閉坑礦井積水對鄰近生產礦井的影響

郝紅俊，翟曉榮，胡儒，龐瑤，黃楷，吳基文

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著中國大量小型礦山淺部資源逐漸枯竭、能源供給側結構性改革和淘汰落后產能政策實施及礦山準入門檻提高等，眾多不符合國家安全與環境標準的礦山企業關閉[1]。大量礦井閉坑將導致一系列水文地質效應[2-3]，如地下水位上升、水質污染等。隨著地下水位不斷升高，地下水可能對礦界隔離煤柱產生破壞作用，導致廢棄礦井空間積水直接破壞煤柱并進入鄰近生產礦井，造成工作面涌水異常增大，從而形成突水事故[4]。近年來已發生多起重大老空水透水事故[5-8]，主要原因是在閉坑礦井積水浸泡下的煤柱強度發生變化，引起煤柱失效。因此，研究閉坑礦井積水和礦界煤柱安全留設問題對鄰近礦井安全生產具有重要指導意義。

關于閉坑礦井積水和礦界煤柱安全留設問題，國內外學者開展了大量研究工作。羅立平[9]通過數值模擬分析得出了采空區無水、實際充水、充滿水時不同防水煤柱寬度對工作面開采頂底板巖層破壞的影響。周建軍[10]通過建立典型廢棄礦井理論模型，分析了礦井間隔離煤柱組成及其所受側向支撐壓力，得出了隔離煤柱遭破壞的水壓計算公式。肖華等[11]從采空區積水壓力和酸性積水對煤柱強度綜合影響的角度，提出了礦界煤柱留設計算新方法。尹會永等[12]通過數值模擬分析得出了不同條件下煤層開采的應力分布、塑性區分布特征不同，邊界煤柱留設寬度也不同。李振魯等[13]通過分析老空區邊界煤柱圍巖受力特征及其破壞狀態、防隔水煤柱抵抗老空水靜水壓力的能力及掘進巷道兩幫圍巖破壞狀態等，提出了老空區側掘進巷道防隔水煤柱留設計算公式。張文斌等[14]以淮北兩相鄰煤礦為研究對象，采用數值模擬和理論計算結合的方法，對礦界煤柱安全性進行了評價并提出了防治措施。但是目前對礦界煤柱采動損傷后老空水位安全極限的研究還不全面。因此，筆者以淮北礦業集團朔石礦業東部井（簡稱朔石東部井）和淮北雙龍礦業有限責任公司（簡稱雙龍公司）兩相鄰礦井為研究對象，在對礦界煤柱采動損傷進行理論分析和數值模擬的基礎上，計算了老空水位安全極限，并基于伯努利方程及Darcy-Weisbach 管道流理論，計算了井下已有疏水鉆孔疏水能力，評價了安全性，最后提出了老空水防治措施。

1 研究區概況

雙龍公司和朔石東部井位于淮北煤田閘河礦區中段東翼，礦井兩側地層一致，都屬于華北型沉積區。含煤地層為石炭、二疊系地層，以二疊系下石盒子組為主；主采煤層為3 煤，局部可采2 煤和5 煤，上部被第四系松散層覆蓋。礦井水文地質類型為中等，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，大中型斷層較少。

雙龍公司位于朔石東部井南翼上部，其Ⅱ7 采區與朔石東部井Ⅱ1，Ⅲ1 采區相鄰，兩礦各留20 m 邊界煤柱，如圖1 所示。

圖1 研究區礦界位置Fig.1 Location of mine boundary in the study area

開采前，在朔石東部井黃莊石門巖巷內向雙龍公司Ⅱ3721 工作面采空區積水位置施工2 個探查預疏鉆孔，對雙龍公司老空水進行疏排。積水區最低點標高為-423 m，最大積水線標高為-397 m，老空水探查預疏鉆孔設計位置如圖2 所示。

圖2 雙龍公司老空水探查預疏鉆孔設計位置Fig.2 Design location of pre-drain borehole for goaf water exploration of Shuanglong Company

2 礦界煤柱采動損傷分析

2.1 理論計算

在煤體開挖形成煤柱后，由于采動影響，出現應力重新分布和應力集中現象，導致煤柱發生破壞，一般會在煤柱兩側形成一定寬度的采動損傷區，即屈服區，使整個煤柱在不同區域呈現不同的物性狀態[15]，如圖3 所示。其中，L為實際留設煤柱寬度，L0為彈性核區寬度，X0，X1為兩側屈服區寬度，K為應力集中系數，γ為上覆巖層平均密度，g為重力加速度，H為煤層埋深。

圖3 煤柱屈服區及彈性核區Fig.3 Yield zone and elastic core zone of coal pillar

受采動影響，煤柱的屈服區內存在大量次生采動裂隙，煤層的滲透能力大大增加，該區域的阻水能力急劇下降。但是由于彈性核區受屈服區的包裹及約束，該區域的煤柱強度反而顯著增大。出于安全考慮，認為煤柱中真實隔水的區域僅為彈性核區。

根據極限平衡理論計算屈服區寬度：

式中：M為煤層厚度，m；f為煤層頂底板之間的摩擦因數；λ為三軸壓力系數；c為煤層黏聚力，Pa；φ為煤層內摩擦角，（°）。

雙龍公司Ⅱ3721 工作面附近煤層平均埋深約為400 m，朔石東部井Ⅱ3123 工作面平均埋深約為450 m，煤層厚度約為3 m；煤層黏聚力和內摩擦角分別為0.6 MPa 和25°，則λ=（1+sinφ）/（1-sinφ）=2.5，f=（tanφ）/4=0.116；根據數值模擬結果，K取3；γ=2.86 t/m3。將上述數值代入式（1），得到雙龍公司采空區一側屈服區寬度X0為8.78 m，朔石東部井一側屈服區寬度X1為9.31 m，礦界煤柱損傷寬度為18.09 m。

2.2 數值模擬分析

2.2.1 模型建立

為了研究礦界兩側附近工作面回采對礦界煤柱的影響，以雙龍公司Ⅱ3721 工作面和朔石東部井Ⅱ3123 工作面為模擬對象建立三維數值模型。其中雙龍公司Ⅱ3721 工作面寬度為130 m，標高為-383～-438 m；朔石東部井Ⅱ3123 工作面寬度為150 m，平均標高為-450 m。頂板采用自由垮落方式管理。煤層傾角約為25°，研究區3 煤平均煤層厚度為3 m，模型中地層組合以朔石東部井2-3 鉆孔地層柱狀圖（圖4）為依據。

圖4 2-3 鉆孔地層柱狀簡圖Fig.4 Column diagram of 2-3 borehole formation

研究區三維模型如圖5 所示，模型長400 m，寬250 m，高305 m，共1 291 212 個節點、1 235 000 個單元。對礦界煤柱進行加密處理，加密處網格為1 m×1 m×1 m 的立方體。

圖5 研究區三維模型Fig.5 3D model of the study area

三維模型中各煤巖層參數見表1。模型邊界條件設置：底部全固定；前后左右邊界施加水平方向限制；頂部為自由邊界；通過施加面力代替模型未能模擬到的巖層及上部松散層。根據開采先后順序，首先模擬雙龍公司Ⅱ3721 工作面回采，回采結束后，再模擬朔石東部井Ⅱ3123 工作面回采。設置工作面開采時頂板初次來壓步距為30 m，周期來壓步距為20 m，沿煤層走向推進90 m，破壞判據采用莫爾-庫侖理論。

表1 三維模型中各煤巖層參數Table 1 Parameters of each rock layer in 3D model

2.2.2 數值模擬結果分析

（1）雙龍公司Ⅱ3721 工作面回采數值模擬結果如圖6 所示。從圖6（a）、圖6（c）可看出，隨著工作面推進，頂板塑性破壞形式均為“馬鞍形”，頂板破壞類型主要是剪切破壞和剪切-拉伸破壞。當工作面推進至頂板初始來壓時，即工作面推進30 m 時，垮落帶高度為4 m，工作面上端導水裂隙帶高度為6 m；工作面推進90 m 時，垮落帶和導水裂隙帶高度都明顯增大，分別為10 m 和35 m。當工作面推進30 m時，工作面兩幫出現了明顯的超前塑性破壞，塑性破壞寬度為9 m，在之后的推進過程中，塑性破壞寬度基本穩定在9 m。從圖6（b）、圖6（d）可看出：在工作面回采過程中，由于采空區的存在，在頂底板一定深度內出現明顯的卸壓現象，采空區卸壓區近似呈對稱分布；由于支承應力的作用，工作面兩端形成了明顯的應力集中區。當工作面推進30 m 時，煤柱處應力集中系數為1.81，而回采結束時應力集中系數增大至2.23。

圖6 Ⅱ3721 工作面回采數值模擬結果Fig.6 Numerical simulation results of Ⅱ3721 working face mining

（2）朔石東部井Ⅱ3123 工作面回采數值模擬結果如圖7 所示。從圖7（a）、圖7（c）可看出，朔石東部井Ⅱ3123 工作面回采過程中圍巖塑性破壞形態與雙龍公司Ⅱ3721 工作面基本相同，頂板均呈“馬鞍形”破壞形式。但隨著推進步距增加，塑性區不斷發展，當工作面推進90 m 時，工作面煤柱超前塑性區10 m，此時受二次開采擾動影響，工作面上端煤柱處最大垮落帶高度達到10 m，最大導水裂隙帶高度達到47 m。由塑性破壞特征可看出，此時兩側煤柱塑性破壞區總寬度約為19 m，留設的40 m 礦界煤柱未完全塑性破壞，煤柱仍具有一定阻隔水能力。從圖7（b）、圖7（d）可看出，隨著朔石東部井Ⅱ3123 工作面開始回采，雙龍公司Ⅱ3721 工作面采空區頂板壓實，應力開始回升，但煤柱處應力集中程度增加，推進30 m 時最大應力集中系數為1.90，推進90 m 時應力集中系數增大至2.56。受兩側工作面回采共同影響，煤柱處于明顯的應力集中區，但留設煤柱未完全破壞。

圖7 Ⅱ3123 工作面回采數值模擬結果Fig.7 Numerical simulation results of Ⅱ3123 working face mining

上述研究表明，Ⅱ3721 工作面與Ⅱ3123 工作面相鄰區域的有效煤柱寬度約為21 m，煤柱仍有一定阻隔水能力，數值模擬結果與理論計算結果基本一致。

3 煤柱抗水壓能力計算

根據《煤礦防治水細則》，在水淹區或老窯積水區下同一煤層中開采時，若水淹區或老窯積水區的邊界已基本查明，則防隔水煤（巖）柱尺寸應按規定留設。防隔水煤（巖）柱寬度為[16]

式中：p為水壓，MPa；R為煤的抗拉強度，MPa。

考慮采動損傷，取煤柱寬度為21 m，K為5，3 煤厚度為3 m；考慮閉坑礦井積水對煤的抗拉強度的影響，取抗拉強度為0.13 MPa[11]；根據式（2）可求得目前礦界煤柱所能承受的最大水壓為0.33 MPa，即水位差為33 m。

朔石東部井Ⅱ3123 工作面進風巷最低點標高為-431 m，可反推出最大積水線標高為-398 m，即朔石東部井Ⅱ1 采區積水線標高達到-398 m 時存在老空水威脅。當前留設的寬40 m 的煤柱不能保證安全。

4 疏水鉆孔疏水量計算和安全性評價

4.1 疏水鉆孔疏水量計算

在朔石東部井Ⅲ總回風巷黃莊石門附近向雙龍公司施工2 個井下疏水鉆孔，對開采前雙龍公司Ⅱ7 采區老空水進行疏排。在之后的開采過程中，朔石東部井先行閉坑，閉坑后停止抽排地下水，隨著老空水位回升，地下水可通過疏水鉆孔反補雙龍公司，因此，需分析鉆孔疏水量隨水位回升的變化情況。

根據伯努利方程及Darcy-Weisbach 管道流理論，鉆孔疏水量為式中：D為鉆孔直徑，m；h為工作面最低點到老空水位的高度，即水位差，m；T為沿程阻力系數；I為鉆孔深度，m。

井下疏水鉆孔實際參數：鉆孔直徑為0.075 m，2 號鉆孔深度為75 m，1 號鉆孔深度為71 m，沿程阻力系數為0.03，終孔標高約為-410 m。根據上述參數可求出不同水位差條件下疏水鉆孔疏水量，如圖8所示。根據煤柱抗水壓能力計算結果，當朔石東部井水位回升至-398 m 時，水位差為12 m，計算得1 號鉆孔疏水量約為45 m3/h，2 號鉆孔疏水量約為44 m3/h，總疏水量約為89 m3/h。

圖8 疏水鉆孔單孔疏水量Fig.8 Water inflow per hole of hydrophobic drilling

4.2 朔石東部井閉坑后礦井涌水量確定

實際監測結果顯示，朔石東部井三水平最大涌水量為23 m3/h，二水平最大涌水量為32 m3/h，一水平正常涌水量為10 m3/h，周邊小煤礦閉坑老空水涌水量為100 m3/h 左右，由此估算出朔石東部井閉坑礦井最大涌水量為160 m3/h。

4.3 安全性評價

經計算，2 個鉆孔的總疏水量約為89 m3/h，而朔石東部井閉坑后的涌水量約為160 m3/h，鉆孔疏水量小于閉坑涌水量，即水位回升至極限標高后，水位仍將持續回升，直至超過煤柱所能承受的極限水位，存在老空水害威脅，需要采取水害防治措施。

5 結論

（1）對雙龍公司和朔石東部井礦界煤柱采動損傷進行數值模擬，得出煤柱塑性破壞區寬度為19 m，礦界煤柱仍然具備一定阻隔水能力。數值模擬結果與理論計算結果基本一致。

（2）通過計算求得礦界煤柱所能承受的最大水壓為0.33 MPa，即水位差為33 m。朔石東部井先于雙龍公司閉坑，而朔石東部井Ⅱ3123 工作面進風巷最低點標高為-431 m，可反推出最大積水線標高為-398 m，即在朔石東部井Ⅱ1 采區閉坑后，積水線標高達到-398 m 時，存在通過兩疏水鉆孔過水至雙龍公司并造成老空水害的可能。當前留設的寬40 m的煤柱不能保證安全。

（3）根據煤柱抗水壓能力計算結果，當朔石東部井水位回升至-398 m 時，水位差為12 m，計算得1 號鉆孔疏水量約為45 m3/h，2 號鉆孔疏水量約為44 m3/h，總疏水量約為89 m3/h。而朔石東部井的涌水量約為160 m3/h，大于2 個鉆孔的總疏水量，因此需采取增補鉆孔、擴大孔徑等措施來預防老空水害。