靈新煤礦地下水庫煤柱壩體合理尺寸研究

周光華，邵俊杰，吳寶楊，嚴永勝

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)公司，寧夏自治區(qū)銀川市，751410；2.國家能源投資集團有限責任公司煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京市昌平區(qū)，102209；3.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院, 北京市海淀區(qū)，100083)

煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移是保障我國能源安全的必然要求，有效保護和利用礦區(qū)水資源是支撐西部煤炭資源科學開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的基礎和前提，也是實現(xiàn)煤炭綠色開發(fā)的關鍵。西部礦區(qū)干旱少雨、生態(tài)脆弱，要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就要以煤炭資源開發(fā)優(yōu)勢為基礎，延伸與擴展相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這就勢必對水資源開發(fā)和利用提出更多的需求。礦井水作為重要的非常規(guī)水資源，其大規(guī)模高效利用可為我國西部煤炭綠色開發(fā)高質(zhì)量發(fā)展提供必要的支撐。

與此同時，受西部礦區(qū)煤層埋藏淺、開采強度大等開采特征的影響，傳統(tǒng)的通過降低覆巖導水裂隙發(fā)育高度來防止含水層破壞的保水途徑常常難以適用。針對這一難題，國家能源集團顧大釗院士團隊提出了利用煤礦地下水庫進行礦井水儲存、凈化與利用的保水開采理念，即通過工作面區(qū)段煤柱(煤柱壩體)、人工壩體等構筑物將若干個采空區(qū)圍成封閉空間，充分利用采空區(qū)冒落巖體的空隙、裂隙與離層空間對礦井水進行儲存與調(diào)用[1-4]。據(jù)此，神東礦區(qū)開展了利用井下采空區(qū)進行水資源蓄存、凈化以及循環(huán)利用的保水采煤實踐，合理解決了礦井水保護與煤炭開采相協(xié)調(diào)的難題[5]。

煤礦地下水庫與普通地下水庫存在著較大的不同，煤柱壩體的穩(wěn)定對保證地下水庫的安全運行有很大影響，目前在采礦領域已有相關專家學者就煤礦地下水庫煤柱壩體在不同工況條件下的穩(wěn)定性問題開展了相關研究，如：顧大釗、顏永國等[6]研究了煤柱壩體的地震破壞形態(tài)、抗震薄弱環(huán)節(jié)以及影響因素；姚強嶺等[7]開展了考慮覆巖壓力、水壓力以及水的弱化作用下煤柱壩體寬度設計研究；吳寶楊等[8]分析研究了煤礦分布式地下水庫煤柱壩體合理布置方式；白東堯、鞠金峰等[9]開展了煤礦地下水庫煤柱壩體極限水頭值研究。然而，目前煤礦地下水庫保水技術更多的應用于采掘地質(zhì)條件簡單的礦區(qū)，對于大傾角、巨厚煤層或近距離煤層群開采等復雜條件下煤礦地下水庫建設的相關研究并不多。因此，開展復雜條件下煤礦地下水庫煤柱壩體的合理尺寸研究將成為西部礦區(qū)未來可持續(xù)發(fā)展不可回避的問題之一。

基于此，本文針對寧煤礦區(qū)靈新煤礦特定的近距離傾斜煤層群采掘地質(zhì)條件，采用數(shù)值分析的方法，研究煤礦地下水庫煤柱壩體的留設及其穩(wěn)定性問題，進而為該礦區(qū)首座煤礦地下水庫的建設提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

靈新煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)境內(nèi)，北距銀川市45 km，西距靈武市40 km。礦井范圍內(nèi)沙丘廣布，地形起伏不大，總的趨勢為南高北低，屬低緩剝蝕殘丘地貌，四周高，中間低，標高為+1 282～+1 409 m。井田內(nèi)基巖零星出露，風沙大，降水稀少。區(qū)內(nèi)既無深大斷裂，也無較大的地表水系，西天河是區(qū)內(nèi)唯一常年地表水流，地下水補給來源貧乏。目前礦井涌水量為450 m3/h，最大涌水量550 m3/h。本井田位于磁窯堡向斜的西翼，呈一東傾的單斜構造。

1.2 采區(qū)開采情況

全礦井共劃分為6個采區(qū)，如圖1所示，其中一、二、三、四、五采區(qū)為上山采區(qū)，六采區(qū)為下山采區(qū)。二采區(qū)開采2號煤層，四采區(qū)開采6號煤層，一、三、五、六采區(qū)主要開采14、15、16號煤層。二采區(qū)已于2006年4月回采結束并封閉，一、三采區(qū)于2008年初回采結束，四采區(qū)于2013年3月回采結束，六采區(qū)目前處于巷道開拓階段，現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)為五采區(qū)。由于篇幅限制，下面只介紹與本文研究內(nèi)容有關的一采區(qū)和六采區(qū)情況。

圖1 靈新礦采區(qū)劃分示意圖

一采區(qū)為上山采區(qū)，位于靈武礦區(qū)磁窯堡井田的西北翼，該采區(qū)北屏山神廟，南依西天河，西起下組煤的隱伏露頭，深部為煤層+1 050 m水平標高，走向長1.8 km，東西傾向?qū)?.3～1.6 km，面積2.10 km2。該采區(qū)生產(chǎn)能力為45萬t/a，開采下組14、15、16號煤層，1985年12月正式開工建設，2008年初回采結束。

六采區(qū)為下山采區(qū)，西以+1 050 m軌道大巷煤柱為界，東以向斜軸為界，南以F2斷層為界。采區(qū)南北平均走向長7.5 km，東西平均傾向?qū)?.1 km，面積8.25 km2，開采下組14、15、16號煤層, 開采最低標高+855 m，距地表垂深445 m左右。

1.3 煤礦地下水庫選址情況

一采區(qū)區(qū)域地質(zhì)構造簡單，無大斷層，地質(zhì)水文條件相對簡單。此外，該部位處于向斜西北角，屬于向斜構造，與向斜外的其他地層沒有直接的水力聯(lián)系，僅第四系地下水之間在不同層位間存在一定的水力聯(lián)系，地下水補徑排條件較弱，地下水流動應處于緩慢區(qū)或滯流區(qū)。因此，靈新煤礦首座煤礦地下水庫的儲水區(qū)域擬選取一采區(qū)的6個采空區(qū)，分別為：14號煤層中的L1614采空區(qū)、L1814采空區(qū)，15號煤層中的L1615采空區(qū)、L1815采空區(qū)，16號煤層中的L1616采空區(qū)、L1816采空區(qū)，如圖2所示。

圖2 一采區(qū)與六采區(qū)位置關系剖面

然而，根據(jù)靈新煤礦采掘接續(xù)計劃，與一采區(qū)相鄰的六采區(qū)尚未開采，因此，確定煤礦地下水庫與其鄰近六采區(qū)之間采區(qū)邊界隔離煤柱(即煤柱壩體)的合理尺寸，就成為靈新礦首座煤礦地下水庫建設成功與否的關鍵。

本文以靈新煤礦一采區(qū)煤礦地下水庫建設過程中遇到的煤柱壩體留設問題為工程背景，采用數(shù)值分析的方法，先分析六采區(qū)煤層開采后，煤礦地下水庫煤柱壩體及鄰近圍巖的損傷情況，再分析儲水壓力作用下裂隙擴展深度，進而研究確定合理的煤柱壩體寬度，以保證煤礦地下水庫的安全運行。

2 煤炭開采對煤柱壩體的影響分析

2.1 數(shù)值計算模型的建立

OpenGeoSys軟件為C++語言編寫的開源的多物理場耦合數(shù)值模擬軟件，在地下工程、地熱開發(fā)和地下水污染物遷移等領域有廣泛的引用[10]。針對本文研究對象的特點，本次數(shù)值模擬采用該軟件中的工程開挖模塊進行數(shù)值模擬分析，并基于Drucker-Prager塑性屈服準則計算煤柱周圍單元的塑性區(qū)。

為分析研究六采區(qū)工作面回采后，與其相鄰的煤礦地下水庫煤柱壩體的塑性區(qū)域分布特征，首先建立數(shù)值計算模型，如圖3所示。網(wǎng)格采用三角形單元，并控制最大尺寸為20 m，局部加密網(wǎng)格尺寸控制在0.8 m以內(nèi)，以保障數(shù)值計算精度。數(shù)值計算中，程序會先根據(jù)地層密度計算出模型的初始應力，隨后再計算單元開挖后的應力場重分布，實現(xiàn)對單元開挖后圍巖應力和塑性區(qū)的計算。邊界條件為左右邊界固定水平位移，底面邊界固定垂直位移。

圖3 數(shù)值計算模型

2.2 不同尺寸條件下的煤柱壩體塑性區(qū)分析

根據(jù)現(xiàn)場采掘條件可知，煤礦地下水庫所包含的6個采空區(qū)中L1814采空區(qū)與鄰近6采區(qū)的回采工作面距離最近，因此本文以一采區(qū)L1814工作面與6采區(qū)回采工作面之間的采區(qū)隔離煤柱(下文稱“煤柱壩體”)尺寸為依據(jù)，分析研究不同煤柱壩體寬度(分別為20、30、40、50、60 m 5種工況)條件下，煤柱壩體及其周邊圍巖的塑性區(qū)分布特征。

2.2.1煤柱壩體寬度20m

煤柱壩體寬度為20 m時，工作面開采后，塑性區(qū)分布如圖4所示，圖中黃色箭頭表示水體滲流路徑。由圖4可知，煤柱壩體出現(xiàn)了明顯的塑性區(qū)，尤其是采空區(qū)底板破壞嚴重。在L1814采空區(qū)右側煤柱壩體上方的巖層中出現(xiàn)了塑性破壞，與鄰近的六采區(qū)采空區(qū)頂板覆巖塑性區(qū)有貫通的現(xiàn)象。此外，六采區(qū)開采后，由于L1816采空區(qū)右側煤柱在L1814采空區(qū)正下方，且與六采區(qū)工作面采空區(qū)周邊的圍巖塑性區(qū)接近聯(lián)通，在地下水庫的水力作用下易發(fā)生透水。因此，雖然20 m寬度的煤柱能夠滿足穩(wěn)定性要求，但不滿足采空區(qū)儲水后防滲的要求。

圖4 煤柱壩體寬度20 m情況下塑性區(qū)分布

2.2.2煤柱壩體寬度30m

煤柱壩體寬度為30 m時，工作面開采后，塑性區(qū)分布如圖5所示。L1814采空區(qū)右側煤柱上方巖層的損傷區(qū)沒有發(fā)生連通，但由于L1816采空區(qū)右側煤柱損傷區(qū)范圍較大，其與六采區(qū)鄰近側煤柱的損傷區(qū)仍相互貫通，因此，在地下水庫運行時，六采區(qū)煤層開采過程中具有透水風險。

圖5 煤柱壩體寬度30 m情況下塑性區(qū)分布

2.2.3煤柱壩體寬度40m

煤柱壩體寬度為40 m時，工作面開采后，塑性區(qū)分布如圖6所示。相比于煤柱壩體寬度為30 m的情況，煤柱寬度40 m時，L1816采空區(qū)右側煤柱的塑性區(qū)與六采區(qū)鄰近側煤柱的塑性區(qū)連通情況有所減少，但仍然是連通的。因此，與30 m煤柱壩體寬度的情況一致，采空區(qū)仍然具有透水風險，具體滲流路徑可能如圖中黃色箭頭所示。

圖6 煤柱壩體寬度40 m情況下塑性區(qū)分布

2.2.4煤柱壩體寬度50m

煤柱壩體寬度為50 m時，工作面開采后，塑性區(qū)分布如圖7所示。在L1814采空區(qū)右側煤柱寬度加大后，相比于煤柱壩體寬度40 m的情況，L1816采空區(qū)右側煤柱的塑性范圍具有縮小趨勢，煤柱兩側(L1816采空區(qū)右側煤柱與六采區(qū)左側煤柱)的塑性區(qū)間距大約10 m。但是在水力作用下，有可能會發(fā)生水壓力破裂巖體的情況，從而導致透水事故。

圖7 煤柱壩體寬度50 m情況下塑性區(qū)分布

2.2.5煤柱壩體寬度60m

煤柱壩體寬度為60 m時，工作面開采后，塑性區(qū)分布如圖8所示。在L1814采空區(qū)上方煤柱寬度加大的情況下，L1816采空區(qū)右側煤柱的塑性區(qū)范圍進一步縮小。煤柱兩側(L1816采空區(qū)右側煤柱與六采區(qū)左側煤柱)塑性區(qū)間距進一步擴大，達到40 m左右。

圖8 煤柱壩體寬度60 m情況下塑性區(qū)分布

綜合上述分析可知，在煤礦地下水庫鄰近六采區(qū)側的煤柱壩體逐漸加寬的情況下，煤柱壩體上方巖層的損傷區(qū)基本保持不變，而煤柱壩體自身損傷區(qū)范圍逐漸縮小，但當煤柱寬度小于50 m時，損傷區(qū)連通，具有透水風險。當煤柱寬度增至50 m時，煤柱壩體塑性損傷區(qū)連通的情況消失，當煤柱寬度為60 m，煤柱兩側(L1816采空區(qū)右側煤壁與六采區(qū)左側煤壁)的塑性區(qū)間距擴大至40 m左右。

3 水壓作用下煤柱壩體裂隙擴展分析

3.1 數(shù)值計算模型的建立

為進一步分析煤礦地下水庫運行時，在儲水壓力作用下，煤柱壩體塑性區(qū)裂隙的擴展情況，基于3DEC數(shù)值模擬軟件，進行不同儲水壓力作用下的煤巖體水力壓裂數(shù)值計算，從而判斷煤柱壩體寬度在50 m以上時，煤柱壩體損傷區(qū)不連通情況下是否具有透水風險。為減少計算時間和提高計算精度，建立了尺寸為10 m×10 m×10 m的模型，在模型底部中央建立10.0 m×2.3 m的預制節(jié)理，并進行局部網(wǎng)格加密，最終模型如圖9所示。

圖9 儲水壓力作用下煤柱壩體壓裂數(shù)值模型

考慮上方含水層補給并全部充滿采動裂隙，則本部分的數(shù)值分析以靜水壓力計算，煤柱壩體埋深在300 m左右，則最大水壓為3 MPa，因此，在模型中地下水庫煤柱壩體儲水一側(即一采區(qū)一側)設置1～3 MPa的靜水壓力?？紤]巖體應力對水壓裂的影響，根據(jù)煤柱壩體的埋深，設置模型初始(即未施加靜水壓力時)正應力σx=σy=σz=12.8 MPa，剪應力τxy=16 MPa,τxz=τyz=0。參考文獻[11-12]中的模擬方法，數(shù)值計算過程中循環(huán)20 000步以達到穩(wěn)定，采用3DEC中的水-力耦合方法進行計算。

3.2 不同水壓作用下煤柱壩體裂隙擴展規(guī)律

數(shù)值計算得到1、2、3 MPa水壓作用下，煤礦地下水庫煤柱壩體裂隙的孔喉孔徑分別如圖10、11、12所示。由圖10可知，在1 MPa水壓力作用下，煤柱壩體裂隙擴展長度約3.0 m。由圖11可知，在2 MPa水壓作用與1 MPa水壓作用相比，裂隙擴展長度大致相等，約3.2 m。由圖12所示，在3 MPa水壓作用下，煤柱壩體裂隙擴展長度明顯增大，約5.0 m。

圖10 水壓1 MPa下裂隙孔喉孔徑云圖

圖11 水壓2 MPa下裂隙孔喉孔徑云圖

圖12 水壓3 MPa下裂隙孔喉孔徑云圖

綜合2.2節(jié)的分析，煤礦地下水庫煤柱壩體寬度為50 m情況下，煤柱壩體塑性損傷區(qū)未貫通距離為10 m，而3 MPa水壓作用下會產(chǎn)生大約5 m的次生裂隙，雖然基本滿足要求，但安全系數(shù)較小。煤柱寬度為60 m情況下，煤柱壩體塑性損傷區(qū)未貫通距離大約為40 m，與3 MPa水壓作用下產(chǎn)生大約5 m的次生裂隙相比，足以保證煤柱壩在儲水壓力作用下安全穩(wěn)定。因此，建議煤礦地下水庫鄰近六采區(qū)一側的煤柱壩體寬度選擇60 m為宜。

4 結論

本研究成果可為類似礦井建設煤礦地下水庫提供借鑒，不僅可避免高鹽礦井水污染生態(tài)環(huán)境，處理后的礦井水還可成為地表生態(tài)灌溉的重要水源，為生態(tài)礦山的建設提供有力保障。針對靈新煤礦首座煤礦地下水庫建設過程中遇到的煤柱壩體留設及其穩(wěn)定性問題，開展了數(shù)值模擬分析，得到以下結論。

(1)當煤柱壩體寬度小于50 m時，煤礦地下水庫鄰近六采區(qū)側的煤柱壩體的塑性區(qū)分布具有貫通性，存在透水風險。隨著煤柱壩體寬度增至60 m時，煤柱壩體塑性損傷區(qū)未貫通距離約40 m。

(2)煤柱壩體受采動影響產(chǎn)生的塑性區(qū)，在儲水壓力作用下，塑性區(qū)裂隙發(fā)生二次擴展，隨著水壓的增大，裂隙擴展長度逐步增大，在3 MPa水壓(儲水高度300 m)作用下煤柱壩體塑性區(qū)裂隙擴展長度達到5 m左右。

綜上，考慮煤柱壩體塑性區(qū)裂隙在儲水壓力作用下的二次擴展，最終建議最小煤柱寬度為60 m，以消除水力作用下的透水風險。