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(yán)永勝

(1.國家能源集團(tuán)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(tuán)有限責(zé)任公司煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市昌平區(qū)，102209；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)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(hù)和利用礦區(qū)水資源是支撐西部煤炭資源科學(xué)開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)和前提，也是實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開發(fā)的關(guān)鍵。西部礦區(qū)干旱少雨、生態(tài)脆弱，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就要以煤炭資源開發(fā)優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，延伸與擴(kuò)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這就勢(shì)必對(duì)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(shí)，受西部礦區(qū)煤層埋藏淺、開采強(qiáng)度大等開采特征的影響，傳統(tǒng)的通過降低覆巖導(dǎo)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(duì)這一難題，國家能源集團(tuán)顧大釗院士團(tuán)隊(duì)提出了利用煤礦地下水庫進(jìn)行礦井水儲(chǔ)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(gòu)筑物將若干個(gè)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(duì)礦井水進(jìn)行儲(chǔ)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(jìn)行水資源蓄存、凈化以及循環(huán)利用的保水采煤實(shí)踐，合理解決了礦井水保護(hù)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(duì)保證地下水庫的安全運(yùn)行有很大影響，目前在采礦領(lǐng)域已有相關(guān)專家學(xué)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(guān)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(qiáng)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(shè)計(jì)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(shù)更多的應(yīng)用于采掘地質(zhì)條件簡單的礦區(qū)，對(duì)于大傾角、巨厚煤層或近距離煤層群開采等復(fù)雜條件下煤礦地下水庫建設(shè)的相關(guān)研究并不多。因此，開展復(fù)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(duì)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(shè)及其穩(wěn)定性問題，進(jìn)而為該礦區(qū)首座煤礦地下水庫的建設(shè)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(shì)為南高北低，屬低緩剝蝕殘丘地貌，四周高，中間低，標(biāo)高為+1 282～+1 409 m。井田內(nèi)基巖零星出露，風(fēng)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(bǔ)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(gòu)造。

1.2 采區(qū)開采情況

全礦井共劃分為6個(gè)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(hào)煤層，四采區(qū)開采6號(hào)煤層，一、三、五、六采區(qū)主要開采14、15、16號(hào)煤層。二采區(qū)已于2006年4月回采結(jié)束并封閉，一、三采區(qū)于2008年初回采結(jié)束，四采區(qū)于2013年3月回采結(jié)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(guān)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(biāo)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(hào)煤層，1985年12月正式開工建設(shè)，2008年初回采結(jié)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(hào)煤層, 開采最低標(biāo)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(gòu)造簡單，無大斷層，地質(zhì)水文條件相對(duì)簡單。此外，該部位處于向斜西北角，屬于向斜構(gòu)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(bǔ)徑排條件較弱，地下水流動(dòng)應(yīng)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(chǔ)水區(qū)域擬選取一采區(qū)的6個(gè)采空區(qū)，分別為：14號(hào)煤層中的L1614采空區(qū)、L1814采空區(qū)，15號(hào)煤層中的L1615采空區(qū)、L1815采空區(qū)，16號(hào)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(guān)系剖面

然而，根據(jù)靈新煤礦采掘接續(xù)計(jì)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(shè)成功與否的關(guān)鍵。

本文以靈新煤礦一采區(qū)煤礦地下水庫建設(shè)過程中遇到的煤柱壩體留設(shè)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(chǔ)水壓力作用下裂隙擴(kuò)展深度，進(jìn)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(yùn)行。

2 煤炭開采對(duì)煤柱壩體的影響分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

OpenGeoSys軟件為C++語言編寫的開源的多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件，在地下工程、地?zé)衢_發(fā)和地下水污染物遷移等領(lǐng)域有廣泛的引用[10]。針對(duì)本文研究對(duì)象的特點(diǎn)，本次數(shù)值模擬采用該軟件中的工程開挖模塊進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并基于Drucker-Prager塑性屈服準(zhǔn)則計(jì)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(jì)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(jì)算精度。數(shù)值計(jì)算中，程序會(huì)先根據(jù)地層密度計(jì)算出模型的初始應(yīng)力，隨后再計(jì)算單元開挖后的應(yīng)力場(chǎng)重分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)單元開挖后圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)的計(jì)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(jì)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(chǎng)采掘條件可知，煤礦地下水庫所包含的6個(gè)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(shí)，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(yán)重。在L1814采空區(qū)右側(cè)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(cè)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(chǔ)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(shí)，工作面開采后，塑性區(qū)分布如圖5所示。L1814采空區(qū)右側(cè)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(cè)煤柱損傷區(qū)范圍較大，其與六采區(qū)鄰近側(cè)煤柱的損傷區(qū)仍相互貫通，因此，在地下水庫運(yùn)行時(shí)，六采區(qū)煤層開采過程中具有透水風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)，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(shí)，L1816采空區(qū)右側(cè)煤柱的塑性區(qū)與六采區(qū)鄰近側(cè)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(fēng)險(xiǎn)，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(shí)，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(cè)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(cè)煤柱的塑性范圍具有縮小趨勢(shì)，煤柱兩側(cè)(L1816采空區(qū)右側(cè)煤柱與六采區(qū)左側(cè)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(huì)發(fā)生水壓力破裂巖體的情況，從而導(dǎo)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(shí)，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(cè)煤柱的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步縮小。煤柱兩側(cè)(L1816采空區(qū)右側(cè)煤柱與六采區(qū)左側(cè)煤柱)塑性區(qū)間距進(jìn)一步擴(kuò)大，達(dá)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(cè)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(dāng)煤柱寬度小于50 m時(shí)，損傷區(qū)連通，具有透水風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)煤柱寬度增至50 m時(shí)，煤柱壩體塑性損傷區(qū)連通的情況消失，當(dāng)煤柱寬度為60 m，煤柱兩側(cè)(L1816采空區(qū)右側(cè)煤壁與六采區(qū)左側(cè)煤壁)的塑性區(qū)間距擴(kuò)大至40 m左右。

3 水壓作用下煤柱壩體裂隙擴(kuò)展分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為進(jìn)一步分析煤礦地下水庫運(yùn)行時(shí)，在儲(chǔ)水壓力作用下，煤柱壩體塑性區(qū)裂隙的擴(kuò)展情況，基于3DEC數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行不同儲(chǔ)水壓力作用下的煤巖體水力壓裂數(shù)值計(jì)算，從而判斷煤柱壩體寬度在50 m以上時(shí)，煤柱壩體損傷區(qū)不連通情況下是否具有透水風(fēng)險(xiǎn)。為減少計(jì)算時(shí)間和提高計(jì)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(yù)制節(jié)理，并進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，最終模型如圖9所示。

圖9 儲(chǔ)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(bǔ)給并全部充滿采動(dòng)裂隙，則本部分的數(shù)值分析以靜水壓力計(jì)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(chǔ)水一側(cè)(即一采區(qū)一側(cè))設(shè)置1～3 MPa的靜水壓力。考慮巖體應(yīng)力對(duì)水壓裂的影響，根據(jù)煤柱壩體的埋深，設(shè)置模型初始(即未施加靜水壓力時(shí))正應(yīng)力σx=σy=σz=12.8 MPa，剪應(yīng)力τxy=16 MPa,τxz=τyz=0。參考文獻(xiàn)[11-12]中的模擬方法，數(shù)值計(jì)算過程中循環(huán)20 000步以達(dá)到穩(wěn)定，采用3DEC中的水-力耦合方法進(jìn)行計(jì)算。

3.2 不同水壓作用下煤柱壩體裂隙擴(kuò)展規(guī)律

數(shù)值計(jì)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(huì)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(chǔ)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(cè)的煤柱壩體寬度選擇60 m為宜。

4 結(jié)論

本研究成果可為類似礦井建設(shè)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(shè)提供有力保障。針對(duì)靈新煤礦首座煤礦地下水庫建設(shè)過程中遇到的煤柱壩體留設(shè)及其穩(wěn)定性問題，開展了數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)煤柱壩體寬度小于50 m時(shí)，煤礦地下水庫鄰近六采區(qū)側(cè)的煤柱壩體的塑性區(qū)分布具有貫通性，存在透水風(fēng)險(xiǎn)。隨著煤柱壩體寬度增至60 m時(shí)，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(dòng)影響產(chǎn)生的塑性區(qū)，在儲(chǔ)水壓力作用下，塑性區(qū)裂隙發(fā)生二次擴(kuò)展，隨著水壓的增大，裂隙擴(kuò)展長度逐步增大，在3 MPa水壓(儲(chǔ)水高度300 m)作用下煤柱壩體塑性區(qū)裂隙擴(kuò)展長度達(dá)到5 m左右。

綜上，考慮煤柱壩體塑性區(qū)裂隙在儲(chǔ)水壓力作用下的二次擴(kuò)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(fēng)險(xiǎn)。