大汶口石膏矿区采空区隔离范围及矿柱宽度的研究

李树涛　李　洪

(1.山东鑫国煤电有限责任公司汶阳石膏矿；2.山东科技大学资源与土木工程系(泰安))



大汶口石膏矿区采空区隔离范围及矿柱宽度的研究

李树涛1李洪2

(1.山东鑫国煤电有限责任公司汶阳石膏矿；2.山东科技大学资源与土木工程系(泰安))

大汶口石膏矿层开采受上覆含水层严重威胁，因此留有连续矿柱以确保开采期间采空区稳定。但石膏矿层质软且多含泥质夹层，随着时间的推移，风化和蠕变的矿柱可能最终失稳垮塌，为了避免矿柱失稳时地表过度沉陷造成地面建筑物严重破坏和耕作困难，需要设置隔离矿柱。运用弹塑性理论，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，以地面建筑物破坏程序不超过Ⅱ级的地表变形值为依据，确定了隔离矿柱宽度为30m，矿柱间最大开采长度109m，避免了灾害的扩散和对地面的破坏。

隔离矿柱地表下沉连续矿柱房柱法

大汶口矿区石膏储量丰富，探明储量337亿t，占全国总储量的48%[1]。石膏矿层赋存于第三系，埋深大多在100～300m，第三系之上的第四系覆盖层厚度超过20m，为矿区主要含水层，历史上曾多次出现因顶板垮落贯通第四系含水层而淹井。

大汶口矿区地表土地肥沃、水源充沛、旱涝保收，是山东著名的高产粮地区，加之地面有大量的村庄，因此，井工采矿不允许地表有大的沉陷。

基于上述原因，大汶口矿区石膏矿开采必须避免顶板垮落并保持矿柱稳定，因此，目前普遍采用连续矿柱房柱法开采,矿房跨度4m，矿柱宽度4～5m，采高3～6m。虽然连续矿柱房柱法的开采保证了采空区较长时间内的稳定可靠，但由于风化剥蚀及蠕变劈裂等各种因素的影响，即使封井关停若干年后，也可能最终导致仅5m宽的矿柱坍塌，从而引发更大面积的矿柱倒塌，导致地表大面积沉陷，破坏地面村庄和高产耕地。因此，必须控制开采矿块大小，并在矿块四周设置隔离矿柱，不使垮塌范围大面积扩散,保持永久稳定。为此，针对大汶口石膏矿连续矿柱房柱法开采存在的隐患，需研究矿块开采后采空区隔离范围及隔离矿柱尺寸问题。

1　矿山基本概况

山东大汶口矿区具有十分丰富的石膏储量，普遍开采的石膏矿层分别为2Ⅲ、3Ⅱ和5膏层，矿层平均厚度分别为5.4，7.3，5.2m；矿区地表为第四系覆盖区，石膏矿层赋存于官庄群大汶口组二段上部，呈向斜构造，两翼倾角均4°～7°；膏层顶板岩性以泥岩、页岩为主，夹少量砂岩，顶板工程地质稳定性较差，底板岩性为泥岩、泥灰岩夹页岩，稳固性较差。为了防止采空区垮塌及地表沉陷，矿层一直采用浅孔连续矿柱房柱法开采[2]，其参数及布置如图1所示[2]。

图1　大汶口石膏矿区房柱法开采

2　隔离范围确定

2.1确定原则

矿柱如果出现大面积垮塌，必然引起上覆岩层移动及地表沉陷，只要垮塌控制在一定范围内，就能确保地面建筑物不出现严重破坏，地表沉陷也不会导致严重的积水内涝。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(简称《规程》)[3]，当地表水平变形值、变形曲率K及倾斜i不超过表1中Ⅱ级破坏等级的数值时，房屋建筑只需简单维修就能保证安全使用，地表也不会遭受大的破坏。因此，以建筑物不超过Ⅱ级损坏时的地表最大变形值为原则，确定合理隔离范围。

表1　建筑物损坏时的地表变形值

2.2地表变形值预计

根据《规程》，表1中的地表水平变形值ε、曲率变形值K和倾斜变形值 i的计算采用下

(1)

式中，b为水平变形系数，取0.3；q为下沉系数；W为地表下沉值，mm；r为主要影响半径，m；M为开采高度，m；H为开采深度，取多矿层平均值260m；β为主要影响角，取650。

如果采空区不隔离，当矿柱失稳垮塌时，地表沉陷将达到充分采动状态，根据矿层赋存条件及埋藏深度等因素，结合周边煤矿地表下沉的实际观测值(大汶口石膏矿区各矿采空区尚未有垮塌发生，无实测值)，下沉系数q取0.85。

目前，大汶口矿区开采矿层为2Ⅲ、3Ⅱ和5膏，平均采高分别为3.0,4.5和2.7m，共计10.2m。由于采用连续矿柱，矿柱宽度5m，矿房宽度4m。如果矿柱失稳，顶板下沉空间只是采高的一部分。垮塌后碎膏石将堆积在长条形矿柱两边，使得矿柱失稳散落后堆积不均匀，加之未完全垮塌矿柱、钻孔矿柱等的支撑，造成顶板下沉空间进一步减少。根据测算和模拟，矿柱失稳后下沉空间为采高的0.3倍，即采空区最大下沉空间为3.06m。

根据式(1)计算，采空区不隔离矿柱失隐后，地表最大下沉值为：ε=9.81mm/m；K=0.273×10-3m；i=21.256mm/m；W=2 581mm。

由表1可知，如果不隔离采空区，地面建筑物将破坏严重，破坏等级将达到Ⅳ级，有严重的安全隐患，且地表下沉终值最大可达2.58m，对地表破坏严重。

2.3隔离范围确定

要控制地表及建筑物免遭破坏，采用隔离矿柱，把采空区失稳垮塌控制在较小范围内，则地表下沉不充分，下沉值减少，破坏程度就会降低。

非充分采动沉陷，地表最大下沉值计

(2)

式中，C为覆岩类型系数，坚硬覆岩C=1，中硬覆岩C=2，松软覆岩C=3；D为矿柱最大失稳宽度，m；m为矿柱失稳时有效下沉空间，mm。

通常情况下，倾斜变形值i受地表下沉影响最大，只要i≤6.0mm/m，则地面建筑物最大破坏等级不会超过Ⅱ级，取C=2[2]，则根据式(1)和式(2)，求得当i=6.0mm/m时，采空区最大尺寸为D=109m。即每隔离109m，需要留设尺寸较大的矿柱，该矿柱能在采空区小尺寸矿柱垮塌时保持稳定，起到阻止矿柱失稳蔓延作用。

3　矿柱尺寸确定

根据弹塑性理论及矿柱设计经验，隔离矿柱宽度B可按下式计

(3)

式中，x0为矿柱一侧塑性区范围，m；L为矿柱中部弹性区范围，m；n为安全系数，取2。

矿柱一侧塑性区范围的计算[2]：

(4)

矿柱中部弹性区范围可按下式计算[2]：

(5)

式中，η为侧压系数，取0.3；c为矿柱内摩擦力，MPa，经测试得到c=2.08。

代入相应参数，计算得到B=28m，确定隔离矿柱宽度B取30m。

根据以上计算，确定大汶口石膏矿区开采的采区(矿块)最大长度140m，开采长度不应超过109m，隔离矿柱(间柱)不小于30m。

4　预期效果

根据上述隔离范围，运用式(1)计算,得到采空区所留连续矿柱如果最终失稳，地表最大的沉陷值为：ε=2.73mm/m；K=0.075×10-3/m； i=5.98mm/m；W=727.4mm。

根据表1，设置隔离矿柱后，地表破坏范围得到控制，建筑物破坏等级最大不超过Ⅱ级，安全隐患小，房屋简单维修仍可居住。

5　结　语

(1)由于石膏易风化劈裂，开采结束若干年后，井下石膏矿柱可能发生垮塌失稳，为避免矿柱垮塌时对地面建筑和地表造成大的破坏，需要设置隔离矿柱。

(2)隔离范围为采空区最大长度不超过109m，隔离矿柱宽度应大于30m。

(3)采空区矿柱失稳后隔离矿柱阻止垮塌范围扩散，控制地表最大下沉值预计不超过727mm，地面建筑物的最大破坏等级不超过Ⅱ级，经简单维修仍可使用。

[1]泰安市规划局.山东省泰安市矿产资源调查及规划[R].泰安：泰安市规划局，2010.

[2]相宝印，李洪，李树涛,等.汶阳石膏矿井下开采关键技术论证报告[R].泰安:山东泰技大学，2014：26-40.

[3]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社，2006.

[4]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

2015-12-07)

李树涛(1981—)，男，工程师，总工程师,271606 山东省肥城市汶阳镇高杭村。