李樹濤　李　洪

(1.山東鑫國煤電有限責任公司汶陽石膏礦；2.山東科技大學資源與土木工程系(泰安))

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大汶口石膏礦區(qū)采空區(qū)隔離范圍及礦柱寬度的研究

李樹濤1李洪2

(1.山東鑫國煤電有限責任公司汶陽石膏礦；2.山東科技大學資源與土木工程系(泰安))

大汶口石膏礦層開采受上覆含水層嚴重威脅，因此留有連續(xù)礦柱以確保開采期間采空區(qū)穩(wěn)定。但石膏礦層質軟且多含泥質夾層，隨著時間的推移，風化和蠕變的礦柱可能最終失穩(wěn)垮塌，為了避免礦柱失穩(wěn)時地表過度沉陷造成地面建筑物嚴重破壞和耕作困難，需要設置隔離礦柱。運用彈塑性理論，參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，以地面建筑物破壞程序不超過Ⅱ級的地表變形值為依據，確定了隔離礦柱寬度為30m，礦柱間最大開采長度109m，避免了災害的擴散和對地面的破壞。

隔離礦柱地表下沉連續(xù)礦柱房柱法

大汶口礦區(qū)石膏儲量豐富，探明儲量337億t，占全國總儲量的48%[1]。石膏礦層賦存于第三系，埋深大多在100～300m，第三系之上的第四系覆蓋層厚度超過20m，為礦區(qū)主要含水層，歷史上曾多次出現因頂板垮落貫通第四系含水層而淹井。

大汶口礦區(qū)地表土地肥沃、水源充沛、旱澇保收，是山東著名的高產糧地區(qū)，加之地面有大量的村莊，因此，井工采礦不允許地表有大的沉陷。

基于上述原因，大汶口礦區(qū)石膏礦開采必須避免頂板垮落并保持礦柱穩(wěn)定，因此，目前普遍采用連續(xù)礦柱房柱法開采,礦房跨度4m，礦柱寬度4～5m，采高3～6m。雖然連續(xù)礦柱房柱法的開采保證了采空區(qū)較長時間內的穩(wěn)定可靠，但由于風化剝蝕及蠕變劈裂等各種因素的影響，即使封井關停若干年后，也可能最終導致僅5m寬的礦柱坍塌，從而引發(fā)更大面積的礦柱倒塌，導致地表大面積沉陷，破壞地面村莊和高產耕地。因此，必須控制開采礦塊大小，并在礦塊四周設置隔離礦柱，不使垮塌范圍大面積擴散,保持永久穩(wěn)定。為此，針對大汶口石膏礦連續(xù)礦柱房柱法開采存在的隱患，需研究礦塊開采后采空區(qū)隔離范圍及隔離礦柱尺寸問題。

1　礦山基本概況

山東大汶口礦區(qū)具有十分豐富的石膏儲量，普遍開采的石膏礦層分別為2Ⅲ、3Ⅱ和5膏層，礦層平均厚度分別為5.4，7.3，5.2m；礦區(qū)地表為第四系覆蓋區(qū)，石膏礦層賦存于官莊群大汶口組二段上部，呈向斜構造，兩翼傾角均4°～7°；膏層頂板巖性以泥巖、頁巖為主，夾少量砂巖，頂板工程地質穩(wěn)定性較差，底板巖性為泥巖、泥灰?guī)r夾頁巖，穩(wěn)固性較差。為了防止采空區(qū)垮塌及地表沉陷，礦層一直采用淺孔連續(xù)礦柱房柱法開采[2]，其參數及布置如圖1所示[2]。

圖1　大汶口石膏礦區(qū)房柱法開采

2　隔離范圍確定

2.1確定原則

礦柱如果出現大面積垮塌，必然引起上覆巖層移動及地表沉陷，只要垮塌控制在一定范圍內，就能確保地面建筑物不出現嚴重破壞，地表沉陷也不會導致嚴重的積水內澇。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》(簡稱《規(guī)程》)[3]，當地表水平變形值、變形曲率K及傾斜i不超過表1中Ⅱ級破壞等級的數值時，房屋建筑只需簡單維修就能保證安全使用，地表也不會遭受大的破壞。因此，以建筑物不超過Ⅱ級損壞時的地表最大變形值為原則，確定合理隔離范圍。

表1　建筑物損壞時的地表變形值

2.2地表變形值預計

根據《規(guī)程》，表1中的地表水平變形值ε、曲率變形值K和傾斜變形值 i的計算采用下

(1)

式中，b為水平變形系數，取0.3；q為下沉系數；W為地表下沉值，mm；r為主要影響半徑，m；M為開采高度，m；H為開采深度，取多礦層平均值260m；β為主要影響角，取650。

如果采空區(qū)不隔離，當礦柱失穩(wěn)垮塌時，地表沉陷將達到充分采動狀態(tài)，根據礦層賦存條件及埋藏深度等因素，結合周邊煤礦地表下沉的實際觀測值(大汶口石膏礦區(qū)各礦采空區(qū)尚未有垮塌發(fā)生，無實測值)，下沉系數q取0.85。

目前，大汶口礦區(qū)開采礦層為2Ⅲ、3Ⅱ和5膏，平均采高分別為3.0,4.5和2.7m，共計10.2m。由于采用連續(xù)礦柱，礦柱寬度5m，礦房寬度4m。如果礦柱失穩(wěn)，頂板下沉空間只是采高的一部分。垮塌后碎膏石將堆積在長條形礦柱兩邊，使得礦柱失穩(wěn)散落后堆積不均勻，加之未完全垮塌礦柱、鉆孔礦柱等的支撐，造成頂板下沉空間進一步減少。根據測算和模擬，礦柱失穩(wěn)后下沉空間為采高的0.3倍，即采空區(qū)最大下沉空間為3.06m。

根據式(1)計算，采空區(qū)不隔離礦柱失隱后，地表最大下沉值為：ε=9.81mm/m；K=0.273×10-3m；i=21.256mm/m；W=2 581mm。

由表1可知，如果不隔離采空區(qū)，地面建筑物將破壞嚴重，破壞等級將達到Ⅳ級，有嚴重的安全隱患，且地表下沉終值最大可達2.58m，對地表破壞嚴重。

2.3隔離范圍確定

要控制地表及建筑物免遭破壞，采用隔離礦柱，把采空區(qū)失穩(wěn)垮塌控制在較小范圍內，則地表下沉不充分，下沉值減少，破壞程度就會降低。

非充分采動沉陷，地表最大下沉值計

(2)

式中，C為覆巖類型系數，堅硬覆巖C=1，中硬覆巖C=2，松軟覆巖C=3；D為礦柱最大失穩(wěn)寬度，m；m為礦柱失穩(wěn)時有效下沉空間，mm。

通常情況下，傾斜變形值i受地表下沉影響最大，只要i≤6.0mm/m，則地面建筑物最大破壞等級不會超過Ⅱ級，取C=2[2]，則根據式(1)和式(2)，求得當i=6.0mm/m時，采空區(qū)最大尺寸為D=109m。即每隔離109m，需要留設尺寸較大的礦柱，該礦柱能在采空區(qū)小尺寸礦柱垮塌時保持穩(wěn)定，起到阻止礦柱失穩(wěn)蔓延作用。

3　礦柱尺寸確定

根據彈塑性理論及礦柱設計經驗，隔離礦柱寬度B可按下式計

(3)

式中，x0為礦柱一側塑性區(qū)范圍，m；L為礦柱中部彈性區(qū)范圍，m；n為安全系數，取2。

礦柱一側塑性區(qū)范圍的計算[2]：

(4)

礦柱中部彈性區(qū)范圍可按下式計算[2]：

(5)

式中，η為側壓系數，取0.3；c為礦柱內摩擦力，MPa，經測試得到c=2.08。

代入相應參數，計算得到B=28m，確定隔離礦柱寬度B取30m。

根據以上計算，確定大汶口石膏礦區(qū)開采的采區(qū)(礦塊)最大長度140m，開采長度不應超過109m，隔離礦柱(間柱)不小于30m。

4　預期效果

根據上述隔離范圍，運用式(1)計算,得到采空區(qū)所留連續(xù)礦柱如果最終失穩(wěn)，地表最大的沉陷值為：ε=2.73mm/m；K=0.075×10-3/m； i=5.98mm/m；W=727.4mm。

根據表1，設置隔離礦柱后，地表破壞范圍得到控制，建筑物破壞等級最大不超過Ⅱ級，安全隱患小，房屋簡單維修仍可居住。

5　結　語

(1)由于石膏易風化劈裂，開采結束若干年后，井下石膏礦柱可能發(fā)生垮塌失穩(wěn)，為避免礦柱垮塌時對地面建筑和地表造成大的破壞，需要設置隔離礦柱。

(2)隔離范圍為采空區(qū)最大長度不超過109m，隔離礦柱寬度應大于30m。

(3)采空區(qū)礦柱失穩(wěn)后隔離礦柱阻止垮塌范圍擴散，控制地表最大下沉值預計不超過727mm，地面建筑物的最大破壞等級不超過Ⅱ級，經簡單維修仍可使用。

[1]泰安市規(guī)劃局.山東省泰安市礦產資源調查及規(guī)劃[R].泰安：泰安市規(guī)劃局，2010.

[2]相寶印，李洪，李樹濤,等.汶陽石膏礦井下開采關鍵技術論證報告[R].泰安:山東泰技大學，2014：26-40.

[3]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[4]徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2004.

2015-12-07)

李樹濤(1981—)，男，工程師，總工程師,271606 山東省肥城市汶陽鎮(zhèn)高杭村。