徐永飛

（山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042405）

引言

山西煤炭資源賦存豐富，是我國礦區(qū)密集、產(chǎn)能集中的重點(diǎn)省份之一，存在礦井彼此相鄰的現(xiàn)象。但由于礦井生產(chǎn)期間采掘順序的不一致，相鄰礦井間很多危險(xiǎn)隱患彼此互相威脅，如果無法及時(shí)探明，將會(huì)對兩礦的生產(chǎn)安全產(chǎn)生影響[1]。這其中，水害事故的影響尤為常見，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，90%以上的礦井水害事故是采空區(qū)積水引起的，因此探明并治理與本礦有聯(lián)系的采空區(qū)范圍及積水量對于礦井防治水工作十分重要[2]。

留設(shè)防隔水煤柱是煤礦防治水工作的重要措施手段，針對富水煤層相貫通的煤層和含水、需保護(hù)的含水鉆孔及井田邊界都需要留設(shè)防隔水煤柱。但由于礦山地質(zhì)條件普遍較為復(fù)雜，如果對本礦及相鄰礦井的資料掌握不準(zhǔn)確很容易造成煤柱留設(shè)的不合理，未能起到有效隔水作用[3-4]。針對這一問題，本文總結(jié)了煤柱留設(shè)后的形變規(guī)律，基于研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對煤壁、底板的破壞程度進(jìn)行了研究計(jì)算，探究預(yù)留設(shè)的邊界防水煤柱寬度是否滿足安全開采要求。

1 采空區(qū)積水浸泡防水煤柱后的力學(xué)分析

采空區(qū)的積水長時(shí)間的浸泡會(huì)使煤柱產(chǎn)生一定的塑性形變，煤柱力學(xué)性質(zhì)的影響主要為煤的水化作用，主要分為以下兩點(diǎn)：

1）物理弱化作用。煤塊受積水浸泡后，水分將沿煤柱的縫隙侵入煤巖內(nèi)部，煤質(zhì)表面附著水分子后將會(huì)削弱煤顆粒間的聯(lián)系，使得煤柱出現(xiàn)疏松現(xiàn)象。

2）力學(xué)作用。積水侵入煤塊后會(huì)在煤礦裂隙中產(chǎn)生水壓，對煤塊的彈性屈服極限造成破壞，煤塊因此更容易受到塑性變形；此外煤塊的抗剪強(qiáng)度也會(huì)在變形中收到破壞，煤礦整體強(qiáng)度受損。

因此為合理留設(shè)防隔水煤柱，將充分考慮到積水對煤柱長期的浸泡影響，充分發(fā)揮煤柱作用。為研究煤柱與采空區(qū)積水之間接觸時(shí)長與變形規(guī)律，設(shè)計(jì)了煤塊浸泡試驗(yàn)，主要目的在于對煤塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行觀察。在3 號(hào)煤層中選取15 塊煤樣，并按測試需要切割成符合要求的圓柱體形狀。將其分為A、B、C 三組，每組煤樣尺寸統(tǒng)一，定為30 cm（±3 cm）、25 cm（±3 cm）、20 cm（±3 cn），隨后將三組煤樣在礦井積水中進(jìn)行50 日的浸泡試驗(yàn)。

煤樣浸泡試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，煤柱致裂強(qiáng)度測試成果表明：三組煤塊試驗(yàn)在前20 d 力學(xué)強(qiáng)度下降明顯，隨后進(jìn)入平穩(wěn)期；煤樣的力學(xué)抗壓性能隨著煤柱直徑的增加而提高；三組煤樣的力學(xué)抗壓強(qiáng)度較浸泡前降低了20%～30%左右。隨著煤柱預(yù)留寬度的提高，抗壓強(qiáng)度的變化范圍還將進(jìn)一步減小，預(yù)計(jì)最高不超過10%。

圖1 煤樣浸泡50 d 后抗壓強(qiáng)度的變化

2 工程實(shí)例

2.1 寶欣礦區(qū)主采煤層采空區(qū)信息

寶欣煤業(yè)位于臨汾古縣，據(jù)調(diào)查，在2012 年對目前開采的3 號(hào)煤層進(jìn)行了物探，如下頁圖2 所示，共發(fā)現(xiàn)有兩處采空區(qū)，采空面積大約177 985 m2，積水量為118 433 m3，煤層頂板富水區(qū)3 處，頂板富水區(qū)總面積81 986.8 m2。2 個(gè)采空區(qū)異常中①號(hào)采空區(qū)基本都充水，充水總面積為64 102.8 m2；②號(hào)富水區(qū)面積為23 492.8 m2，③號(hào)富水區(qū)面積為28 244.1 m2，④號(hào)異常為已知采空區(qū)，（當(dāng)時(shí)）東部有充水800 m3，圈定煤層頂板富水區(qū)3 處；⑤號(hào)富水區(qū)面積為30 249.9 m2，積水量114 462.0 m3。

圖2 初期物探資料圖

2017 年繼續(xù)對本礦區(qū)井田東北角及中部進(jìn)行了瞬變電磁勘探，結(jié)果表明：東北部區(qū)域未見異常；中部區(qū)域推斷3 號(hào)煤層采空積水區(qū)8 處，總面積95 521 m2，K8 砂巖富水異常區(qū)11 處，總面積175 827 m2，具體見表1。

表1 3 號(hào)煤層采空積水區(qū)一覽表

2.2 相鄰礦井積水情況信息

寶欣煤業(yè)在3102 進(jìn)風(fēng)順槽向西有測點(diǎn)26 至測點(diǎn)28 煤層厚度逐漸變薄至不可采，再由測點(diǎn)28 至測點(diǎn)29 煤層厚度逐漸變厚至可采，經(jīng)分析可能是一煤層沖刷變薄帶。本礦周邊礦井對本礦采掘有影響的主要為北部相鄰的山西泓翔煤業(yè)有限公司形成的3 號(hào)煤層采空區(qū)，有6 處采空積水區(qū)，采空積水區(qū)面積為268 000 m2，積水量為106 518 m3。

3 老礦區(qū)老空積水區(qū)的煤壁及底板破壞性分析

泓翔煤業(yè)為寶欣礦的鄰近礦井，產(chǎn)能60 萬t/a，采用走向長壁后退式采煤法，開采2 號(hào)煤層，礦井正常涌水量為110 m3/d，最大涌水量116 m3/d。防治水方面該礦主排水設(shè)備選用MD85-45×9 耐磨離心式水泵3 臺(tái)，單臺(tái)額定流量為85 m3/h，額定揚(yáng)程為405 m。目前本礦有6 處采空積水區(qū)，采空積水區(qū)面積為268 000 m2，積水量為106 518 m3。該礦采空區(qū)均有積水且均位于寶欣礦北部上山位置，對本礦開采影響較大。

3.1 采空區(qū)煤壁破壞分析

相鄰礦井老空積水的預(yù)測關(guān)鍵在于對煤壁破壞程度和底板破壞程度的研究，再根據(jù)破壞程度計(jì)算圍巖受損程度，作為計(jì)算隔水煤（巖）尺寸的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)物探資料，相關(guān)數(shù)據(jù)取值見表2。

煤壁破壞程度的計(jì)算主要根據(jù)表2 參數(shù)，帶入公式（1）中分別基于摩爾庫倫準(zhǔn)則和塑性力學(xué)理論對井下巷道推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)公式[5-6]，本文選取式（2）～式（3）計(jì)算結(jié)果的平均值，即7.46 m。

表2 采空區(qū)煤壁及底板破壞特征計(jì)算數(shù)據(jù)

式中：lgp為煤壁塑性破壞深度，m；H 為煤層埋深，m；F為經(jīng)驗(yàn)值；γ 為煤巖體容重；Lx為工作面與煤柱半寬，m；Rc為煤巖體抗壓強(qiáng)度，MPa。

3.2 采空區(qū)底板破壞深度計(jì)算

對于采空區(qū)底板導(dǎo)水破壞深度，本文將根據(jù)式（4）～式（7）進(jìn)行計(jì)算，選取最大值作為評(píng)估依據(jù)。結(jié)合表2中的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出h1最大值為14.5 m。

式中：h1為底板導(dǎo)水破壞深度，m；L 為工作面長度，取125 m；α 為煤層傾角。

3 號(hào)煤開采工作面安全隔水厚度為38 m，則保護(hù)帶高度為：38-14.5 m=23.5 m。出于安全考慮，礦方疊加煤柱浸泡的損耗（約10%），最終將保護(hù)煤柱寬度合理確定為41.8 m，保證開采的安全性。

4 結(jié)語

1）在寶欣礦開展了針對采空區(qū)積水對煤柱影響的力學(xué)試驗(yàn)，煤塊試驗(yàn)在前20 d 力學(xué)強(qiáng)度下降明顯，隨后進(jìn)入平穩(wěn)期，最終影響程度約為20%～30%，按實(shí)際煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算，影響可控制在10%以內(nèi)。

2）經(jīng)過對礦井及周邊采空區(qū)積水的物探資料，最終確定3 號(hào)煤層工作面得到隔水煤柱留設(shè)寬度為41.8 m，確保了開采的安全性。