采空區積水對隔水煤柱的影響及留設實踐

徐永飛

（山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司，山西 臨汾 042405）

引言

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

留設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、需保護的含水鉆孔及井田邊界都需要留設防隔水煤柱。但由于礦山地質條件普遍較為復雜，如果對本礦及相鄰礦井的資料掌握不準確很容易造成煤柱留設的不合理，未能起到有效隔水作用[3-4]。針對這一問題，本文總結了煤柱留設后的形變規律，基于研究區水文地質條件分析，根據經驗公式對煤壁、底板的破壞程度進行了研究計算，探究預留設的邊界防水煤柱寬度是否滿足安全開采要求。

1 采空區積水浸泡防水煤柱后的力學分析

采空區的積水長時間的浸泡會使煤柱產生一定的塑性形變，煤柱力學性質的影響主要為煤的水化作用，主要分為以下兩點：

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部，煤質表面附著水分子后將會削弱煤顆粒間的聯系，使得煤柱出現疏松現象。

2）力學作用。積水侵入煤塊后會在煤礦裂隙中產生水壓，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；此外煤塊的抗剪強度也會在變形中收到破壞，煤礦整體強度受損。

因此為合理留設防隔水煤柱，將充分考慮到積水對煤柱長期的浸泡影響，充分發揮煤柱作用。為研究煤柱與采空區積水之間接觸時長與變形規律，設計了煤塊浸泡試驗，主要目的在于對煤塊抗壓強度進行觀察。在3 號煤層中選取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行50 日的浸泡試驗。

煤樣浸泡試驗結果如圖1 所示，煤柱致裂強度測試成果表明：三組煤塊試驗在前20 d 力學強度下降明顯，隨后進入平穩期；煤樣的力學抗壓性能隨著煤柱直徑的增加而提高；三組煤樣的力學抗壓強度較浸泡前降低了20%～30%左右。隨著煤柱預留寬度的提高，抗壓強度的變化范圍還將進一步減小，預計最高不超過10%。

圖1 煤樣浸泡50 d 后抗壓強度的變化

2 工程實例

2.1 寶欣礦區主采煤層采空區信息

寶欣煤業位于臨汾古縣，據調查，在2012 年對目前開采的3 號煤層進行了物探，如下頁圖2 所示，共發現有兩處采空區，采空面積大約177 985 m2，積水量為118 433 m3，煤層頂板富水區3 處，頂板富水區總面積81 986.8 m2。2 個采空區異常中①號采空區基本都充水，充水總面積為64 102.8 m2；②號富水區面積為23 492.8 m2，③號富水區面積為28 244.1 m2，④號異常為已知采空區，（當時）東部有充水800 m3，圈定煤層頂板富水區3 處；⑤號富水區面積為30 249.9 m2，積水量114 462.0 m3。

圖2 初期物探資料圖

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

表1 3 號煤層采空積水區一覽表

2.2 相鄰礦井積水情況信息

寶欣煤業在3102 進風順槽向西有測點26 至測點28 煤層厚度逐漸變薄至不可采，再由測點28 至測點29 煤層厚度逐漸變厚至可采，經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有限公司形成的3 號煤層采空區，有6 處采空積水區，采空積水區面積為268 000 m2，積水量為106 518 m3。

3 老礦區老空積水區的煤壁及底板破壞性分析

泓翔煤業為寶欣礦的鄰近礦井，產能60 萬t/a，采用走向長壁后退式采煤法，開采2 號煤層，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備選用MD85-45×9 耐磨離心式水泵3 臺，單臺額定流量為85 m3/h，額定揚程為405 m。目前本礦有6 處采空積水區，采空積水區面積為268 000 m2，積水量為106 518 m3。該礦采空區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 采空區煤壁破壞分析

相鄰礦井老空積水的預測關鍵在于對煤壁破壞程度和底板破壞程度的研究，再根據破壞程度計算圍巖受損程度，作為計算隔水煤（巖）尺寸的基礎數據。根據物探資料，相關數據取值見表2。

煤壁破壞程度的計算主要根據表2 參數，帶入公式（1）中分別基于摩爾庫倫準則和塑性力學理論對井下巷道推導出的經驗公式[5-6]，本文選取式（2）～式（3）計算結果的平均值，即7.46 m。

表2 采空區煤壁及底板破壞特征計算數據

式中：lgp為煤壁塑性破壞深度，m；H 為煤層埋深，m；F為經驗值；γ 為煤巖體容重；Lx為工作面與煤柱半寬，m；Rc為煤巖體抗壓強度，MPa。

3.2 采空區底板破壞深度計算

對于采空區底板導水破壞深度，本文將根據式（4）～式（7）進行計算，選取最大值作為評估依據。結合表2中的相關參數計算得出h1最大值為14.5 m。

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

3 號煤開采工作面安全隔水厚度為38 m，則保護帶高度為：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%），最終將保護煤柱寬度合理確定為41.8 m，保證開采的安全性。

4 結語

1）在寶欣礦開展了針對采空區積水對煤柱影響的力學試驗，煤塊試驗在前20 d 力學強度下降明顯，隨后進入平穩期，最終影響程度約為20%～30%，按實際煤柱留設寬度進行計算，影響可控制在10%以內。

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