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某矿采空区储水结构稳定性数值计算研究
2019-02-21
采空区储水对矿井水回收利用有重大意义。以神东矿区某矿为例,研究采空区储水 结构稳定性。通过数值分析得出储水煤柱的合理尺寸为15 m 左右,并采用房式充填技术,借助 UDEC 数值计算,得出150 m 采空区宽度采用40 m—70 m—40 m 的充填间距时效果最为理想。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 某矿采空区储水结构稳定性数值计算研究 曲相屹 山东黄金集团焦家金矿) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 采空区储水对矿井水回收利用有重大意义。 以神东矿区某矿为例,研究采空区储水 结构稳定性。 通过数值分析得出储水煤柱的合理尺寸为 15 m 左右,并采用房式充填技术,借助 UDEC 数值计算,得出 150 m 采空区宽度采用 40 m—70 m—40 m 的充填间距时效果最为理想。 关键词ꢀ 储水结构ꢀ 数值计算ꢀ 房式充填ꢀ 控制技术 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 059 ꢀ ꢀ 传统的保水采煤技术集中在避免含水层破坏的 直接顶为粉、细砂岩;老顶以中砂岩为主,部分地段 为粗砂岩,煤层顶板中等稳定。 煤层直接底为泥岩、 砂质泥岩;老底为粉砂岩、中砂岩,煤层及顶板裂隙 [ 1] 角度,且取得了可观成绩。 李文平等 从地质测 绘、原位测试盒室内试验角度分析了榆神府矿区保 [ 2] # 水采煤工程地质条件;缪协兴等 建立保水采煤的 中含裂隙水。 2-2 煤层顶底板岩性如图 1 所示。 隔水关键层矿压模型,并提出可指导保水采煤技术 [ 3] 的隔水关键层原理;师本强等 利用相似模拟和数 值分析得出榆神府矿区保水采煤的相关参数。 本研究提出的采空区储水结构类似于含水层再 [ 4] 造,在采空区储水结构研究方面,杜新强等 在总 结归纳前人经验和成果基础上,完善了地下水库的 [ 5] 概念,并对其进行分类和分级;郑琳等 提出含水 层转移存储设想,提前将受采矿影响的含水层中水 资源转移到不受影响的深层含水层中,并在榆神府 煤田成功运用。 # 本研究以神东矿区典型 2-2 延安组煤层为例, 利用 UDEC 软件布点监测渗流作用下不同开挖步距 时煤柱垂直应力分布,采取房式充填法对采空区充 填,增大采空区储水结构空间,保证采空区储水结构 的稳定性。 1 ꢀ 采空区储水 在煤炭开采战略向西部转移加快的形势下,神 东矿区侏罗纪煤田开采造成该区地下水水位下降、 河流断流干涸,生态环境严重恶化。 基于此类严峻 形势,研究含水层再造的采空区储水结构的稳定性。 1 . 1ꢀ 地质特征 神东矿区地质构造属于单斜构造,主要煤层赋 图 1ꢀ 煤系地层柱状图及岩性参数 1 . 2ꢀ 采空区储水结构 # 存在延安组,本项目选取 2-2 煤层作为研究对象,煤 煤层开采导致采空区上覆岩层形成冒落带、裂 层结构简单,为近水平煤层,倾角一般小于 5°,煤层 隙带和弯曲下沉带,采空区储水结构空间包括冒落 带、裂隙带内岩石的储水空隙及岩石破碎后的吸水 空间。 ꢀ ꢀ 曲相屹(1986—),男,工程师,261400 山东省莱州市。 2 39 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 采空区作为储水结构的机理有以下 3 点: 在煤帮处甚至出现拉应力。 当开挖步距达到 150 m 时,煤柱整体已达稳定屈服状态,且 15 m 储水煤柱 只是发生整体变形,未发生破坏,能承受下区段开挖 带来的扰动应力影响。 ( 1)有充足的水源补给。 在神东砂土基型地区 开采煤层顶板砂层中的地下水和低洼的基岩汇水河 沟内富水性极强火烧岩为采空区储水积聚了充足水 源。 3ꢀ 采空区储水结构稳定性控制 ( 2)稳定的导水渗流通道。 采空区上覆岩层垮 采用房式充填技术,对采空区局部进行充填,减 小顶板下沉量,增大采空区储水结构空间,也可一定 程度上减小储水煤柱的承压载荷,进而保持储水煤 柱的稳定性,但是对采空区进行房式充填过度会阻 滞导水通道的流畅性,不利于采空区储水量的保证, 对此提出以下 5 个方案对比分析,如表 1 所示。 表 1ꢀ 稳定性控制方案对比 落,顶板裂隙导通含水层,形成导水渗流通道,尤其 是在裂隙带边缘两侧边缘地区裂隙开度较大且难愈 合,成为主要的导水渗流通道。 ( 3)稳定的储水空间结构。 储存在采空区中的 水在储水煤柱和围岩控制下,能够长期稳定赋存,使 煤炭开采区域的水资源从一个存储空间转移到另一 个存储空间,并能作进一步工业性利用。 由此对采 空区储水煤柱的稳定性提出较高要求,这也是本研 究的重点。 方案 一排充填房柱数/ 个 充填间距/ m 一 二 三 四 五 2 2 2 3 4 30—90—30 40—70—40 50—50—50 2 ꢀ 煤柱尺寸 研究所留储水煤柱在受下区段工作面开挖扰动 30—45—45—30 30—30—30—30—30 影响下稳定性。 上区段工作面长度 150 m,已开采 完全成为稳定的采空区,作为储水结构的载体。 在 上下区段之间留有 15 m 的储水煤柱。 研究下区段 在 开 挖 步 距 分 别 为 10, 30, 50, 70, 90, 110, ꢀ ꢀ 房式充填房柱选用 5 m×5 m 的砌碹墙,高度略 低于采高,房柱排距选为 30 m。 借助 UDEC 对上区 段采空区进行房式充填模拟,本次模拟结果如图 3 所示。 1 30,150 m 情况下,煤柱 7 个监测点垂直应力变化 本次研究仅针对上区段开采完全作为采空区储 水结构,下区段开采自然垮落情况。 当未对采空区 进行房式充填时,采空区上覆岩层垮落,形成上三带 结构,采空区中部压实,两翼煤帮附近上部形成导水 裂隙,储水煤柱的受力如图 3(a)所示;对采空区按 所列 5 种方案进行房式充填时,导水裂隙出现部分 闭合,整体采空区储水结构的应力发生重新分布,在 储水煤柱和充填体上应力明显增大。 由图 4 所示, 情况,所得储水煤柱应力分布情况如图 2 所示。 # 在储水煤柱 5 监测点出应力升高为自然垮落时此 图 2ꢀ 各监测点储水煤柱应力分布 点的 2 倍左右,且储水煤柱两帮附近产生拉应力,储 水煤柱的变形加大,但整体仍处于稳定结构状态。 方案二相比于方案一导水裂隙出现部分闭合, 但采空区整体储水空间增大;方案二、三和四的储水 煤柱所受应力、导水裂隙量及储水空间相差不大,导 水裂隙都呈月牙形贯通含水层,但方案二有更为稳 定的采空区垮落带;方案五的充填度最大,形成的采 空区储水空间也最大,但上覆岩层导水裂隙带闭合 量也最大,不利于采空区储存稳定充裕的水量。 在 分析比较 5 个方案的基础上,选择一排充填 2 个房 柱,充填间距为 40 m—70 m—40 m 的方案二作为最 终实施方案。 ◇ —10 m; □ —30 m; △ —50 m; —70 m; × × | ● —90 m; —110 m; ▲ ■ —130 m; —150 m 图 2 中以压应力为正,在上区段已采,下区段煤 层开挖步距<50 m 时,整体煤柱垂直应力在偏向上 # 区段采空区侧 5 监测点左右达到最大值,并向两侧 逐渐减小,在煤柱两帮部煤柱垂直应力大小接近;当 煤层开挖步距≥50 m 时,整体煤柱垂直应力在煤柱 中心达到最大值,两侧呈对称分布,且随着开挖步距 增大,垂直应力也逐渐增大,在开挖步距达到 70 m 时煤柱中心垂直应力达到峰值,开挖步距再增大,煤 柱中心垂直应力逐渐减小,此时煤柱已屈服。 同时 # 垂直应力峰值逐渐向下区段方向移动,在 3 监测点 4 ꢀ 结ꢀ 论 左右垂直应力在 110 m 开挖步距下达到峰值,此时 (1)在目前地质条件下,133 m 深处储水煤柱宽 2 40 ꢀ ꢀ 曲相屹:某矿采空区储水结构稳定性数值计算研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 3ꢀ 采空区房式充填效果对比 好。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ [ 1]ꢀ 李ꢀ 涛,王苏健,李文平,等. 干旱缺水矿区采空区储水条件及 储水时序研究[J]. 煤炭工程,2013,45(S1): 94-97. 2]ꢀ 缪协兴,浦ꢀ 海,白海波. 隔水关键层原理及其在保水采煤中 的应用研究[J]. 中国矿业大学学报,2008,37(1): 1-4. 3]ꢀ 师本强,侯忠杰. 榆神府矿区保水采煤的实验与数值模拟研究 [ J]. 矿业安全与环保,2005,32(4):11-13. 图 4ꢀ 5 种方案煤柱垂直应力分布 4]ꢀ 杜新强,李砚阁,冶雪艳. 地下水库的概念, 分类和分级问题研 究[J]. 地下空间与工程学报,2008,4(2): 209-214. ◇ —未充填; □ —方案一; △ —方案二; × —方案三;|×—方案四; ● —方案五 5]ꢀ 郑ꢀ 琳,孙亚军,刘德元,等. 水资源转移存储在浅埋深薄基岩 矿区的应用[J]. 河南理工大学学报( 自然科学版),2010,29 度设置为 15 m 能够保证整体采空区储水结构稳定。 2)采空区储水结构采用房式充填技术,充填 步 距为40m—70m—40m时采空区整体稳定性最 ( ( 1):92-96. ( 收稿日期 2018-06-05ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) ꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁ ( 上接第 229 页) 工艺、设备外形尺寸、操作人员的 和结算管理的特殊性问题,规范并理清了生产经营 管理思路,可作为技术、经营管理探讨供同行参考。 空间要求、熟练程度等因素,一般根据矿山生产实践 情况确定。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 急倾斜矿体最低可采厚度与最小采掘宽度存在 M=K×Hsinα 数学关系。 式中,α 为矿体倾角,K 为 系数(最低工业品位/ 矿体平均品位)。 [ [ 1]ꢀ 李ꢀ 敬,高永璋,张ꢀ 浩. 中国萤石资源现状及可持续发展对 策[J]. 中国矿业,2017(10):7-14. 2]中国冶金矿山企业协会. 冶金矿山地质技术管理手册[ M]. 北 京:冶金工业出版社,2003. 5 ꢀ 结ꢀ 语 通过研究,很好地解决了萤石矿出矿品位管理 (收稿日期 2018-12-02ꢀ 责任编辑ꢀ 袁风香) 2 41
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