墾評價規(guī)則庫的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．太原：太原理工大學，2013．

[4] 時洪超．徐莊煤礦采煤沉陷地復墾效益淺析[J]．中國集體經(jīng)濟，2011(25)：185-186．

[5] 陽富強，高 進，張玉柱，等.尾礦庫安全評價的未確知測度模型[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2010(8)：44-48．

[6] 房建國，劉志鈞，周學武．煤礦區(qū)沉陷土地復墾與生態(tài)重建試驗研究[J].當代生態(tài)農(nóng)業(yè)，2005(11)：3-6．

[7] 程 軍，程曉慧.尾礦庫安全監(jiān)控信息化系統(tǒng)建設(shè)與實施[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2012(3)：131-134．

2015-01-15)

郭 斌(1984—)，男，高級工程師，063009 河北省唐山市路南區(qū)新華西道46號。