巨厚富水烧变岩露天边坡隔水煤(岩)柱构造技术研究

李 伟

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

我国西北地区大面积分布着火烧区。自燃煤层附近岩层经高温烧结，有机质烧失坍塌形成烧变岩[1-3]。烧变岩孔洞、裂隙发育，富水性强，因此火烧区往往赋存有大量地下水，给煤炭资源开采与环境保护带来挑战。

露天矿的边坡失稳一直是最突出的地质灾害问题。影响边坡稳定性的因素很多，如地下水、地质构造、边坡岩性、振动等[4，5]。不同工况边坡稳定性的主要影响因素不同。在实际生产过程中情况往往要更加复杂，许多边坡稳定性的主导因素有两种甚至更多。对于受火烧区影响的煤炭资源露天开采，不仅爆破振动会严重影响边坡稳定性，火烧区地下水的渗流[6，7]也是决定边坡稳定性的重要因素之一。同时煤炭资源的开采对地下水扰动也会给环境带来严重影响[8，9]。尤其是对西北地区，水资源较匮乏，生态脆弱，地下水体的扰动会导致生态环境更加恶化[10-12]。留设合理尺寸的煤岩柱既能满足矿山安全生产需要，同时起到环境保护的作用[13]。目前，关于隔水煤岩柱的研究多集中在井工矿山开采中。许延春[14]在综放开采防水煤岩柱研究中提出了“有效隔水厚度”的概念和折算有效隔水厚度的方法，建议了水体下“有效隔水厚度”留设标准和评价方法。温思南，何也等[15-17]研究了断层防隔水煤柱留设宽度。项林语等[18]计算了松软煤层条件下防隔水煤柱宽度。李昌虎等[19]对高应力条件下孤岛工作面隔水煤柱宽度进行了研究。

新疆大南湖二矿首采区南端帮外侧为Ⅲ火烧区，赋存有大量地下水，平面呈椭圆形，长轴长达4.5km，深度238m，面积4.45 km2。长轴方向与首采区推进方向一致，直至最深部可采煤层29煤，含水量达50.0Mm3，为富水性极强的独立含水单元。Ⅲ火烧区烧变岩地下水水位标高+403m左右，局部隐伏区域具有承压水的特性。为了保护火烧区地下水资源并保证安全生产，南端帮必须留设足够宽度的隔水煤柱。南端帮受到生产爆破振动和火烧区地下水渗流的耦合作用，留设合理尺寸的隔水煤柱对于提高煤炭资源回收率，保证安全生产和保护环境具有重要意义。

1 边坡结构振动响应分析

大南湖二矿爆破方式为延时爆破，爆破区域布置在南帮+450m台阶，爆破孔排列形式为三角形，排间距和孔间距均为4m，坡顶距为3.5m，孔径150mm，孔深16.4m，填塞长度4m，炸药单耗0.5kg/m3。本试验采用的矿山爆破振动测试系统由埋设在爆源场地地表的MEMS三向检波器、振动信号采集仪和部署在云端的爆破振动分析软件构成。本专项试验共在大南湖二矿南端帮布设了7个测点，如图1所示，每个测点均开挖50cm孔深的钻孔，将MEMS三向检波器放置在孔底，并用水泥浇筑，确保MEMS三向检波器与周围岩土体紧密耦合，从而能够准确感知到远处爆破震源传播来的微弱地震波振动信号。每只三向检波器的X向指向振动的来波方向(水平切向)，Y向垂直于来波方向(水平径向)，Z轴竖直向上(垂直方向)，首先接收到的数据为纵波数据，随后才是横波和瑞利波，3个方向(X、Y、Z)同时记录，测得01号监测点速度波峰值最大，具体波形如图2所示。

图1 爆破区域及监测点分布

图2 01号监测点振动速度波形

通过对爆破振动作用下边坡模拟，影响区域主要为地表浅层未到达火烧区，爆破振动对边坡动剪应力影响较大，水平方向上部影响至+405m水平台阶坡脚，下部影响至坑底。爆破影响区域水平范围达152.5m，火烧区一侧影响深度为50m。在垂直方向上形成爆破振动冲击作用下的“应力泡”现象，影响深度达到25m，如图3所示。

图3 爆破作用1.9913s时边坡岩体剪应力响应

通过现场爆破试验和数值模拟分析，应用Geo-studio模拟软件的QUAKE/W模块，将收集的震动数据导入，采用极限平衡法，计算爆破震动过程中边坡安全系数的变化过程，震动加速度及边坡稳定性变化如图4所示。爆破振动影响随振动波持续时间增长影响程度增加，0.8～1.8s间边坡安全系数随震动加速波动而不断发生变化，1.8～2.0s震动加速度迅速增大，边坡安全系数随之下降迅速，但持续时间仅为0.2s，对坡体稳定性影响较小。

图4 爆破加速度及边坡稳定性变化

2 烧变岩露天矿端帮隔水煤(岩)柱模型

《煤矿防治水规定》给出了煤矿“含水或导水断层防隔水煤柱的留设”公式[20]。

式中，L为防水煤柱宽度，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度，m；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

对于烧变岩露天矿山隔水煤柱的留设，火烧区地下水向矿坑渗透，坡体中地下水存在水力坡降，煤岩柱两端水压力存在一定的差值，采用公式1计算留设尺寸能够满足安全要求，但结果偏向保守。取地下水压力P为浸润线拐点下方煤(岩)中间位置水压，即煤岩柱两端水压的均值，建立烧变岩露天矿隔水煤(岩)柱模型如图5所示。

图5 露天煤矿隔水煤(岩)柱模型

式中，h1为浸润线垂直至煤(岩)层顶部边界距离，m；h2为浸润线垂直至煤(岩)层底部边界距离，m。

3 地下水与爆破振动耦合作用下烧变岩露天矿隔水煤(岩)柱构造技术

该矿田煤层较多，共20个煤层，收集了30多个钻孔资料及物理力学试验基础上，将矿区岩体主要分为3大类，隔水煤(岩)柱计算中主要使用抗拉强度指标，见表1。

表1 矿区岩体抗拉力学参数

火烧区水位标高取+400m进行计算。根据本次端帮钻孔获取地层及岩性，通过公式2分别计算的防隔水煤(岩)柱宽度，不同煤岩层最小防隔水尺寸与爆破振动岩体动剪应力衰减关系如图6所示，其中K2，K5分别表示安全系数为1.2和1.5时各煤岩层厚度。+335m水平隔水岩柱尺寸最大为52m。爆破振动产生的动剪应力在爆破核心区域20m以内较大，且衰减迅速，20～50m区域内衰减速度相对缓慢，动剪应力值较小，至50m处动剪应力对岩体产生的影响可忽略。爆破震动过程中1.8s至2.0s之间边坡安全系数变化剧烈，但时间较短，仅为坡体瞬间状态，考虑边坡稳定性时可忽略。因此，地下水位标高煤岩柱留设尺寸为50m。

图6 烧变岩露天矿隔水煤(岩)柱构造

考虑边坡角分别为15°、18°、20°、22°、24°、26°六种条件下隔水煤(岩)柱构造。角度为26°工况下，不同煤岩层尺寸均满足最小尺寸要求，所以各边坡角度条件下均可满足隔水煤(岩)柱留设条件。

综合考虑爆破作用下剪应力边坡单侧影响范围，采场南帮+400m水平(火烧区水位标高)与火烧区最小距离留设为50m，按照式(2)计算端帮各平盘隔水煤(岩)柱留设尺寸，再依据边坡稳定性分析结果进行边坡参数优化。

4 烧变岩边坡参数设计与优化

4.1 烧变岩边坡参数设计

原《大南湖二矿采矿设计》给出+400m水平隔水煤柱尺寸为150m，南帮边坡角为22°；考虑南帮地下水按照水力坡降为12°时，建立2种工况下边坡角分别为15°、18°、20°、22°、24°、26°时6个边坡工程力学模型，基于边坡稳定分析给出烧变岩边坡参数设计方案，并采用极限平衡方法对边坡参数进行了优化。

4.2 烧变岩边坡参数优化

设计方案一为：火烧区边界+400m水平留设50m隔水平盘，控制点为地表，设计整体边坡角分别为15°、18°、20°、22°、24°及26°。设计方案二为：火烧区边界+400m水平留设50m隔水平盘，控制点为+400m水平，设计整体边坡角分别为15°、18°、20°、22°、24°及26°。两设计方案如图7所示。

图7 烧变岩边坡参数设计优化

大南湖二矿南帮设计隔水煤柱不同方案安全系数变化如图8所示。方案一边坡设计角度为24°时，边坡安全系数为1.215，可以满足安全储备系数为1.15～1.20要求。方案二边坡设计角度小于18°可以满足安全储备系数为1.15～1.20要求。方案二采矿中边坡位于现状地下水位线以下，考虑火烧区侧向补给引起局部地下水承压性，22煤至25煤之间砂岩层位于地下水位影响以下，方案二在该区域将面临地下水沿底帮砂岩突水风险。因此推荐南端帮按照方案一设计开采，确定火烧区端帮边坡角为24°。

图8 烧变岩边坡优化结果

5 结 论

1)通过对爆破振动作用下边坡动剪应力数值模拟研究，掌握了爆破振动对烧变岩边坡岩体影响规律；爆破振动对边坡稳定性影响最大的时间段为1.6～2.0s；剪应力随振动波持续时间增长影响程度增加，水平方向上影响爆破区域两侧至152.50m，深度影响至25.04m，对边坡单侧影响距离为50m；

2)建立烧变岩露天矿隔水煤(岩)柱模型，推导公式计算端帮各平盘煤(岩)柱尺寸，综合考虑爆破振动和地下水耦合作用，确定安全煤(岩)柱尺寸，并对烧变岩边坡参数设计和优化，形成巨厚富水烧变岩露天边坡隔水煤岩柱构造技术；

3)大南湖二矿隔水煤(岩)柱尺寸为火烧区边界+400m水平留设50m，考虑水力坡降优化后的边坡角为24°，相较原设计提高了2°，巨厚富水烧变岩露天边坡隔水煤(岩)柱构造技术有效解决了大南湖二矿坡面涌水与边坡稳定控制问题，可应用于我国新疆及西北地区的烧变岩露天矿边坡工程。