黔阳煤矿坡地露头煤柱留设分析研究

陈 月

(山西工程技术学院 矿业工程系，山西 阳泉 045000)

为防止在水体下采煤易发生的溃水、溃砂等事故，必须留设一定范围的安全防水煤岩柱。不同学者[1-12]对水体下采煤引起的覆岩变形及破坏规律、垮落带及导水裂缝带高度的计算等问题均进行了大量研究，成果十分突出。钱鸣高[1]院士提出的关键层理论对采场上覆岩层及地表活动的规律研究指出新的方向；许延春等[2-4]系统研究了第三系砂砾岩含水层下开采的覆岩规律和煤柱留设方式；邵月琴[5]从煤层自身的赋存环境以及人工施工等影响因素对煤层露头煤柱的留设进行了分析；牛心刚[6]等指出断层突水措施，不论注浆加固或是疏水卸压都需留设防水煤岩柱，并提出了位于大倾角正断层上盘的煤层防水煤柱留设宽度的数学模型；王睿等[12]提出了巨厚松散含水层下防水安全煤柱的计算模型和理论，并采用FLAC3D软件进行数值模拟，检验了提出模型的合理性。本文依据《“三下”采煤规范》[13]的设计要求和规范，结合黔阳矿区某煤矿的特殊水文地质条件，计算出各个煤层开采的导水裂缝带高度和露头防水煤柱高度；再由计算结果进行数值模拟，评估大气降水和地表水对矿井开采的影响程度，对可能发生的水害影响和地质灾害提供防治措施和建议[14-15]。

1 地质概况

该矿煤层倾角范围较大，总体10°～50°，大部分15°～30°，从浅部至深部逐渐减小。区内地质构造呈单斜且走向上的倾向倾角变化趋势小，但断层发育，地质构造属中等复杂。该矿区主要可采煤层为1号，2号，3号，4号，6号，8号煤层，全区可采煤层为1号，2号，3号煤层，大部可采煤层为4号煤层，局部可采煤层有6号和8号煤层。各煤层具体发育参数见表1。

表1 各煤层发育参数特征

2 煤层露头煤柱的预留计算

2.1 安全防隔水煤岩柱的计算

安全防隔水煤岩柱是为了防止导水裂缝带波及水体。其值可按式(1)计算：

Hsh≥Hli+Hb

(1)

式中，Hsh为防水安全煤岩柱垂直高度，m；Hli为导水裂缝带最大高度，m；Hb为保护层厚度，m。

2.2 各煤层垮落带高度及导水裂缝带计算

(1)对于≤35°的缓倾斜及角度在35°～54°的中倾斜煤层，当煤层顶板覆岩为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或互层时，单一煤层开采后的最大垮落带高度计算公式为：

(2)

式中，M为煤层采厚，m；k为冒落岩石碎胀系数，取1.2；α为煤层倾角；W为冒落过程中顶板的下沉值，取0.1M。

(2)当上、下两层煤的最小垂距大于回采下层煤的垮落带高度时，上、下层煤的导水裂缝带最大高度可分别按上、下层煤的厚度选用公式(3)或(4)计算，取其中标高最高者作为两层煤的导水裂缝带最大高度。

(3)

(4)

式中，ΣM为煤层累计采厚，m。

(3)当下煤层的垮落带触及到或完全处于上煤层范围内时，本层煤的开采厚度可用于上煤层导水裂缝带高度的计算，而上、下煤层综合开采厚度用于下煤层导水裂缝带高度的计算，标高最大者取为该两层煤的导水裂缝带最大高度。其中上、下煤层综合开采厚度Mzh按公式(5)计算。

(5)

式中，Ms为上煤层开采厚度，m；Mx为下煤层开采厚度,m；hs-x为上、下煤层之间的法线距离，m；yx为下煤层的冒高与采厚之比。

2.3 保护层厚度的选取

对于缓倾斜(0°～35°)及中倾斜(36°～54°)煤层，顶板岩性中硬时，防水安全煤岩柱的保护层厚度，可根据有无松散层及其中黏性土层厚度选取。表2列出了中硬岩层防水安全煤岩柱的计算选择。

表2 防水安全煤岩柱保护层厚度

选取具有代表性的2号地质勘探线剖面，依据《“三下”采煤规范》的设计要求和规范，结合该矿区的地质条件，计算出了该剖面的开采煤层防水煤柱高度，见图1和表3。

图1 2号剖面各煤层开采标高

煤层垮落带高度/m导水裂缝带高度/m防水煤柱高度/m剖面统一开采标高/m115.0744.0655.66212.7352.5764.82+1559.58315.1244.1255.7648.9434.9850.88

3 数值模拟及结果分析

3.1 模型的建立及模拟过程

离散元数值计算方法对于解决不连续介质问题十分有效，在岩土、矿冶和环境等多个领域广泛使用。而离散单元软件UDEC(Universal Distinct Element Code)是基于离散单元方法模拟非连续问题的通用二维数值计算软件，特别适用于研究与采矿有关的静态和动态问题。本文选取具有代表性的勘探线2号地质剖面，分析该剖面下各煤层工作面开采后上覆岩层及地表的变形破坏情况和导水裂缝带的分布情况。根据矿区的采矿条件，确定模型长度453.06m,高度480.94m；固定的底部及左右边界为模拟边界条件。数值计算模型见图2，2号剖面各煤层厚度及层间距见表4。

图2 2号剖面数值计算模型

煤层编号厚度/m层间距/m倾角/(°)12.9022.4532.9141.7260.3980.5710.1131.678.8322.1023.8030

模拟过程中的各岩层物理力学参数见表5。由于2号剖面的6号煤层和8号煤层厚度小于0.5m，为不可采区域，且因右侧正断层的分割作用，致使1号煤层在开采标高以下的范围只有30m可采，所以本剖面未模拟1号、6号、8号煤层的开采情况。

表5 各岩层物理力学性质

具体过程为：建立模型→检验模型→监测线布置→初始力平衡→2号煤层开采→3号煤层开采→4号煤层开采→分析上覆岩层及地表的最终变形破坏情况。每个可采煤层均开采第一区段，工作面斜长200m。

3.2 各煤层开采后的地表位移及破坏分析

3.2.1 水平移动及地表下沉分析

图3 2号剖面地表下沉及水平移动曲线

(1)地表水平移动 由图3可知，地表水平位移随着煤层的逐层开采而逐渐增大且均是向着山体内部移动，其水平位移曲线均呈驼峰形状波动，水平位移在开采过程中出现两个峰值点，2号、3号、4号煤层的第1峰值点均出现在横坐标150m附近即2号煤层露头处，峰值分别为400mm，900mm，1100mm；第2峰值点均出现在横坐标250～275m附近即断层露头处，峰值分别为300mm，500mm，600mm。以2号煤层露头为中心左右各25m范围内，地表由剧烈拉伸变为剧烈压缩，导致此处地表可能会形成地裂缝，这些裂缝、裂隙若与采空区贯通极易造成井下水患。在2号煤层露头与断层露头之间的地表水平移动量变化不大，该部分地表相对稳定。由于断层下盘开采后上盘岩体往采空区方向滑动导致其露头以上地表水平位移总体往山体内移动。

(2)地表下沉 由图3可知，地表垂直位移随着煤层的逐层开采其位移曲线均呈单峰形状波动，最大下沉值分别为400mm，900mm，1200mm，峰值点位于横坐标250～275m附近即断层露头处，垂直位移峰值与水平位移第1峰值基本相同，说明地表移动系数为1。且下沉曲线均呈尖底状，说明第1区段未达到充分采动。第1区段开采后，在采动影响范围内地表总体往采空区方向移动，这部分地表位于坡面的下部，可能引起中上部坡体产生危岩崩塌或滑坡。

3.2.2 不同煤层开采后覆岩与地表变形破坏

不同煤层开采后覆岩与地表的变形破坏情况如图4至图6所示。由图可知：

图4 2号煤层开采后覆岩与地表的变形破坏情况

图5 3号煤层开采后覆岩与地表的变形破坏情况

图6 4号煤层开采后覆岩与地表的变形破坏情况

(1)受采动和断层裂缝的双重影响，2号煤层开采后，在其顶板和断层之间即横坐标260～330m的范围出现明显的破坏和深度达0～40m的裂隙；受断层下盘的采动影响，断层上盘露头附近的地表，即横坐标240～320m范围产生了明显的破坏和0～40m范围的离层， 但开采后这两部分的裂隙尚未贯通。

(2)3号煤层开采后，采空区上部的裂缝带发展到横坐标200～380m的范围，垂直方向上已穿过断层进入断层上盘，断层上盘裂缝高度在20～30m之间，并与地表的裂缝带之间有20～25m的距离，将要形成贯通裂隙。

(3)4号煤层开采后采空区裂缝带向上发展并与地表裂隙贯通，地表水可沿这些裂隙进入采空区并软化裂缝带范围内的泥质岩层。由于累积采高的增大和采空区的扩大，2号煤层露头附近即横坐标140～155m处也产生了一组裂隙，此组裂隙深度约40m，距采空区约20m，地表水可能进入这些裂缝致岩层层面被软化。

4 结 论

(1)断层对裂缝带的扩大起了重要作用。

(2)4号煤层工作面的开采对覆岩及地表的变形破坏影响最大，其开采导致裂缝带贯通到地表，并形成2号煤层露头附近的一组裂隙，地表水可沿这些裂缝进入井下采空区，造成水患。

(3)2号剖面附近煤层因受断层的影响，按现在的露头煤柱设计，导水裂缝带会通达地表，可能导致中上部山体失稳诱发滑坡或危岩崩塌，危及坡脚一带的民房。因此2号剖面煤柱高度要增加，先暂时不开采断层附近下盘的煤层，在开采断层上盘的煤层时还应留足断层煤柱，且在开采过程中对地表出现的裂缝应及时封堵。