老空區邊界防水煤(巖)柱留設的研究

胡絞臍，胡耀青

(1.山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024；2.太原理工大學 采礦工藝研究所，太原 030024)

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老空區邊界防水煤(巖)柱留設的研究

胡絞臍1，胡耀青2

(1.山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024；2.太原理工大學 采礦工藝研究所，太原 030024)

摘要:為老空區防水煤(巖)柱的留設及探放水設計提供更準確的計算方法，在老空區邊界圍巖受力特征及其破壞狀態的基礎上，分析了邊界圍巖的阻水性能及影響邊界煤(巖)柱留設的主要影響因素；探討了目前邊界防水煤(巖)柱計算公式存在的缺陷；提出了基于阻水能力的防水煤(巖)柱留設計算公式，避免了以往臨界突水系數經驗值選擇不當帶來的誤差。本研究對老空區突水的防治具有重要的理論意義和應用價值。

關鍵詞:老空區邊界圍巖；防水煤柱；阻水系數；裂隙帶;突水系數

近年來,老空區突水事故的比例明顯多于承壓水突水事故[1-2],且大多是新建礦井和整合礦井。比例增大主要來自以下幾個方面的原因:一是大批小礦及老礦的關停,采空區積聚了大量的水,而新建礦井或整合礦井未對周邊廢棄礦井的水文地質進行詳細的勘察研究,忽視了其對本礦的安全隱患。二是老空區的復雜性,對于正規礦井,老空區及其采掘邊界明確,安全隱患相對小；對于一些小型的地方礦井或私挖亂采的小煤窯,地下采空區不明確，而目前的地質勘查手段還不能對這些不明采空區進行精確的定位。三是老空區積水的復雜性[3],老空區積水除了和老空區的空間位置有關外,還和老空區的礦床水文地質有關,即地下水的循環運動有關。針對這些實際情況,近年來采礦工作者對《煤礦防治水規定》作了相應的修改和補充,但一些基礎的理論工作還未能完善。筆者綜合老空區的積水程度、邊界防水煤柱的抗水能力及邊界圍巖的破壞狀態開展了合理防水煤柱留設的研究,為老空區的探放水及安全防水煤柱的留設提供理論計算依據。

1老空區儲水特點及其邊界圍巖的變形破壞與滲透特性分析

1.1老空區儲水特點

1.1.1老空區的儲水量

老空區的儲水量主要受兩個因素的影響。一是開采空間大小及各采空區的連通程度,一般來說,儲水量與從地下采出煤(巖)的體積相等或略低于采出煤(巖)的體積；另一就是礦井的水文地質條件,其關鍵是水的來源與補給能力,一般來自頂板、底板、鄰近采空區及地表水,通常處于一個動態平衡的過程，當匯大于源時,整個老空區都積水,否則儲水量小于采出煤(巖)的體積。

1.1.2老空區的水位

老空區的水位主要受礦井的水文地質條件的影響。對于生產的大部分礦井,都采用排放水措施,老空區的水位一般不高,對邊界防水煤柱產生的水壓力一般不大,可以忽略不計；但對于一些關閉的廢棄礦井,由于井下停止排水,礦井的水文地質條件會產生巨大的變化,其水位也會產生相應的變化。如老空區與底板高承壓含水層溝通,則其水位與高承壓含水層的水位相當；如與頂板含水層溝通,則水位與頂板含水層的水位相當；老空區距頂板含水層的距離越大,老空區的水位越高,對老空區邊界防水煤柱的水壓力就越大,對邊界防水煤柱的破壞力也就越大。更有甚者，老空區通過采空區斷裂帶直接與地面河流溝通,其所承受的水壓力就與其埋深相當,對老空區邊界防水煤柱的破壞力更大,即不僅有較高的水壓力,同時還具有充足的水量補給。

1.2老空區邊界圍巖受力破壞特征

1.2.1老空邊界圍巖受力特征

圖1為老空邊界圍巖受力及變形破壞示意圖。按圍巖的變形破壞程度可分為6個區段:L1段為邊界煤(巖)柱的原巖應力區,其垂向應力近似為γZ;L2段為邊界煤(巖)柱應力升高區,此區段的垂向應力略高于原巖應力;L3為邊界煤體壓裂區,此區段的垂向應力略低于原巖應力;L4為邊界煤體壓裂擠出段,這部分煤體是由于L3段在停采后不久所承受的高應力集中造成的,在高應力的作用下,L3段的煤體被壓裂,同時產生較大的橫向變形,其變形程度取決于應力集中程度與煤體的強度,這些擠出部分的破碎煤體就形成L4區段；L3，L4區段的變形相對緩慢,其本質是流變變形,即隨著時間的延長,煤體緩慢變形破壞,應力逐步釋放并向煤(巖)柱內部轉移,其最終應力低于原巖應力;L5為采空區未壓實段,此區段的垂向應力略低于原巖應力;L6的為采空區壓實段,此區段的垂向應力近似于原巖應力。

圖1　老空邊界圍巖受力及變形破壞示意圖Fig.1　Schematic diaqrams of stress and deformation failure of surrounding rocks in the boundary of goaf

邊界煤(巖)柱兩個水平方向的應力一般不相等,軸線方向的水平近似于原巖應力,但與軸向垂直的采空區測的應力由兩部分組成：一是采場圍巖作用于邊界煤(巖)柱的應力,由于采場長時間的變形破壞,其水平應力近似于γΗ；另一部分就是老空區的水頭hw,這兩部分力共同作用于煤(巖)柱的邊界,是邊界防水煤(巖)柱留設考慮的一個重要影響因素。

1.2.2老空區邊界圍巖破壞特征

老空區邊界圍巖的破壞特征受眾多因素的影響,根據前人研究及實測結果,其總體破壞見圖1所示。在邊界煤(巖)柱靠近采空區一側的破壞狀態，從下到上依次為破碎區、裂隙區、離層區及變形區；以滑移線為分界線,滑移線的左側(靠近煤巖柱側)為未破壞區,滑移線的右側(靠近采空區測)與采場頂板破壞規律相似。對于防水煤(巖)柱的留設,最關鍵的是冒落帶和裂隙帶的高度,統稱冒裂帶,圖1中的hm。

1.3老空邊界圍巖的阻水能力

老空區邊界防水煤(巖)柱留設考慮的最關鍵因素是煤(巖)柱的阻水能力,評價其阻水能力的主要指標有阻水強度(每米完整巖柱能夠阻抗的極限水壓)、極限抗滲透強度(巖石開始形成滲流的臨界水壓力)及煤(巖)柱結構的完整性；阻水強度可用阻水系數來反映,可通過現場注水壓裂或室內試驗測得；而圍巖的完整性可通過現場鉆取巖芯并結合阻水強度實驗的值進行綜合評價,一般用巖芯指標(RQD)值分析。以上3項指標可以初略地綜合評價防水煤(巖)柱的阻水能力,但在防水煤(巖)柱留設時,要考慮煤(巖)體強度隨含水率的變化,即煤(巖)體的軟化要降低其阻水能力[4]。

2老空區防水煤(巖)柱計算方法探討

老空區防水煤(巖)柱留設考慮的主要因素有:老空區的水文地質，老空區的儲水量，老空區的水位，老空區邊界圍巖的受力破壞特征，老空區圍巖的阻水能力；除此之外，還要考慮老空區與相鄰礦區的相對位置。針對不同的情況,《煤礦防治水規定》中給出了不同的老空區防水煤(巖)柱留設的計算公式[5],以下對這些計算公式作一探討分析。

2.1水文簡單到中等型防水煤(巖)柱計算

對于水文簡單到中等型防水煤(巖)柱計算采用公式(1)計算,但煤柱寬度不得小于40 m。

(1)

式中:d為煤層厚度或采高,m;A為安全系數,取2～5;p為隔水層所承受的水壓,MPa;pm為煤的抗拉強度MPa;

很明顯，公式(1)考慮的因素太簡單,很難全面反映煤柱的抗水能力。另外，采用了煤體的抗拉強度,相對于頂底板巖石來說,其抗拉強度是比較小；但最小的抗拉強度不是煤體本身,而是煤體與頂底板接觸的層界面。

2.2水文地質復雜型到極復雜型防水煤(巖)柱計算

對于水文地質復雜型到極復雜型防水煤(巖)柱的計算參考圖2并按下列公式計算。

圖2　相鄰礦井邊界防水煤(巖)柱Fig.2　Waterproof coal (rock) pillar between adjacent mines

(2)

(3)

式中:L1,L2為部分邊界煤柱的寬度,m;hm為冒裂帶的高度,m;hw為靜水位的高度,m;δ1,δ2為巖移塌陷邊與煤層交角，(°);Ts為突水系數,MPa/m。

以上幾種計算公式存在如下缺陷。

1)公式(2)冒裂帶高度hm的計算是按照文獻[6]中的經驗公式計算的,考慮的主要因素有開采煤層的厚度、傾角、頂板管理方法、頂板巖性及其飽和單軸抗壓強度。首先頂板通常為復合頂板,其巖性和單軸抗壓強度的選擇沒有明確的規定；二是沒有考慮水對頂板巖層物理力學的影響,由于水的存在,煤巖體軟化,其強度降低,冒裂帶高度有所增加,抗水能力要降低。

2)公式(2)中的突水系數Ts是水壓與有效隔水層厚度的比值,是帶壓開采底板突水性能判別的一個判據。不同的礦區,判斷突水可能性的Ts值是不同的。另外對于煤層底板,水壓的作用方向與煤層底板的層理垂直,而防水煤巖柱的水壓作用方向與煤巖層的層理平行,順層理的強度與垂直層理的強度是不同的；所以這里直接引用突水系數是不妥的,何況安全的突水系數值是來源于各礦的經驗值。

2.3考慮煤柱自身破壞和導水裂隙帶煤柱寬度的計算

公式(1)和(3)是目前常用的計算礦界防水煤柱的計算公式,也是《煤礦防治水規定》中使用的計算方法。針對其存在的缺陷,文獻[7]提出了考慮煤柱自身破壞和導水裂隙帶煤柱寬度的計算方法,其原理見圖3所示。計算步驟如下。

1) 根據極限平衡理論,計算極限平衡區的寬度b0;

2) 單獨考慮彈性區煤柱沿頂、底板整體推移破壞時的彈性區煤柱寬度L1;

3) 根據屈服破壞理論求出在水壓作用下,彈性區煤體發生內部破壞時的臨界煤柱寬度L2;

4) 根據滲流速度超限導致彈性區阻水失效即滲流破壞時的彈性區臨界尺寸L3;

5) 取L1，L2，L3的最大值L;

6) 最終防水煤柱寬度為:B=2b0+L.

當考慮頂板爬水即冒裂帶導水時(見圖3),其煤柱寬度的計算可根據導水裂隙帶的分布形態計算裂隙帶深入煤柱覆巖的深度b和巖柱寬度Ly,得防水煤柱寬度為:B=2(b+b0)+Ly.

圖3　防止頂板爬水時煤柱的留設Fig.3　Schematic diagram of coal pillar of preventing water climbing roof

本計算方法重點考慮了煤柱的抗滲透能力,一般來說,煤體的滲透能力要高于其頂板巖體的滲透能力。以煤體的抗滲透能力為條件計算出的煤柱寬度應該是比較安全的,但這種計算原理及方法并未考慮上覆巖層的原始滲透性。另一方面,由于開采的擾動，其上覆巖層的滲透性可能發生變化；同時巖層的物理力學特性在壓力水的作用下也會發生變化,這些因素對防水煤(巖)柱的阻水能力有重要的影響。基于此,筆者提出以下防水煤柱留設的計算方法。

3基于阻水能力的防水煤(巖)柱留設

3.1防水煤柱留設考慮的主要因素

以近水平煤層的礦界邊界防水煤柱留設為研究對象,其防水煤柱留設示意圖見圖4。根據圖1所示邊界圍巖的受力及其變形破壞狀態可知,影響煤(巖)柱留設的主要因素有:開采煤層的賦存特征及其物理力學性質;邊界圍巖的受力特征;邊界圍巖的破壞特征；邊界圍巖的阻水能力及老空區的水壓。

3.2防水煤柱的組成

由圖4的近水平煤層的礦界防水煤(巖)柱示意圖可知,防水煤(巖)柱由3部分組成,即煤層屈服段b0、考慮冒裂帶高度hm影響的b段及能夠抵抗滲透的巖柱寬度Ly。

3.2.1極限平衡區屈服段b0的計算

極限平衡理論b0的計算公式[7]為:

(4)

式中: d,C, φ為煤層的厚度、內黏結力和內摩擦角;γ,H為覆巖的平均容重和開采深度; f,k為煤層與頂底板間的摩擦系數和煤柱彈塑性交界處的應力集中系數;λ為參數,λ=(1+sinφ)/(1-sinφ) .

圖4　防水煤柱留設示意圖Fig.4　Schematic diagram of waterproof coal pillar

3.2.2考慮冒裂帶高度影響的b段計算

根據頂板巖層移動及冒裂帶的高度,可求得

(5)

式中:hm為冒裂帶的高度,m;δ為巖移塌陷邊與煤層交角,一般δ=700。

冒裂帶的高度可根據文獻[6]中的經驗公式計算,當煤層傾角小于54°時,其一般表達式為:

(6)

式中:d為開采煤層的厚度,m;δ為煤層分成厚度,m;a,e,c為系數,可根據巖層的巖性及其飽和強度進行選取。

3.2.3考慮巖層阻水能力時的巖柱寬度Ly的計算

巖柱的阻水能力通常用阻水系數來表示,是真實反映巖層平均阻水能力的指標,是水體上采煤和安全煤巖柱留設的重要參數,可通過現場鉆孔的水力壓裂試驗獲得,其表達式為[4]:

(7)

式中:Z為阻水系數,MPa/m; R為裂縫擴展半徑,一般取40～50m;pb為與地應力和巖體抗拉強度有關的巖體破裂壓力,MPa。可見，只要測出巖體破裂壓力pb,就可計算出Ly。巖體水力壓裂pb在實驗室進行測定,其詳細的測定方法參見文獻[4]。

由公式(7)可知,阻水巖柱的寬度Ly可表示為:

(8)

式中:pw為作用于煤(巖)上的水壓力,MPa;λ為安全修正系數,取0.5。

綜合式(4)-式(8)可得考慮煤(巖)柱阻水能力的防水留設計算公式為:

(9)

4基于阻水能力的防水煤(巖)柱留設計算方法討論

公式(9)與以往公式的不同之處,在于該計算式考慮了邊界煤柱b0段。由于其在開采期受高應力集中已壓壞,根本起不到防水的能力,所以計算有效隔水能力時應減去這部分煤柱的寬度;隔水巖柱的計算采用了阻水系數,而阻水系數可通過室內實驗或現場試驗容易獲得,避免了采用突水系數的經驗值。因突水系數是一個根據現場實際情況計算出的值,但安全的突水系數值是無法計算的,也是無法通過實驗獲得的,只能靠突水礦區的經驗值作為判斷安全與否的標準,這與工程實際有一定的出入。公式(9)中的b段的計算方法沿用了以往的計算方法,本文是以近水平煤層為例研究的,對于傾斜及上下位煤層開采時,其冒裂帶的計算要按文獻[6]進行調整。公式(9)同樣未考慮煤(巖)的吸水軟化及滲透對煤(巖)柱的影響,煤(巖)的吸水軟化在某種程度上只是降低了其強度,在整體結構不破壞的情況下,其抗滲透的能力一般情況是增加的；也即軟化使得其內部的孔隙、裂隙等滲透通道閉合,阻止水的進一步滲透。但煤(巖)柱的滲透是不容忽視的,隨著時間的延長，滲透通道會逐步增大,滲透能力也逐步提高,最終會導致煤(巖)柱失穩破壞,這個過程相對來說是緩慢的,影響因素也是眾多的,這方面的問題將是今后重點研究的對象。

5結束語

本文在老空區邊界圍巖受力特征及其破壞狀態的基礎上,分析了老空區邊界圍巖的阻水特性,探討了目前邊界防水煤柱計算方法存在的缺陷,提出了基于阻水能力的防水煤(巖)柱留設計算方法。該方法采用了阻水系數,其值可在現場或實驗室通過試驗獲得,更接近于實際情況,避免了臨界突水系數經驗值選擇不當帶來的誤差。該計算方法不僅可用于礦間防水煤柱的留設,同時還可用于采區間及工作面間防水煤柱的留設。該計算方法存在的問題是未考慮煤(巖)的長時滲透對煤(巖)柱的影響,這將是后續重點研究的對象。

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(編輯：龐富祥)

Study on the Boundary Waterproof Coal(rock) Pillar of Old Goaf

HU Jiaoqi1,HU Yaoqing2

(1.ShanxiProvincialWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Taiyuan030024,China;2.InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract:Based on the stress characteristics and failure state of surrounding rock, the paper analyzes the characteristics of water resistance and the main influence factors of the boundary surrounding rock, and discusses the existing defects of current calculation formula of the boundary waterproof coal (rock).Based on water resistance capacity,a new calculation formula of the waterproof coal (rock) pillar is put forward to avoid the errors caused by the improper choice of water inrush coefficient in the past. The formula can provide more accurate calculation method for the design of boundary waterproof coal (rock) pillar and water drainage borehole layout. The calculation formula has important theoretical significance and application value.

Key words:boundary surrounding rock of old goaf;waterproof coal pillar;water resistance coefficient;fracture zone；water inrush coefficient

文章編號:1007-9432(2016)02-0178-05

*收稿日期：2015-10-26

基金項目：國家自然科學基金資助項目： 高溫高壓作用下花崗巖人工儲留層再破裂機理及其規律研究(51574173)

作者簡介：胡絞臍(1963-)，男，內蒙豐鎮人，高級工程師，主要從事水文地質勘察工作，(E-mail)1034400648@qq.com

中圖分類號:TD822.3;TD325.3

文獻標識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.011