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摘 要：保持防水煤柱是在靠近储层的煤层开采中最有效的防水方法，并且在相当长的一段时间内，确定防水煤柱的合理宽度一直是采矿学者的普遍问题。在常家沟矿区张家沟水库附近开采4-2煤层的情况下，采用理论分析，相似材料物理模拟和数值模拟的研究方法，对上覆地层开采破坏特征和地表进行了分析。结果表明，就抗水性而言，煤柱可分为矿山压力影响区，有效防水区。此外，通过模型分析确定防水煤柱的宽度与实践结果一致，随后，根据防止储层边坡失稳破坏和采空区突水事故的要求，提出了确定防水煤柱临界宽度所需的判断条件，防水煤柱的最大宽度被认为是临界宽度。这些结果为确定靠近储层的煤层防水煤柱的宽度提供理论依据。
关键词：煤矿开采;防水煤柱宽度;物理模拟
1 绪论
中国西部拥有丰富的优质煤炭资源。陕西北部的侏罗纪煤田尤其如此，其构造简单，倾角一般为1°～3°。该领域的煤层是稳定的，并且主要包含长焰和非结块煤，这些煤中硫、磷和灰分的含量极低，并且发热量中等偏高。这是国内外电力、液化和化学工业使用的稀有优质煤炭。陕西北部的侏罗纪煤田是中国已探明储量最大的煤田，这增加了其在采矿方面的应用前景。但是，煤层开采，围岩的应力会重新分布，从而导致松动变形和破坏性断裂[1]。当导水裂缝与水体相连时，例如含水层或煤层附近的承压水，水会流入巷道，从而导致矿井发生突水事故[2]。当前，保留防水煤柱可有效防止突水事件。学者们研究了在含水层下且导水断层附近的煤层开采中防水煤柱宽度的确定。然而，由于地层地质结构的复杂性和开采条件的差异，在工作面开采过程中，上覆地层的运动，裂缝的发育以及水体对采场的影响变化很大。对于靠近储层的浅煤层，没有观察到高水压的影响。但是，潜水线在岸坡中的分布是为了防止储层中的水传导到周围的岩石破裂区域。此外，在开采过程中应考虑坡度稳定性，以确保油藏的安全运行。当前，在这方面还没有研究。
本文中，我们以常家沟水库附近常家沟矿区的一个4-1煤层为研究项目，并通过理论分析，物理模拟和模拟研究了开采过程中上覆地层和储层库岸边坡的破坏特征。此外，我们根据数据确定了合理的防水煤柱宽度。我们的研究结果可为确定煤层靠近储层的情况下确定防水煤柱的宽度提供理论依据。
2 背景介绍
1987年在陕北生态脆弱地区开始了大规模的煤层开采。到2008年底，榆林市的含煤面积已占其土地总面积的54%，预测和探明的煤炭储量为271.4吨和1，460亿吨。榆林市被认为是中国重要的现代煤炭生产基地。榆林市洪家湖是内陆沙漠中最大的淡水湖，常家沟水库，姚政水库和土卫河水库位于榆神矿区。常家沟水库的蓄水面积约为0.3平方千米，集水面积约为44平方公里，所有主要的分配河源于黄河。常家沟煤矿位于常家沟水库附近。第一个开采煤层是4-煤层，埋深为67m，厚度为3.5m。煤层的位置如下图所示。水库的洪水位为27m，比4-2煤层的顶板高14m。
3 防水煤柱宽度的理论分析
如果煤层靠近储层，则如果储层的水位高于煤层的底面，则该煤层的一部分位于储层坡度的饱和线以下。但是，在开挖煤层巷道时，围岩的应力会重新分布，巷道周圍的煤层会被破坏。随后，裂缝逐渐开始加深。因此，如果围绕巷道的煤层的破坏部分连接到储层坡度饱和线以下的部分，则储层中的水将通过煤层流入巷道。为了使煤柱有效防水，必须在煤柱之间保持一段完整。因此，防水煤柱可分为矿压影响区，有效防水区。因此，防水煤柱的宽度可以表示为：防水煤柱的宽度=矿山压力影响区的宽度L1+有效防水区的宽度L2。
3.1 矿山压力影响区
基于此分析，矿山压力影响区与巷道周围煤层的塑性破坏区有关。矿山压力影响区的煤体处于极限平衡状态。因此，应确定极限平衡区的宽度。矿山压力影响区的宽度L1的计算式[3]如下：
L1=mA2tanφ0InkγH+c0·ctgφ0（P/A）+c0·ctgφ0
其中M表示煤层开采厚度，A表示煤层的侧向压力系数，C0和φ0表示煤层与顶板和底板中岩层之间的内聚力和摩擦系数，P表示煤层的支撑阻力（范围为0～300KPA），γ表示岩层的平均体积重量，H表示巷道深度，K并表示应力集中系数。
3.2 有效防水区
有效的防水区在防止位于饱和线以下的煤层中的水流入采空区方面起着重要作用。该区域的宽度可以通过公式来计算，该公式用于在遇水或导水断层的情况下获得防水煤柱的宽度，公式[4]如下：
L2=0.5α1h13P0σt
其中，安全系数α1通常为2～5，H1是煤层厚度，P0水头压力和煤层抗张强度σT，L2不小于20M。
4 煤层开采上覆地层和边坡稳定性的模型试验
4.1 物理模型测试方案
根据常家沟水库附近4-2煤层上覆岩层的地质条件，利用相似的材料建立了物理模型，研究了煤层开采引起的上覆岩层和储层库岸边坡的破坏模式。选择河砂、石膏、石灰粉和粉煤灰作为物理模型的主要材料。根据堆密度相似比例和应力相似比例的要求，模拟实际情况。
为分析水库水位对边坡稳定性的影响，设计了一个等水位储水瓶，模拟了开采过程中导水裂缝引起的渗水渗入边坡。在顶部的坡面，岩石分界，洪水水位以及将坡面与以上三个点分开的两个部分的中点处，布置了五个储水瓶。每个瓶子装满不同颜色的水。在模拟开采过程中，当上覆岩层的导水裂缝到达水瓶时，瓶中的水会通过导水通道向外流出。随后，将通过上覆岩层中导水裂缝的发展来判断对斜坡的破坏程度。因此，可以确定防止水从储层中流失所需的煤柱的最小宽度。在采煤工作面上安装了DH3816N静态应变测试分析系统记录分析开采过程中的覆岩破坏特征和地表变形规律。
4.2 煤层开采测试
在开采过程中，当工作面前进到26.0cm时，采空区坍塌，观察到的崩落高度约为3.5cm。当工作面前进至58cm时，屋顶大范围立即塌陷，关键地层（屋顶上27.3cm的细粒砂岩）部分塌陷。当工作面前进至99cm时，工作面覆岩层第二次周期性地大面积下降，崩落步长为15.0cm。崩落高度为39.5cm。自由空间最大为1.5cm，长度为32.5cm，并且开采侧的放顶角为68°。工作面上的动载荷很明显，并且支撑阻力明显增加。当工作面前进到128.0cm时，煤层的直接顶板坍塌，工作面的上覆地层第三次周期性地大面积掉落，当工作面前进到139cm时，工作面顶板经历了第四次周期性塌陷。最高点的累积位移为30mm。同时，最高点处的红水储水瓶中的水开始渗入土壤。这表明当水库装满水时，水将通过横向脱落层的裂缝流入斜坡和采空区。当工作面前进至155cm时，工作面屋顶第五次下降，表土第二次大面积下沉，上覆岩石的拉伸破坏导致工作面上方出现新的垂直向下裂缝。同时，较早产生的垂直向下裂缝逐渐闭合。斜坡体趋向采空区，中层土壤层出现脱落层破裂，导致水从蓝色储水瓶渗漏。这表明当水位达到或超过该位置时，储层中的水将通过脱落层裂缝流入采空区。 当工作面前进至221cm时，观察到煤柱的预留宽度为70cm。此时，工作面上方的整个斜坡体开始倾倒并旋转，在工作面之前的上覆地层中逐渐形成了垂直裂缝。这表明，当实际煤层前进到221m时，在库岸边坡上会发生许多脱落层裂缝和竖向裂缝，破坏边坡，削弱了防渗功能，将导致严重的突水事故。
当工作面前进至246cm时，预留煤柱宽度为45cm。由于上覆地层塌陷和储层自由面的塌陷以及深部垂直裂缝的发展共同作用，上覆地层经历了崩塌塌陷，边坡体中出现了许多脱落层裂缝。斜坡的上部是完全不稳定的，并经历明显的滑动位移，而斜坡的下部则倾向于向储层滑动。这表明采矿将导致边坡的破坏。
4.3 防水煤柱临界宽度的判定条件
根据仿真结果，针对防水煤柱的临界宽度提出了综合的判断条件。（1）根据储层岸坡监测点水平位移和垂直位移的变化特征，当坡顶产生反向水平位移且许多监测点产生尖锐的垂直位移时，防水煤柱的宽度可以为被认为是保护储层坡度不受不稳定滑动影响的临界宽度。（2）根据煤矿顶，底板监测点孔隙压力的变化特征，确定了煤层顶，底板孔隙水压力突然减小到最大时，防水煤柱的宽度可被认为是保护采空区免遭水浸事故的临界宽度。模拟分析得出的临界煤柱宽度为96m，而理论计算为107.51m。结果表明，确定防水煤柱宽度所需的理论方法是合理的，可确保煤层开采的安全性。
5 结论
为了确定合理的预留防水煤柱宽度，以便开采靠近储层的浅煤层，我们采用了理论分析，使用相似材料的物理模擬以及数值模拟的方法，研究了上覆岩层开采的破坏特征和特征。通过仿真分析验证了理论结果，表明该理论方法可用于确定靠近储层的煤层防水煤柱的宽度。此外，研究结果为安全开采靠近储层的煤层提供了重要参考，对于节约煤炭资源，提高采收率，确保储层在正常，安全运行中具有重要意义。
参考文献：
[1]Y.L.Tan，F.H.Yu，and L.Chen，“A new approach for predicting bedding separation of roof strata in underground coalmines，”International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，61：183-188，2013.
[2]W.J.Yu，W.J.Wang，G.S.Wu，X.Y.Yu，and W.Q.Peng，“Three zones and support technique for large section incline shaft crossing goaf，”Geotechnical Geology Engineering，35：1921-1931，2017.
[3]C.Hou and N.Ma，“Discussion on the stress of coal mass and limit equilibrium zone on the both sides of coal seam roadway，”Journal of China Coal Society，4：21-29，1989.
[4]国家安全生产监督管理总局.国家煤矿安全监督管理总局《煤矿用水防治详细规定》.北京：煤炭工业出版社，2018.
关键词：煤矿开采;防水煤柱宽度;物理模拟
1 绪论
中国西部拥有丰富的优质煤炭资源。陕西北部的侏罗纪煤田尤其如此，其构造简单，倾角一般为1°～3°。该领域的煤层是稳定的，并且主要包含长焰和非结块煤，这些煤中硫、磷和灰分的含量极低，并且发热量中等偏高。这是国内外电力、液化和化学工业使用的稀有优质煤炭。陕西北部的侏罗纪煤田是中国已探明储量最大的煤田，这增加了其在采矿方面的应用前景。但是，煤层开采，围岩的应力会重新分布，从而导致松动变形和破坏性断裂[1]。当导水裂缝与水体相连时，例如含水层或煤层附近的承压水，水会流入巷道，从而导致矿井发生突水事故[2]。当前，保留防水煤柱可有效防止突水事件。学者们研究了在含水层下且导水断层附近的煤层开采中防水煤柱宽度的确定。然而，由于地层地质结构的复杂性和开采条件的差异，在工作面开采过程中，上覆地层的运动，裂缝的发育以及水体对采场的影响变化很大。对于靠近储层的浅煤层，没有观察到高水压的影响。但是，潜水线在岸坡中的分布是为了防止储层中的水传导到周围的岩石破裂区域。此外，在开采过程中应考虑坡度稳定性，以确保油藏的安全运行。当前，在这方面还没有研究。
本文中，我们以常家沟水库附近常家沟矿区的一个4-1煤层为研究项目，并通过理论分析，物理模拟和模拟研究了开采过程中上覆地层和储层库岸边坡的破坏特征。此外，我们根据数据确定了合理的防水煤柱宽度。我们的研究结果可为确定煤层靠近储层的情况下确定防水煤柱的宽度提供理论依据。
2 背景介绍
1987年在陕北生态脆弱地区开始了大规模的煤层开采。到2008年底，榆林市的含煤面积已占其土地总面积的54%，预测和探明的煤炭储量为271.4吨和1，460亿吨。榆林市被认为是中国重要的现代煤炭生产基地。榆林市洪家湖是内陆沙漠中最大的淡水湖，常家沟水库，姚政水库和土卫河水库位于榆神矿区。常家沟水库的蓄水面积约为0.3平方千米，集水面积约为44平方公里，所有主要的分配河源于黄河。常家沟煤矿位于常家沟水库附近。第一个开采煤层是4-煤层，埋深为67m，厚度为3.5m。煤层的位置如下图所示。水库的洪水位为27m，比4-2煤层的顶板高14m。
3 防水煤柱宽度的理论分析
如果煤层靠近储层，则如果储层的水位高于煤层的底面，则该煤层的一部分位于储层坡度的饱和线以下。但是，在开挖煤层巷道时，围岩的应力会重新分布，巷道周圍的煤层会被破坏。随后，裂缝逐渐开始加深。因此，如果围绕巷道的煤层的破坏部分连接到储层坡度饱和线以下的部分，则储层中的水将通过煤层流入巷道。为了使煤柱有效防水，必须在煤柱之间保持一段完整。因此，防水煤柱可分为矿压影响区，有效防水区。因此，防水煤柱的宽度可以表示为：防水煤柱的宽度=矿山压力影响区的宽度L1+有效防水区的宽度L2。
3.1 矿山压力影响区
基于此分析，矿山压力影响区与巷道周围煤层的塑性破坏区有关。矿山压力影响区的煤体处于极限平衡状态。因此，应确定极限平衡区的宽度。矿山压力影响区的宽度L1的计算式[3]如下：
L1=mA2tanφ0InkγH+c0·ctgφ0（P/A）+c0·ctgφ0
其中M表示煤层开采厚度，A表示煤层的侧向压力系数，C0和φ0表示煤层与顶板和底板中岩层之间的内聚力和摩擦系数，P表示煤层的支撑阻力（范围为0～300KPA），γ表示岩层的平均体积重量，H表示巷道深度，K并表示应力集中系数。
3.2 有效防水区
有效的防水区在防止位于饱和线以下的煤层中的水流入采空区方面起着重要作用。该区域的宽度可以通过公式来计算，该公式用于在遇水或导水断层的情况下获得防水煤柱的宽度，公式[4]如下：
L2=0.5α1h13P0σt
其中，安全系数α1通常为2～5，H1是煤层厚度，P0水头压力和煤层抗张强度σT，L2不小于20M。
4 煤层开采上覆地层和边坡稳定性的模型试验
4.1 物理模型测试方案
根据常家沟水库附近4-2煤层上覆岩层的地质条件，利用相似的材料建立了物理模型，研究了煤层开采引起的上覆岩层和储层库岸边坡的破坏模式。选择河砂、石膏、石灰粉和粉煤灰作为物理模型的主要材料。根据堆密度相似比例和应力相似比例的要求，模拟实际情况。
为分析水库水位对边坡稳定性的影响，设计了一个等水位储水瓶，模拟了开采过程中导水裂缝引起的渗水渗入边坡。在顶部的坡面，岩石分界，洪水水位以及将坡面与以上三个点分开的两个部分的中点处，布置了五个储水瓶。每个瓶子装满不同颜色的水。在模拟开采过程中，当上覆岩层的导水裂缝到达水瓶时，瓶中的水会通过导水通道向外流出。随后，将通过上覆岩层中导水裂缝的发展来判断对斜坡的破坏程度。因此，可以确定防止水从储层中流失所需的煤柱的最小宽度。在采煤工作面上安装了DH3816N静态应变测试分析系统记录分析开采过程中的覆岩破坏特征和地表变形规律。
4.2 煤层开采测试
在开采过程中，当工作面前进到26.0cm时，采空区坍塌，观察到的崩落高度约为3.5cm。当工作面前进至58cm时，屋顶大范围立即塌陷，关键地层（屋顶上27.3cm的细粒砂岩）部分塌陷。当工作面前进至99cm时，工作面覆岩层第二次周期性地大面积下降，崩落步长为15.0cm。崩落高度为39.5cm。自由空间最大为1.5cm，长度为32.5cm，并且开采侧的放顶角为68°。工作面上的动载荷很明显，并且支撑阻力明显增加。当工作面前进到128.0cm时，煤层的直接顶板坍塌，工作面的上覆地层第三次周期性地大面积掉落，当工作面前进到139cm时，工作面顶板经历了第四次周期性塌陷。最高点的累积位移为30mm。同时，最高点处的红水储水瓶中的水开始渗入土壤。这表明当水库装满水时，水将通过横向脱落层的裂缝流入斜坡和采空区。当工作面前进至155cm时，工作面屋顶第五次下降，表土第二次大面积下沉，上覆岩石的拉伸破坏导致工作面上方出现新的垂直向下裂缝。同时，较早产生的垂直向下裂缝逐渐闭合。斜坡体趋向采空区，中层土壤层出现脱落层破裂，导致水从蓝色储水瓶渗漏。这表明当水位达到或超过该位置时，储层中的水将通过脱落层裂缝流入采空区。 当工作面前进至221cm时，观察到煤柱的预留宽度为70cm。此时，工作面上方的整个斜坡体开始倾倒并旋转，在工作面之前的上覆地层中逐渐形成了垂直裂缝。这表明，当实际煤层前进到221m时，在库岸边坡上会发生许多脱落层裂缝和竖向裂缝，破坏边坡，削弱了防渗功能，将导致严重的突水事故。
当工作面前进至246cm时，预留煤柱宽度为45cm。由于上覆地层塌陷和储层自由面的塌陷以及深部垂直裂缝的发展共同作用，上覆地层经历了崩塌塌陷，边坡体中出现了许多脱落层裂缝。斜坡的上部是完全不稳定的，并经历明显的滑动位移，而斜坡的下部则倾向于向储层滑动。这表明采矿将导致边坡的破坏。
4.3 防水煤柱临界宽度的判定条件
根据仿真结果，针对防水煤柱的临界宽度提出了综合的判断条件。（1）根据储层岸坡监测点水平位移和垂直位移的变化特征，当坡顶产生反向水平位移且许多监测点产生尖锐的垂直位移时，防水煤柱的宽度可以为被认为是保护储层坡度不受不稳定滑动影响的临界宽度。（2）根据煤矿顶，底板监测点孔隙压力的变化特征，确定了煤层顶，底板孔隙水压力突然减小到最大时，防水煤柱的宽度可被认为是保护采空区免遭水浸事故的临界宽度。模拟分析得出的临界煤柱宽度为96m，而理论计算为107.51m。结果表明，确定防水煤柱宽度所需的理论方法是合理的，可确保煤层开采的安全性。
5 结论
为了确定合理的预留防水煤柱宽度，以便开采靠近储层的浅煤层，我们采用了理论分析，使用相似材料的物理模擬以及数值模拟的方法，研究了上覆岩层开采的破坏特征和特征。通过仿真分析验证了理论结果，表明该理论方法可用于确定靠近储层的煤层防水煤柱的宽度。此外，研究结果为安全开采靠近储层的煤层提供了重要参考，对于节约煤炭资源，提高采收率，确保储层在正常，安全运行中具有重要意义。
参考文献：
[1]Y.L.Tan，F.H.Yu，and L.Chen，“A new approach for predicting bedding separation of roof strata in underground coalmines，”International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，61：183-188，2013.
[2]W.J.Yu，W.J.Wang，G.S.Wu，X.Y.Yu，and W.Q.Peng，“Three zones and support technique for large section incline shaft crossing goaf，”Geotechnical Geology Engineering，35：1921-1931，2017.
[3]C.Hou and N.Ma，“Discussion on the stress of coal mass and limit equilibrium zone on the both sides of coal seam roadway，”Journal of China Coal Society，4：21-29，1989.
[4]国家安全生产监督管理总局.国家煤矿安全监督管理总局《煤矿用水防治详细规定》.北京：煤炭工业出版社，2018.