井下煤層重復(fù)開采與司家營擬建第二尾礦庫區(qū)的相互影響

郭 斌 韓新開 馬朋坤

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

井下煤層重復(fù)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(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河北鋼鐵集團(tuán)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(jì)算了地表變形值相對淺部呈變小的趨勢。對井下煤層重復(fù)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(jìn)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(fù)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(yán)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(jìn)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(fù)開采與司家營第二尾礦庫區(qū)相互影響進(jìn)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(qiáng)土工布進(jìn)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(yù)制塊作為保護(hù)層。

(2)后期尾礦壩。尾礦顆粒較細(xì)，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(shí)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(shí)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(gè)3 m平臺(tái)，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(jì)正常干灘段長350 m，最小干灘長200 m。尾礦堆積最終標(biāo)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(jì)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(dá)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(fù)式向斜構(gòu)造。向斜的總體軸向?yàn)镹E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(xì)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(xì)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(fù)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(yuǎn)期開采煤層采空區(qū)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)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(fù)采動(dòng)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(dá)到一定值時(shí)，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(huì)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(shí)際運(yùn)行情況，如果正下方不進(jìn)行開采，庫區(qū)則為相對穩(wěn)定的區(qū)域。而受重復(fù)采動(dòng)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(fù)采動(dòng)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(fù)采動(dòng)對尾礦庫壩體的影響

4.1 采動(dòng)變形對壩體的影響

通過對壩體受采動(dòng)影響變形的計(jì)算分析，自2012年度開始，至第二尾礦庫達(dá)到服務(wù)年限為止，壩體將受到不同程度的移動(dòng)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(dòng)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(dá)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(dá)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(huì)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(dá)到2.6，3.5，2.0 mm/m。

擬建的第二尾礦庫如果2014年開始運(yùn)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(jì)算的地表變形值相對于淺部將呈變小的趨勢，但累計(jì)移動(dòng)變形量有所增加。只要對壩體采用抵抗采動(dòng)變形加固設(shè)計(jì)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(dòng)變形的。

4.2 采動(dòng)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(shí)測，對于黏土，水平變形達(dá)到4～6 mm/m 時(shí)發(fā)生裂縫；對于砂質(zhì)黏土，水平變形達(dá)到2～3 mm/m時(shí)發(fā)生裂縫；對于鋼筋混凝土構(gòu)件，其地基的水平變形達(dá)到6～7 mm/m時(shí)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?。辉诓缮畈蛔兊臈l件下，如果增加采厚，則地表變形值會(huì)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(shí)，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(qiáng)，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(jì)資質(zhì)的單位進(jìn)行抗裂縫設(shè)計(jì)，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(yùn)營過程中對壩體出現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)維修加固。

5 第二尾礦庫對井下采掘生產(chǎn)的影響

經(jīng)計(jì)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(yàn)結(jié)果可知，附加應(yīng)力傳遞深度為150～200 m，因此，可以認(rèn)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(huì)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(jì)沖積層厚為120 m?？紤]最不利因素的情況下，12.5#煤層導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶不會(huì)導(dǎo)通沖積層含水層，說明第二尾礦庫的建設(shè)及運(yùn)營不會(huì)對井下正常采掘活動(dòng)構(gòu)成影響。

6 結(jié) 語

通過對司家營鐵礦井下重復(fù)開采與擬建的第二尾礦庫的相互影響進(jìn)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(yùn)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．

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[3] 周 沖．井工煤礦沉陷區(qū)土地復(fù)墾評價(jià)規(guī)則庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．太原：太原理工大學(xué)，2013．

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[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(shí)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。