灵新煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸研究

周光华，邵俊杰，吴宝杨，严永胜

(1.国家能源集团宁夏煤业公司，宁夏自治区银川市，751410；2.国家能源投资集团有限责任公司煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京市昌平区，102209；3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院, 北京市海淀区，100083)

煤炭开发战略西移是保障我国能源安全的必然要求，有效保护和利用矿区水资源是支撑西部煤炭资源科学开发与生态环境保护的基础和前提，也是实现煤炭绿色开发的关键。西部矿区干旱少雨、生态脆弱，要实现可持续发展，就要以煤炭资源开发优势为基础，延伸与扩展相关产业的发展，这就势必对水资源开发和利用提出更多的需求。矿井水作为重要的非常规水资源，其大规模高效利用可为我国西部煤炭绿色开发高质量发展提供必要的支撑。

与此同时，受西部矿区煤层埋藏浅、开采强度大等开采特征的影响，传统的通过降低覆岩导水裂隙发育高度来防止含水层破坏的保水途径常常难以适用。针对这一难题，国家能源集团顾大钊院士团队提出了利用煤矿地下水库进行矿井水储存、净化与利用的保水开采理念，即通过工作面区段煤柱(煤柱坝体)、人工坝体等构筑物将若干个采空区围成封闭空间，充分利用采空区冒落岩体的空隙、裂隙与离层空间对矿井水进行储存与调用[1-4]。据此，神东矿区开展了利用井下采空区进行水资源蓄存、净化以及循环利用的保水采煤实践，合理解决了矿井水保护与煤炭开采相协调的难题[5]。

煤矿地下水库与普通地下水库存在着较大的不同，煤柱坝体的稳定对保证地下水库的安全运行有很大影响，目前在采矿领域已有相关专家学者就煤矿地下水库煤柱坝体在不同工况条件下的稳定性问题开展了相关研究，如：顾大钊、颜永国等[6]研究了煤柱坝体的地震破坏形态、抗震薄弱环节以及影响因素；姚强岭等[7]开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究；吴宝杨等[8]分析研究了煤矿分布式地下水库煤柱坝体合理布置方式；白东尧、鞠金峰等[9]开展了煤矿地下水库煤柱坝体极限水头值研究。然而，目前煤矿地下水库保水技术更多的应用于采掘地质条件简单的矿区，对于大倾角、巨厚煤层或近距离煤层群开采等复杂条件下煤矿地下水库建设的相关研究并不多。因此，开展复杂条件下煤矿地下水库煤柱坝体的合理尺寸研究将成为西部矿区未来可持续发展不可回避的问题之一。

基于此，本文针对宁煤矿区灵新煤矿特定的近距离倾斜煤层群采掘地质条件，采用数值分析的方法，研究煤矿地下水库煤柱坝体的留设及其稳定性问题，进而为该矿区首座煤矿地下水库的建设提供理论依据。

1 工程概况

1.1 矿井概况

灵新煤矿位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇境内，北距银川市45 km，西距灵武市40 km。矿井范围内沙丘广布，地形起伏不大，总的趋势为南高北低，属低缓剥蚀残丘地貌，四周高，中间低，标高为+1 282～+1 409 m。井田内基岩零星出露，风沙大，降水稀少。区内既无深大断裂，也无较大的地表水系，西天河是区内唯一常年地表水流，地下水补给来源贫乏。目前矿井涌水量为450 m3/h，最大涌水量550 m3/h。本井田位于磁窑堡向斜的西翼，呈一东倾的单斜构造。

1.2 采区开采情况

全矿井共划分为6个采区，如图1所示，其中一、二、三、四、五采区为上山采区，六采区为下山采区。二采区开采2号煤层，四采区开采6号煤层，一、三、五、六采区主要开采14、15、16号煤层。二采区已于2006年4月回采结束并封闭，一、三采区于2008年初回采结束，四采区于2013年3月回采结束，六采区目前处于巷道开拓阶段，现生产采区为五采区。由于篇幅限制，下面只介绍与本文研究内容有关的一采区和六采区情况。

图1 灵新矿采区划分示意图

一采区为上山采区，位于灵武矿区磁窑堡井田的西北翼，该采区北屏山神庙，南依西天河，西起下组煤的隐伏露头，深部为煤层+1 050 m水平标高，走向长1.8 km，东西倾向宽1.3～1.6 km，面积2.10 km2。该采区生产能力为45万t/a，开采下组14、15、16号煤层，1985年12月正式开工建设，2008年初回采结束。

六采区为下山采区，西以+1 050 m轨道大巷煤柱为界，东以向斜轴为界，南以F2断层为界。采区南北平均走向长7.5 km，东西平均倾向宽1.1 km，面积8.25 km2，开采下组14、15、16号煤层, 开采最低标高+855 m，距地表垂深445 m左右。

1.3 煤矿地下水库选址情况

一采区区域地质构造简单，无大断层，地质水文条件相对简单。此外，该部位处于向斜西北角，属于向斜构造，与向斜外的其他地层没有直接的水力联系，仅第四系地下水之间在不同层位间存在一定的水力联系，地下水补径排条件较弱，地下水流动应处于缓慢区或滞流区。因此，灵新煤矿首座煤矿地下水库的储水区域拟选取一采区的6个采空区，分别为：14号煤层中的L1614采空区、L1814采空区，15号煤层中的L1615采空区、L1815采空区，16号煤层中的L1616采空区、L1816采空区，如图2所示。

图2 一采区与六采区位置关系剖面

然而，根据灵新煤矿采掘接续计划，与一采区相邻的六采区尚未开采，因此，确定煤矿地下水库与其邻近六采区之间采区边界隔离煤柱(即煤柱坝体)的合理尺寸，就成为灵新矿首座煤矿地下水库建设成功与否的关键。

本文以灵新煤矿一采区煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设问题为工程背景，采用数值分析的方法，先分析六采区煤层开采后，煤矿地下水库煤柱坝体及邻近围岩的损伤情况，再分析储水压力作用下裂隙扩展深度，进而研究确定合理的煤柱坝体宽度，以保证煤矿地下水库的安全运行。

2 煤炭开采对煤柱坝体的影响分析

2.1 数值计算模型的建立

OpenGeoSys软件为C++语言编写的开源的多物理场耦合数值模拟软件，在地下工程、地热开发和地下水污染物迁移等领域有广泛的引用[10]。针对本文研究对象的特点，本次数值模拟采用该软件中的工程开挖模块进行数值模拟分析，并基于Drucker-Prager塑性屈服准则计算煤柱周围单元的塑性区。

为分析研究六采区工作面回采后，与其相邻的煤矿地下水库煤柱坝体的塑性区域分布特征，首先建立数值计算模型，如图3所示。网格采用三角形单元，并控制最大尺寸为20 m，局部加密网格尺寸控制在0.8 m以内，以保障数值计算精度。数值计算中，程序会先根据地层密度计算出模型的初始应力，随后再计算单元开挖后的应力场重分布，实现对单元开挖后围岩应力和塑性区的计算。边界条件为左右边界固定水平位移，底面边界固定垂直位移。

图3 数值计算模型

2.2 不同尺寸条件下的煤柱坝体塑性区分析

根据现场采掘条件可知，煤矿地下水库所包含的6个采空区中L1814采空区与邻近6采区的回采工作面距离最近，因此本文以一采区L1814工作面与6采区回采工作面之间的采区隔离煤柱(下文称“煤柱坝体”)尺寸为依据，分析研究不同煤柱坝体宽度(分别为20、30、40、50、60 m 5种工况)条件下，煤柱坝体及其周边围岩的塑性区分布特征。

2.2.1煤柱坝体宽度20m

煤柱坝体宽度为20 m时，工作面开采后，塑性区分布如图4所示，图中黄色箭头表示水体渗流路径。由图4可知，煤柱坝体出现了明显的塑性区，尤其是采空区底板破坏严重。在L1814采空区右侧煤柱坝体上方的岩层中出现了塑性破坏，与邻近的六采区采空区顶板覆岩塑性区有贯通的现象。此外，六采区开采后，由于L1816采空区右侧煤柱在L1814采空区正下方，且与六采区工作面采空区周边的围岩塑性区接近联通，在地下水库的水力作用下易发生透水。因此，虽然20 m宽度的煤柱能够满足稳定性要求，但不满足采空区储水后防渗的要求。

图4 煤柱坝体宽度20 m情况下塑性区分布

2.2.2煤柱坝体宽度30m

煤柱坝体宽度为30 m时，工作面开采后，塑性区分布如图5所示。L1814采空区右侧煤柱上方岩层的损伤区没有发生连通，但由于L1816采空区右侧煤柱损伤区范围较大，其与六采区邻近侧煤柱的损伤区仍相互贯通，因此，在地下水库运行时，六采区煤层开采过程中具有透水风险。

图5 煤柱坝体宽度30 m情况下塑性区分布

2.2.3煤柱坝体宽度40m

煤柱坝体宽度为40 m时，工作面开采后，塑性区分布如图6所示。相比于煤柱坝体宽度为30 m的情况，煤柱宽度40 m时，L1816采空区右侧煤柱的塑性区与六采区邻近侧煤柱的塑性区连通情况有所减少，但仍然是连通的。因此，与30 m煤柱坝体宽度的情况一致，采空区仍然具有透水风险，具体渗流路径可能如图中黄色箭头所示。

图6 煤柱坝体宽度40 m情况下塑性区分布

2.2.4煤柱坝体宽度50m

煤柱坝体宽度为50 m时，工作面开采后，塑性区分布如图7所示。在L1814采空区右侧煤柱宽度加大后，相比于煤柱坝体宽度40 m的情况，L1816采空区右侧煤柱的塑性范围具有缩小趋势，煤柱两侧(L1816采空区右侧煤柱与六采区左侧煤柱)的塑性区间距大约10 m。但是在水力作用下，有可能会发生水压力破裂岩体的情况，从而导致透水事故。

图7 煤柱坝体宽度50 m情况下塑性区分布

2.2.5煤柱坝体宽度60m

煤柱坝体宽度为60 m时，工作面开采后，塑性区分布如图8所示。在L1814采空区上方煤柱宽度加大的情况下，L1816采空区右侧煤柱的塑性区范围进一步缩小。煤柱两侧(L1816采空区右侧煤柱与六采区左侧煤柱)塑性区间距进一步扩大，达到40 m左右。

图8 煤柱坝体宽度60 m情况下塑性区分布

综合上述分析可知，在煤矿地下水库邻近六采区侧的煤柱坝体逐渐加宽的情况下，煤柱坝体上方岩层的损伤区基本保持不变，而煤柱坝体自身损伤区范围逐渐缩小，但当煤柱宽度小于50 m时，损伤区连通，具有透水风险。当煤柱宽度增至50 m时，煤柱坝体塑性损伤区连通的情况消失，当煤柱宽度为60 m，煤柱两侧(L1816采空区右侧煤壁与六采区左侧煤壁)的塑性区间距扩大至40 m左右。

3 水压作用下煤柱坝体裂隙扩展分析

3.1 数值计算模型的建立

为进一步分析煤矿地下水库运行时，在储水压力作用下，煤柱坝体塑性区裂隙的扩展情况，基于3DEC数值模拟软件，进行不同储水压力作用下的煤岩体水力压裂数值计算，从而判断煤柱坝体宽度在50 m以上时，煤柱坝体损伤区不连通情况下是否具有透水风险。为减少计算时间和提高计算精度，建立了尺寸为10 m×10 m×10 m的模型，在模型底部中央建立10.0 m×2.3 m的预制节理，并进行局部网格加密，最终模型如图9所示。

图9 储水压力作用下煤柱坝体压裂数值模型

考虑上方含水层补给并全部充满采动裂隙，则本部分的数值分析以静水压力计算，煤柱坝体埋深在300 m左右，则最大水压为3 MPa，因此，在模型中地下水库煤柱坝体储水一侧(即一采区一侧)设置1～3 MPa的静水压力。考虑岩体应力对水压裂的影响，根据煤柱坝体的埋深，设置模型初始(即未施加静水压力时)正应力σx=σy=σz=12.8 MPa，剪应力τxy=16 MPa,τxz=τyz=0。参考文献[11-12]中的模拟方法，数值计算过程中循环20 000步以达到稳定，采用3DEC中的水-力耦合方法进行计算。

3.2 不同水压作用下煤柱坝体裂隙扩展规律

数值计算得到1、2、3 MPa水压作用下，煤矿地下水库煤柱坝体裂隙的孔喉孔径分别如图10、11、12所示。由图10可知，在1 MPa水压力作用下，煤柱坝体裂隙扩展长度约3.0 m。由图11可知，在2 MPa水压作用与1 MPa水压作用相比，裂隙扩展长度大致相等，约3.2 m。由图12所示，在3 MPa水压作用下，煤柱坝体裂隙扩展长度明显增大，约5.0 m。

图10 水压1 MPa下裂隙孔喉孔径云图

图11 水压2 MPa下裂隙孔喉孔径云图

图12 水压3 MPa下裂隙孔喉孔径云图

综合2.2节的分析，煤矿地下水库煤柱坝体宽度为50 m情况下，煤柱坝体塑性损伤区未贯通距离为10 m，而3 MPa水压作用下会产生大约5 m的次生裂隙，虽然基本满足要求，但安全系数较小。煤柱宽度为60 m情况下，煤柱坝体塑性损伤区未贯通距离大约为40 m，与3 MPa水压作用下产生大约5 m的次生裂隙相比，足以保证煤柱坝在储水压力作用下安全稳定。因此，建议煤矿地下水库邻近六采区一侧的煤柱坝体宽度选择60 m为宜。

4 结论

本研究成果可为类似矿井建设煤矿地下水库提供借鉴，不仅可避免高盐矿井水污染生态环境，处理后的矿井水还可成为地表生态灌溉的重要水源，为生态矿山的建设提供有力保障。针对灵新煤矿首座煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设及其稳定性问题，开展了数值模拟分析，得到以下结论。

(1)当煤柱坝体宽度小于50 m时，煤矿地下水库邻近六采区侧的煤柱坝体的塑性区分布具有贯通性，存在透水风险。随着煤柱坝体宽度增至60 m时，煤柱坝体塑性损伤区未贯通距离约40 m。

(2)煤柱坝体受采动影响产生的塑性区，在储水压力作用下，塑性区裂隙发生二次扩展，随着水压的增大，裂隙扩展长度逐步增大，在3 MPa水压(储水高度300 m)作用下煤柱坝体塑性区裂隙扩展长度达到5 m左右。

综上，考虑煤柱坝体塑性区裂隙在储水压力作用下的二次扩展，最终建议最小煤柱宽度为60 m，以消除水力作用下的透水风险。