趙彬

摘 要：保持防水煤柱是在靠近儲層的煤層開采中最有效的防水方法，并且在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，確定防水煤柱的合理寬度一直是采礦學(xué)者的普遍問題。在常家溝礦區(qū)張家溝水庫附近開采4-2煤層的情況下，采用理論分析，相似材料物理模擬和數(shù)值模擬的研究方法，對上覆地層開采破壞特征和地表進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，就抗水性而言，煤柱可分為礦山壓力影響區(qū)，有效防水區(qū)。此外，通過模型分析確定防水煤柱的寬度與實(shí)踐結(jié)果一致，隨后，根據(jù)防止儲層邊坡失穩(wěn)破壞和采空區(qū)突水事故的要求，提出了確定防水煤柱臨界寬度所需的判斷條件，防水煤柱的最大寬度被認(rèn)為是臨界寬度。這些結(jié)果為確定靠近儲層的煤層防水煤柱的寬度提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦開采;防水煤柱寬度;物理模擬

1 緒論

中國西部擁有豐富的優(yōu)質(zhì)煤炭資源。陜西北部的侏羅紀(jì)煤田尤其如此，其構(gòu)造簡單，傾角一般為1°～3°。該領(lǐng)域的煤層是穩(wěn)定的，并且主要包含長焰和非結(jié)塊煤，這些煤中硫、磷和灰分的含量極低，并且發(fā)熱量中等偏高。這是國內(nèi)外電力、液化和化學(xué)工業(yè)使用的稀有優(yōu)質(zhì)煤炭。陜西北部的侏羅紀(jì)煤田是中國已探明儲量最大的煤田，這增加了其在采礦方面的應(yīng)用前景。但是，煤層開采，圍巖的應(yīng)力會重新分布，從而導(dǎo)致松動變形和破壞性斷裂[1]。當(dāng)導(dǎo)水裂縫與水體相連時，例如含水層或煤層附近的承壓水，水會流入巷道，從而導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故[2]。當(dāng)前，保留防水煤柱可有效防止突水事件。學(xué)者們研究了在含水層下且導(dǎo)水?dāng)鄬痈浇拿簩娱_采中防水煤柱寬度的確定。然而，由于地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和開采條件的差異，在工作面開采過程中，上覆地層的運(yùn)動，裂縫的發(fā)育以及水體對采場的影響變化很大。對于靠近儲層的淺煤層，沒有觀察到高水壓的影響。但是，潛水線在岸坡中的分布是為了防止儲層中的水傳導(dǎo)到周圍的巖石破裂區(qū)域。此外，在開采過程中應(yīng)考慮坡度穩(wěn)定性，以確保油藏的安全運(yùn)行。當(dāng)前，在這方面還沒有研究。

本文中，我們以常家溝水庫附近常家溝礦區(qū)的一個4-1煤層為研究項(xiàng)目，并通過理論分析，物理模擬和模擬研究了開采過程中上覆地層和儲層庫岸邊坡的破壞特征。此外，我們根據(jù)數(shù)據(jù)確定了合理的防水煤柱寬度。我們的研究結(jié)果可為確定煤層靠近儲層的情況下確定防水煤柱的寬度提供理論依據(jù)。

2 背景介紹

1987年在陜北生態(tài)脆弱地區(qū)開始了大規(guī)模的煤層開采。到2008年底，榆林市的含煤面積已占其土地總面積的54%，預(yù)測和探明的煤炭儲量為271.4噸和1，460億噸。榆林市被認(rèn)為是中國重要的現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)基地。榆林市洪家湖是內(nèi)陸沙漠中最大的淡水湖，常家溝水庫，姚政水庫和土衛(wèi)河水庫位于榆神礦區(qū)。常家溝水庫的蓄水面積約為0.3平方千米，集水面積約為44平方公里，所有主要的分配河源于黃河。常家溝煤礦位于常家溝水庫附近。第一個開采煤層是4-煤層，埋深為67m，厚度為3.5m。煤層的位置如下圖所示。水庫的洪水位為27m，比4-2煤層的頂板高14m。

3 防水煤柱寬度的理論分析

如果煤層靠近儲層，則如果儲層的水位高于煤層的底面，則該煤層的一部分位于儲層坡度的飽和線以下。但是，在開挖煤層巷道時，圍巖的應(yīng)力會重新分布，巷道周圍的煤層會被破壞。隨后，裂縫逐漸開始加深。因此，如果圍繞巷道的煤層的破壞部分連接到儲層坡度飽和線以下的部分，則儲層中的水將通過煤層流入巷道。為了使煤柱有效防水，必須在煤柱之間保持一段完整。因此，防水煤柱可分為礦壓影響區(qū)，有效防水區(qū)。因此，防水煤柱的寬度可以表示為：防水煤柱的寬度=礦山壓力影響區(qū)的寬度L1+有效防水區(qū)的寬度L2。

3.1 礦山壓力影響區(qū)

基于此分析，礦山壓力影響區(qū)與巷道周圍煤層的塑性破壞區(qū)有關(guān)。礦山壓力影響區(qū)的煤體處于極限平衡狀態(tài)。因此，應(yīng)確定極限平衡區(qū)的寬度。礦山壓力影響區(qū)的寬度L1的計(jì)算式[3]如下：

L1=mA2tanφ0InkγH+c0·ctgφ0（P/A）+c0·ctgφ0

其中M表示煤層開采厚度，A表示煤層的側(cè)向壓力系數(shù)，C0和φ0表示煤層與頂板和底板中巖層之間的內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)，P表示煤層的支撐阻力（范圍為0～300KPA），γ表示巖層的平均體積重量，H表示巷道深度，K并表示應(yīng)力集中系數(shù)。

3.2 有效防水區(qū)

有效的防水區(qū)在防止位于飽和線以下的煤層中的水流入采空區(qū)方面起著重要作用。該區(qū)域的寬度可以通過公式來計(jì)算，該公式用于在遇水或?qū)當(dāng)鄬拥那闆r下獲得防水煤柱的寬度，公式[4]如下：

L2=0.5α1h13P0σt

其中，安全系數(shù)α1通常為2～5，H1是煤層厚度，P0水頭壓力和煤層抗張強(qiáng)度σT，L2不小于20M。

4 煤層開采上覆地層和邊坡穩(wěn)定性的模型試驗(yàn)

4.1 物理模型測試方案

根據(jù)常家溝水庫附近4-2煤層上覆巖層的地質(zhì)條件，利用相似的材料建立了物理模型，研究了煤層開采引起的上覆巖層和儲層庫岸邊坡的破壞模式。選擇河砂、石膏、石灰粉和粉煤灰作為物理模型的主要材料。根據(jù)堆密度相似比例和應(yīng)力相似比例的要求，模擬實(shí)際情況。

為分析水庫水位對邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計(jì)了一個等水位儲水瓶，模擬了開采過程中導(dǎo)水裂縫引起的滲水滲入邊坡。在頂部的坡面，巖石分界，洪水水位以及將坡面與以上三個點(diǎn)分開的兩個部分的中點(diǎn)處，布置了五個儲水瓶。每個瓶子裝滿不同顏色的水。在模擬開采過程中，當(dāng)上覆巖層的導(dǎo)水裂縫到達(dá)水瓶時，瓶中的水會通過導(dǎo)水通道向外流出。隨后，將通過上覆巖層中導(dǎo)水裂縫的發(fā)展來判斷對斜坡的破壞程度。因此，可以確定防止水從儲層中流失所需的煤柱的最小寬度。在采煤工作面上安裝了DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)記錄分析開采過程中的覆巖破壞特征和地表變形規(guī)律。

4.2 煤層開采測試

在開采過程中，當(dāng)工作面前進(jìn)到26.0cm時，采空區(qū)坍塌，觀察到的崩落高度約為3.5cm。當(dāng)工作面前進(jìn)至58cm時，屋頂大范圍立即塌陷，關(guān)鍵地層（屋頂上27.3cm的細(xì)粒砂巖）部分塌陷。當(dāng)工作面前進(jìn)至99cm時，工作面覆巖層第二次周期性地大面積下降，崩落步長為15.0cm。崩落高度為39.5cm。自由空間最大為1.5cm，長度為32.5cm，并且開采側(cè)的放頂角為68°。工作面上的動載荷很明顯，并且支撐阻力明顯增加。當(dāng)工作面前進(jìn)到128.0cm時，煤層的直接頂板坍塌，工作面的上覆地層第三次周期性地大面積掉落，當(dāng)工作面前進(jìn)到139cm時，工作面頂板經(jīng)歷了第四次周期性塌陷。最高點(diǎn)的累積位移為30mm。同時，最高點(diǎn)處的紅水儲水瓶中的水開始滲入土壤。這表明當(dāng)水庫裝滿水時，水將通過橫向脫落層的裂縫流入斜坡和采空區(qū)。當(dāng)工作面前進(jìn)至155cm時，工作面屋頂?shù)谖宕蜗陆?，表土第二次大面積下沉，上覆巖石的拉伸破壞導(dǎo)致工作面上方出現(xiàn)新的垂直向下裂縫。同時，較早產(chǎn)生的垂直向下裂縫逐漸閉合。斜坡體趨向采空區(qū)，中層土壤層出現(xiàn)脫落層破裂，導(dǎo)致水從藍(lán)色儲水瓶滲漏。這表明當(dāng)水位達(dá)到或超過該位置時，儲層中的水將通過脫落層裂縫流入采空區(qū)。