李 偉

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

我國(guó)西北地區(qū)大面積分布著火燒區(qū)。自燃煤層附近巖層經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，有機(jī)質(zhì)燒失坍塌形成燒變巖[1-3]。燒變巖孔洞、裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，因此火燒區(qū)往往賦存有大量地下水，給煤炭資源開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

露天礦的邊坡失穩(wěn)一直是最突出的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，如地下水、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡巖性、振動(dòng)等[4，5]。不同工況邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素不同。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中情況往往要更加復(fù)雜，許多邊坡穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素有兩種甚至更多。對(duì)于受火燒區(qū)影響的煤炭資源露天開(kāi)采，不僅爆破振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性，火燒區(qū)地下水的滲流[6，7]也是決定邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。同時(shí)煤炭資源的開(kāi)采對(duì)地下水?dāng)_動(dòng)也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響[8，9]。尤其是對(duì)西北地區(qū)，水資源較匱乏，生態(tài)脆弱，地下水體的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境更加惡化[10-12]。留設(shè)合理尺寸的煤巖柱既能滿(mǎn)足礦山安全生產(chǎn)需要，同時(shí)起到環(huán)境保護(hù)的作用[13]。目前，關(guān)于隔水煤巖柱的研究多集中在井工礦山開(kāi)采中。許延春[14]在綜放開(kāi)采防水煤巖柱研究中提出了“有效隔水厚度”的概念和折算有效隔水厚度的方法，建議了水體下“有效隔水厚度”留設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法。溫思南，何也等[15-17]研究了斷層防隔水煤柱留設(shè)寬度。項(xiàng)林語(yǔ)等[18]計(jì)算了松軟煤層條件下防隔水煤柱寬度。李昌虎等[19]對(duì)高應(yīng)力條件下孤島工作面隔水煤柱寬度進(jìn)行了研究。

新疆大南湖二礦首采區(qū)南端幫外側(cè)為Ⅲ火燒區(qū)，賦存有大量地下水，平面呈橢圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)達(dá)4.5km，深度238m，面積4.45 km2。長(zhǎng)軸方向與首采區(qū)推進(jìn)方向一致，直至最深部可采煤層29煤，含水量達(dá)50.0Mm3，為富水性極強(qiáng)的獨(dú)立含水單元。Ⅲ火燒區(qū)燒變巖地下水水位標(biāo)高+403m左右，局部隱伏區(qū)域具有承壓水的特性。為了保護(hù)火燒區(qū)地下水資源并保證安全生產(chǎn)，南端幫必須留設(shè)足夠?qū)挾鹊母羲褐?。南端幫受到生產(chǎn)爆破振動(dòng)和火燒區(qū)地下水滲流的耦合作用，留設(shè)合理尺寸的隔水煤柱對(duì)于提高煤炭資源回收率，保證安全生產(chǎn)和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

1 邊坡結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析

大南湖二礦爆破方式為延時(shí)爆破，爆破區(qū)域布置在南幫+450m臺(tái)階，爆破孔排列形式為三角形，排間距和孔間距均為4m，坡頂距為3.5m，孔徑150mm，孔深16.4m，填塞長(zhǎng)度4m，炸藥單耗0.5kg/m3。本試驗(yàn)采用的礦山爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由埋設(shè)在爆源場(chǎng)地地表的MEMS三向檢波器、振動(dòng)信號(hào)采集儀和部署在云端的爆破振動(dòng)分析軟件構(gòu)成。本專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)共在大南湖二礦南端幫布設(shè)了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均開(kāi)挖50cm孔深的鉆孔，將MEMS三向檢波器放置在孔底，并用水泥澆筑，確保MEMS三向檢波器與周?chē)鷰r土體緊密耦合，從而能夠準(zhǔn)確感知到遠(yuǎn)處爆破震源傳播來(lái)的微弱地震波振動(dòng)信號(hào)。每只三向檢波器的X向指向振動(dòng)的來(lái)波方向(水平切向)，Y向垂直于來(lái)波方向(水平徑向)，Z軸豎直向上(垂直方向)，首先接收到的數(shù)據(jù)為縱波數(shù)據(jù)，隨后才是橫波和瑞利波，3個(gè)方向(X、Y、Z)同時(shí)記錄，測(cè)得01號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度波峰值最大，具體波形如圖2所示。

圖1 爆破區(qū)域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

圖2 01號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度波形

通過(guò)對(duì)爆破振動(dòng)作用下邊坡模擬，影響區(qū)域主要為地表淺層未到達(dá)火燒區(qū)，爆破振動(dòng)對(duì)邊坡動(dòng)剪應(yīng)力影響較大，水平方向上部影響至+405m水平臺(tái)階坡腳，下部影響至坑底。爆破影響區(qū)域水平范圍達(dá)152.5m，火燒區(qū)一側(cè)影響深度為50m。在垂直方向上形成爆破振動(dòng)沖擊作用下的“應(yīng)力泡”現(xiàn)象，影響深度達(dá)到25m，如圖3所示。

圖3 爆破作用1.9913s時(shí)邊坡巖體剪應(yīng)力響應(yīng)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，應(yīng)用Geo-studio模擬軟件的QUAKE/W模塊，將收集的震動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，采用極限平衡法，計(jì)算爆破震動(dòng)過(guò)程中邊坡安全系數(shù)的變化過(guò)程，震動(dòng)加速度及邊坡穩(wěn)定性變化如圖4所示。爆破振動(dòng)影響隨振動(dòng)波持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)影響程度增加，0.8～1.8s間邊坡安全系數(shù)隨震動(dòng)加速波動(dòng)而不斷發(fā)生變化，1.8～2.0s震動(dòng)加速度迅速增大，邊坡安全系數(shù)隨之下降迅速，但持續(xù)時(shí)間僅為0.2s，對(duì)坡體穩(wěn)定性影響較小。

圖4 爆破加速度及邊坡穩(wěn)定性變化

2 燒變巖露天礦端幫隔水煤(巖)柱模型

《煤礦防治水規(guī)定》給出了煤礦“含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲褐牧粼O(shè)”公式[20]。

式中，L為防水煤柱寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

對(duì)于燒變巖露天礦山隔水煤柱的留設(shè)，火燒區(qū)地下水向礦坑滲透，坡體中地下水存在水力坡降，煤巖柱兩端水壓力存在一定的差值，采用公式1計(jì)算留設(shè)尺寸能夠滿(mǎn)足安全要求，但結(jié)果偏向保守。取地下水壓力P為浸潤(rùn)線(xiàn)拐點(diǎn)下方煤(巖)中間位置水壓，即煤巖柱兩端水壓的均值，建立燒變巖露天礦隔水煤(巖)柱模型如圖5所示。

圖5 露天煤礦隔水煤(巖)柱模型

式中，h1為浸潤(rùn)線(xiàn)垂直至煤(巖)層頂部邊界距離，m；h2為浸潤(rùn)線(xiàn)垂直至煤(巖)層底部邊界距離，m。

3 地下水與爆破振動(dòng)耦合作用下燒變巖露天礦隔水煤(巖)柱構(gòu)造技術(shù)

該礦田煤層較多，共20個(gè)煤層，收集了30多個(gè)鉆孔資料及物理力學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將礦區(qū)巖體主要分為3大類(lèi)，隔水煤(巖)柱計(jì)算中主要使用抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)巖體抗拉力學(xué)參數(shù)

火燒區(qū)水位標(biāo)高取+400m進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)本次端幫鉆孔獲取地層及巖性，通過(guò)公式2分別計(jì)算的防隔水煤(巖)柱寬度，不同煤巖層最小防隔水尺寸與爆破振動(dòng)巖體動(dòng)剪應(yīng)力衰減關(guān)系如圖6所示，其中K2，K5分別表示安全系數(shù)為1.2和1.5時(shí)各煤巖層厚度。+335m水平隔水巖柱尺寸最大為52m。爆破振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)剪應(yīng)力在爆破核心區(qū)域20m以?xún)?nèi)較大，且衰減迅速，20～50m區(qū)域內(nèi)衰減速度相對(duì)緩慢，動(dòng)剪應(yīng)力值較小，至50m處動(dòng)剪應(yīng)力對(duì)巖體產(chǎn)生的影響可忽略。爆破震動(dòng)過(guò)程中1.8s至2.0s之間邊坡安全系數(shù)變化劇烈，但時(shí)間較短，僅為坡體瞬間狀態(tài)，考慮邊坡穩(wěn)定性時(shí)可忽略。因此，地下水位標(biāo)高煤巖柱留設(shè)尺寸為50m。

圖6 燒變巖露天礦隔水煤(巖)柱構(gòu)造

考慮邊坡角分別為15°、18°、20°、22°、24°、26°六種條件下隔水煤(巖)柱構(gòu)造。角度為26°工況下，不同煤巖層尺寸均滿(mǎn)足最小尺寸要求，所以各邊坡角度條件下均可滿(mǎn)足隔水煤(巖)柱留設(shè)條件。

綜合考慮爆破作用下剪應(yīng)力邊坡單側(cè)影響范圍，采場(chǎng)南幫+400m水平(火燒區(qū)水位標(biāo)高)與火燒區(qū)最小距離留設(shè)為50m，按照式(2)計(jì)算端幫各平盤(pán)隔水煤(巖)柱留設(shè)尺寸，再依據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行邊坡參數(shù)優(yōu)化。

4 燒變巖邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4.1 燒變巖邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)

原《大南湖二礦采礦設(shè)計(jì)》給出+400m水平隔水煤柱尺寸為150m，南幫邊坡角為22°；考慮南幫地下水按照水力坡降為12°時(shí)，建立2種工況下邊坡角分別為15°、18°、20°、22°、24°、26°時(shí)6個(gè)邊坡工程力學(xué)模型，基于邊坡穩(wěn)定分析給出燒變巖邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)方案，并采用極限平衡方法對(duì)邊坡參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

4.2 燒變巖邊坡參數(shù)優(yōu)化

設(shè)計(jì)方案一為：火燒區(qū)邊界+400m水平留設(shè)50m隔水平盤(pán)，控制點(diǎn)為地表，設(shè)計(jì)整體邊坡角分別為15°、18°、20°、22°、24°及26°。設(shè)計(jì)方案二為：火燒區(qū)邊界+400m水平留設(shè)50m隔水平盤(pán)，控制點(diǎn)為+400m水平，設(shè)計(jì)整體邊坡角分別為15°、18°、20°、22°、24°及26°。兩設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 燒變巖邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

大南湖二礦南幫設(shè)計(jì)隔水煤柱不同方案安全系數(shù)變化如圖8所示。方案一邊坡設(shè)計(jì)角度為24°時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.215，可以滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.15～1.20要求。方案二邊坡設(shè)計(jì)角度小于18°可以滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.15～1.20要求。方案二采礦中邊坡位于現(xiàn)狀地下水位線(xiàn)以下，考慮火燒區(qū)側(cè)向補(bǔ)給引起局部地下水承壓性，22煤至25煤之間砂巖層位于地下水位影響以下，方案二在該區(qū)域?qū)⒚媾R地下水沿底幫砂巖突水風(fēng)險(xiǎn)。因此推薦南端幫按照方案一設(shè)計(jì)開(kāi)采，確定火燒區(qū)端幫邊坡角為24°。

圖8 燒變巖邊坡優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)爆破振動(dòng)作用下邊坡動(dòng)剪應(yīng)力數(shù)值模擬研究，掌握了爆破振動(dòng)對(duì)燒變巖邊坡巖體影響規(guī)律；爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大的時(shí)間段為1.6～2.0s；剪應(yīng)力隨振動(dòng)波持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)影響程度增加，水平方向上影響爆破區(qū)域兩側(cè)至152.50m，深度影響至25.04m，對(duì)邊坡單側(cè)影響距離為50m；

2)建立燒變巖露天礦隔水煤(巖)柱模型，推導(dǎo)公式計(jì)算端幫各平盤(pán)煤(巖)柱尺寸，綜合考慮爆破振動(dòng)和地下水耦合作用，確定安全煤(巖)柱尺寸，并對(duì)燒變巖邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，形成巨厚富水燒變巖露天邊坡隔水煤巖柱構(gòu)造技術(shù)；

3)大南湖二礦隔水煤(巖)柱尺寸為火燒區(qū)邊界+400m水平留設(shè)50m，考慮水力坡降優(yōu)化后的邊坡角為24°，相較原設(shè)計(jì)提高了2°，巨厚富水燒變巖露天邊坡隔水煤(巖)柱構(gòu)造技術(shù)有效解決了大南湖二礦坡面涌水與邊坡穩(wěn)定控制問(wèn)題，可應(yīng)用于我國(guó)新疆及西北地區(qū)的燒變巖露天礦邊坡工程。