陳 月

(山西工程技術學院 礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000)

為防止在水體下采煤易發(fā)生的潰水、潰砂等事故，必須留設一定范圍的安全防水煤巖柱。不同學者[1-12]對水體下采煤引起的覆巖變形及破壞規(guī)律、垮落帶及導水裂縫帶高度的計算等問題均進行了大量研究，成果十分突出。錢鳴高[1]院士提出的關鍵層理論對采場上覆巖層及地表活動的規(guī)律研究指出新的方向；許延春等[2-4]系統(tǒng)研究了第三系砂礫巖含水層下開采的覆巖規(guī)律和煤柱留設方式；邵月琴[5]從煤層自身的賦存環(huán)境以及人工施工等影響因素對煤層露頭煤柱的留設進行了分析；牛心剛[6]等指出斷層突水措施，不論注漿加固或是疏水卸壓都需留設防水煤巖柱，并提出了位于大傾角正斷層上盤的煤層防水煤柱留設寬度的數(shù)學模型；王睿等[12]提出了巨厚松散含水層下防水安全煤柱的計算模型和理論，并采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，檢驗了提出模型的合理性。本文依據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》[13]的設計要求和規(guī)范，結(jié)合黔陽礦區(qū)某煤礦的特殊水文地質(zhì)條件，計算出各個煤層開采的導水裂縫帶高度和露頭防水煤柱高度；再由計算結(jié)果進行數(shù)值模擬，評估大氣降水和地表水對礦井開采的影響程度，對可能發(fā)生的水害影響和地質(zhì)災害提供防治措施和建議[14-15]。

1 地質(zhì)概況

該礦煤層傾角范圍較大，總體10°～50°，大部分15°～30°，從淺部至深部逐漸減小。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造呈單斜且走向上的傾向傾角變化趨勢小，但斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造屬中等復雜。該礦區(qū)主要可采煤層為1號，2號，3號，4號，6號，8號煤層，全區(qū)可采煤層為1號，2號，3號煤層，大部可采煤層為4號煤層，局部可采煤層有6號和8號煤層。各煤層具體發(fā)育參數(shù)見表1。

表1 各煤層發(fā)育參數(shù)特征

2 煤層露頭煤柱的預留計算

2.1 安全防隔水煤巖柱的計算

安全防隔水煤巖柱是為了防止導水裂縫帶波及水體。其值可按式(1)計算：

Hsh≥Hli+Hb

(1)

式中，Hsh為防水安全煤巖柱垂直高度，m；Hli為導水裂縫帶最大高度，m；Hb為保護層厚度，m。

2.2 各煤層垮落帶高度及導水裂縫帶計算

(1)對于≤35°的緩傾斜及角度在35°～54°的中傾斜煤層，當煤層頂板覆巖為堅硬、中硬、軟弱、極軟弱巖層或互層時，單一煤層開采后的最大垮落帶高度計算公式為：

(2)

式中，M為煤層采厚，m；k為冒落巖石碎脹系數(shù)，取1.2；α為煤層傾角；W為冒落過程中頂板的下沉值，取0.1M。

(2)當上、下兩層煤的最小垂距大于回采下層煤的垮落帶高度時，上、下層煤的導水裂縫帶最大高度可分別按上、下層煤的厚度選用公式(3)或(4)計算，取其中標高最高者作為兩層煤的導水裂縫帶最大高度。

(3)

(4)

式中，ΣM為煤層累計采厚，m。

(3)當下煤層的垮落帶觸及到或完全處于上煤層范圍內(nèi)時，本層煤的開采厚度可用于上煤層導水裂縫帶高度的計算，而上、下煤層綜合開采厚度用于下煤層導水裂縫帶高度的計算，標高最大者取為該兩層煤的導水裂縫帶最大高度。其中上、下煤層綜合開采厚度Mzh按公式(5)計算。

(5)

式中，Ms為上煤層開采厚度，m；Mx為下煤層開采厚度,m；hs-x為上、下煤層之間的法線距離，m；yx為下煤層的冒高與采厚之比。

2.3 保護層厚度的選取

對于緩傾斜(0°～35°)及中傾斜(36°～54°)煤層，頂板巖性中硬時，防水安全煤巖柱的保護層厚度，可根據(jù)有無松散層及其中黏性土層厚度選取。表2列出了中硬巖層防水安全煤巖柱的計算選擇。

表2 防水安全煤巖柱保護層厚度

選取具有代表性的2號地質(zhì)勘探線剖面，依據(jù)《“三下”采煤規(guī)范》的設計要求和規(guī)范，結(jié)合該礦區(qū)的地質(zhì)條件，計算出了該剖面的開采煤層防水煤柱高度，見圖1和表3。

圖1 2號剖面各煤層開采標高

煤層垮落帶高度/m導水裂縫帶高度/m防水煤柱高度/m剖面統(tǒng)一開采標高/m115.0744.0655.66212.7352.5764.82+1559.58315.1244.1255.7648.9434.9850.88

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 模型的建立及模擬過程

離散元數(shù)值計算方法對于解決不連續(xù)介質(zhì)問題十分有效，在巖土、礦冶和環(huán)境等多個領域廣泛使用。而離散單元軟件UDEC(Universal Distinct Element Code)是基于離散單元方法模擬非連續(xù)問題的通用二維數(shù)值計算軟件，特別適用于研究與采礦有關的靜態(tài)和動態(tài)問題。本文選取具有代表性的勘探線2號地質(zhì)剖面，分析該剖面下各煤層工作面開采后上覆巖層及地表的變形破壞情況和導水裂縫帶的分布情況。根據(jù)礦區(qū)的采礦條件，確定模型長度453.06m,高度480.94m；固定的底部及左右邊界為模擬邊界條件。數(shù)值計算模型見圖2，2號剖面各煤層厚度及層間距見表4。

圖2 2號剖面數(shù)值計算模型

煤層編號厚度/m層間距/m傾角/(°)12.9022.4532.9141.7260.3980.5710.1131.678.8322.1023.8030

模擬過程中的各巖層物理力學參數(shù)見表5。由于2號剖面的6號煤層和8號煤層厚度小于0.5m，為不可采區(qū)域，且因右側(cè)正斷層的分割作用，致使1號煤層在開采標高以下的范圍只有30m可采，所以本剖面未模擬1號、6號、8號煤層的開采情況。

表5 各巖層物理力學性質(zhì)

具體過程為：建立模型→檢驗模型→監(jiān)測線布置→初始力平衡→2號煤層開采→3號煤層開采→4號煤層開采→分析上覆巖層及地表的最終變形破壞情況。每個可采煤層均開采第一區(qū)段，工作面斜長200m。

3.2 各煤層開采后的地表位移及破壞分析

3.2.1 水平移動及地表下沉分析

圖3 2號剖面地表下沉及水平移動曲線

(1)地表水平移動 由圖3可知，地表水平位移隨著煤層的逐層開采而逐漸增大且均是向著山體內(nèi)部移動，其水平位移曲線均呈駝峰形狀波動，水平位移在開采過程中出現(xiàn)兩個峰值點，2號、3號、4號煤層的第1峰值點均出現(xiàn)在橫坐標150m附近即2號煤層露頭處，峰值分別為400mm，900mm，1100mm；第2峰值點均出現(xiàn)在橫坐標250～275m附近即斷層露頭處，峰值分別為300mm，500mm，600mm。以2號煤層露頭為中心左右各25m范圍內(nèi)，地表由劇烈拉伸變?yōu)閯×覊嚎s，導致此處地表可能會形成地裂縫，這些裂縫、裂隙若與采空區(qū)貫通極易造成井下水患。在2號煤層露頭與斷層露頭之間的地表水平移動量變化不大，該部分地表相對穩(wěn)定。由于斷層下盤開采后上盤巖體往采空區(qū)方向滑動導致其露頭以上地表水平位移總體往山體內(nèi)移動。

(2)地表下沉 由圖3可知，地表垂直位移隨著煤層的逐層開采其位移曲線均呈單峰形狀波動，最大下沉值分別為400mm，900mm，1200mm，峰值點位于橫坐標250～275m附近即斷層露頭處，垂直位移峰值與水平位移第1峰值基本相同，說明地表移動系數(shù)為1。且下沉曲線均呈尖底狀，說明第1區(qū)段未達到充分采動。第1區(qū)段開采后，在采動影響范圍內(nèi)地表總體往采空區(qū)方向移動，這部分地表位于坡面的下部，可能引起中上部坡體產(chǎn)生危巖崩塌或滑坡。

3.2.2 不同煤層開采后覆巖與地表變形破壞

不同煤層開采后覆巖與地表的變形破壞情況如圖4至圖6所示。由圖可知：

圖4 2號煤層開采后覆巖與地表的變形破壞情況

圖5 3號煤層開采后覆巖與地表的變形破壞情況

圖6 4號煤層開采后覆巖與地表的變形破壞情況

(1)受采動和斷層裂縫的雙重影響，2號煤層開采后，在其頂板和斷層之間即橫坐標260～330m的范圍出現(xiàn)明顯的破壞和深度達0～40m的裂隙；受斷層下盤的采動影響，斷層上盤露頭附近的地表，即橫坐標240～320m范圍產(chǎn)生了明顯的破壞和0～40m范圍的離層， 但開采后這兩部分的裂隙尚未貫通。

(2)3號煤層開采后，采空區(qū)上部的裂縫帶發(fā)展到橫坐標200～380m的范圍，垂直方向上已穿過斷層進入斷層上盤，斷層上盤裂縫高度在20～30m之間，并與地表的裂縫帶之間有20～25m的距離，將要形成貫通裂隙。

(3)4號煤層開采后采空區(qū)裂縫帶向上發(fā)展并與地表裂隙貫通，地表水可沿這些裂隙進入采空區(qū)并軟化裂縫帶范圍內(nèi)的泥質(zhì)巖層。由于累積采高的增大和采空區(qū)的擴大，2號煤層露頭附近即橫坐標140～155m處也產(chǎn)生了一組裂隙，此組裂隙深度約40m，距采空區(qū)約20m，地表水可能進入這些裂縫致巖層層面被軟化。

4 結(jié) 論

(1)斷層對裂縫帶的擴大起了重要作用。

(2)4號煤層工作面的開采對覆巖及地表的變形破壞影響最大，其開采導致裂縫帶貫通到地表，并形成2號煤層露頭附近的一組裂隙，地表水可沿這些裂縫進入井下采空區(qū)，造成水患。

(3)2號剖面附近煤層因受斷層的影響，按現(xiàn)在的露頭煤柱設計，導水裂縫帶會通達地表，可能導致中上部山體失穩(wěn)誘發(fā)滑坡或危巖崩塌，危及坡腳一帶的民房。因此2號剖面煤柱高度要增加，先暫時不開采斷層附近下盤的煤層，在開采斷層上盤的煤層時還應留足斷層煤柱，且在開采過程中對地表出現(xiàn)的裂縫應及時封堵。