采空區(qū)積水腐蝕下對防隔水煤柱留設(shè)的影響

崔 雅

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048407）

我國煤礦的水文地質(zhì)條件大多較為復(fù)雜，井下煤炭資源在開采完畢后，會留下大面積的采空區(qū)，有可能出現(xiàn)積水情況，嚴(yán)重的將會對礦井產(chǎn)生水害威脅[1]。對此，煤礦為了預(yù)防采空區(qū)水害的影響普遍將在采空區(qū)設(shè)置防隔水煤柱[2]。

防隔水煤柱雖然一定程度上降低了礦井水害所帶來的困擾。但相關(guān)文獻(xiàn)顯示，部分礦井粗放型的防水煤柱留設(shè)不僅會造成煤炭資源的浪費，還會影響巷道工程造成生產(chǎn)接續(xù)緊張、煤炭產(chǎn)量降低[3-4]。唐安煤礦采空積水區(qū)較多，煤柱長時間受水浸泡可能會導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)，因此針對本礦采空區(qū)防隔水煤柱寬度的合理留設(shè)是十分必要的。

1 井田采空區(qū)狀況

唐安煤礦位于晉城市高平，目前主要開采3#煤層，生產(chǎn)規(guī)模150×104t/a，開采深度由870～510m標(biāo)高，井田面積為24.7km2，屬于大型礦井。

根據(jù)唐安煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告顯示，目前所開采的3#煤層共有20余處積水區(qū)，總積水量50.3×104m3。其中三盤區(qū)共有2 處積水區(qū)，總積水量3.67×104m3；二盤區(qū)有7 處采空積水區(qū)與三盤區(qū)相鄰，總積水量1.63×104m3；四盤區(qū)有5處采空積水區(qū)與三盤區(qū)相鄰，總積水量2.8×104m3。都已完成了防隔水煤柱的留設(shè)。

另外三號煤層一盤區(qū)存在3處積水區(qū)，且存有大量的采空區(qū)積水，其中：東北部積水量2.9×104m3，西北部積水量9.6×104m3、中西部積水量5.2×104m3，礦井受采空區(qū)積水影響較為嚴(yán)重，目前需要對這三處進(jìn)行防隔水煤柱的留設(shè)計算。

2 采空區(qū)積水煤巖柱浸泡試驗

隨著采空區(qū)封閉時間的推移，積水水位將逐步升高，而積水中雜質(zhì)對防水煤柱的腐蝕性逐漸加強(qiáng)，煤柱在積水的浸泡中穩(wěn)定性也將受損。筆者選用唐安礦3#煤層中的煤樣并制成不同寬度的煤柱試樣，并取不同采空區(qū)位置的積水溶液，對浸泡期內(nèi)煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測研究。

2.1 煤的取樣及加工

筆者在唐安煤礦3#煤層3306工作面選擇直徑不小于15cm且沒有明顯裂隙紋路、表層節(jié)理的煤塊進(jìn)行試驗，煤樣共計50kg。為避免煤塊在搬運、轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生破損，導(dǎo)致煤體破損，礦物質(zhì)損失，將煤塊用保鮮膜逐一包裹密封，并用鐵質(zhì)容器收裝，并在容器內(nèi)墊放軟質(zhì)泡沫防止碰撞。當(dāng)煤塊對照ISRM 標(biāo)準(zhǔn)使用SC-300型自動取芯機(jī)對煤樣試件進(jìn)行加工處理。另外取3#煤層一盤區(qū)不同地點的采空積水各50L，用于煤樣的浸泡試驗。

2.2 試驗樣品的制備

通過SC-300 型自動取芯機(jī)，制備高度均為10cm，直徑為50cm、30cm的煤柱試樣各5組，記作煤樣1號、2號，分別用于單軸壓縮破壞試驗和內(nèi)應(yīng)力剪切破壞試驗，通過不同寬度的煤柱體在不同積水溶液中浸泡，觀察煤柱變形情況判斷煤柱體內(nèi)部的穩(wěn)定性。

2.3 實驗過程

試驗的重點是觀察煤柱試樣在相同礦井水壓作用下，不同侵蝕性溶液、不同浸泡時間條件下煤柱試樣強(qiáng)度的軟化變形。通過對采空區(qū)積水原液的檢測，兩種采空區(qū)積水水質(zhì)的pH值分別為3.5和6.5，分別記作溶液A、B。試驗浸泡壓力值設(shè)置為1.0MPa，浸泡天數(shù)共計40d。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 浸水煤樣單軸壓縮試驗結(jié)果與分析

如圖1 所示，以1 號煤柱試樣為例，在浸泡過程中每間隔10d對煤樣表面進(jìn)行一次拍照記錄。可以看出，煤柱試樣在前10d的浸泡中并無裂紋產(chǎn)生，20d時隨著試樣所受的軸向壓力不斷增大，煤樣頂端和底部開始出現(xiàn)細(xì)微裂痕，并開始向內(nèi)部發(fā)育；第30d時增加頂?shù)撞糠值牧鸭y發(fā)育完全成熟，煤樣基本被裂隙貫穿；第40d 時，隨著主裂隙的不斷發(fā)育，煤樣承載能力繼續(xù)下降，煤樣表面出現(xiàn)煤體的脫落。

圖1 煤樣壓縮全應(yīng)力示意圖

圖2 表示不同浸泡時間下，煤樣單軸抗壓能力的變化曲線，表1為各點的記錄值。可以看出的是，不同pH值的采空區(qū)積水溶液內(nèi)，煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先快速減小再緩慢穩(wěn)定的變化趨勢。圖2（a）為1號煤柱試樣、圖2（b）為2號煤柱試樣，分別浸泡在A、B兩種溶液中，可以看出煤柱寬度越強(qiáng)，則初始抗壓能力越強(qiáng)，并在前20d內(nèi)快速降低，30d以后變化趨于穩(wěn)定；其次pH 值越低的溶液對煤柱的抗壓能力的降低影響更大，最終1號煤樣的抗拉強(qiáng)度在A、B兩種溶液中分別降低到6.15和6.36；2號煤樣分別降低到12和13.6。

表1 煤柱單軸抗壓能力的變化數(shù)據(jù)表

圖2 單軸抗壓能力的變化曲線圖

3.2 內(nèi)應(yīng)力剪切破壞試驗

圖3 以30cm 寬煤柱為例，通過內(nèi)應(yīng)力剪切破壞試驗得到的浸水煤樣抗拉強(qiáng)度變化曲線，表2為各點的記錄值。由圖中可以看出煤柱抗拉強(qiáng)度隨浸泡時間呈逐步下降的趨勢，并在前20d抗拉強(qiáng)度降低明顯，且pH值越低的溶液，抗拉強(qiáng)度最終的穩(wěn)定值也越低。另外1、2號兩種寬度的煤柱在初期抗拉強(qiáng)度幾乎相同，約為1.4MPa，1 號煤樣在A、B 兩種溶液中浸泡40d 后，最終穩(wěn)定在0.3，2號，約為浸泡之前干煤樣的30%。

表2 煤柱內(nèi)應(yīng)力剪切破壞表

圖3 煤柱內(nèi)應(yīng)力剪切破壞趨勢圖

3.3 校正系數(shù)

從兩個試驗中看到，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度和內(nèi)應(yīng)力剪切破壞程度隨浸泡時間而降低，分析原因認(rèn)為，積水溶液對煤體顆粒存在潤滑腐蝕作用，降低了顆粒之間的粘結(jié)力，同時煤體中的礦物質(zhì)吸水膨脹，使得煤體外部的結(jié)塊脫落。因此筆者對單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉應(yīng)力的計算引入了軟化系數(shù)進(jìn)行計算。

假設(shè)煤樣抗拉強(qiáng)度與單軸抗拉應(yīng)力的浸泡時間的函數(shù)關(guān)系為：

τ=aT3+bT2+cT+d

式中：τ——耦合系數(shù)；

T——天數(shù)。

經(jīng)函數(shù)關(guān)系的耦合，浸泡煤樣抗壓強(qiáng)度與浸泡時間關(guān)系擬合式為公式（1）：

浸泡煤樣內(nèi)應(yīng)力剪切破壞與浸泡時間關(guān)系擬合為公式（2）：

由于本次試驗條件有限，無法將所有寬度煤樣、采空區(qū)積水pH 值考慮進(jìn)去，根據(jù)現(xiàn)有實驗結(jié)果，基本可以默認(rèn)浸泡時長達(dá)到40d時煤柱各項指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定，因此將時間T設(shè)為40d，計算得到煤樣單軸抗壓系數(shù)結(jié)果為0.64，內(nèi)應(yīng)力剪切破壞系數(shù)為2.4。

4 采空積水區(qū)煤柱留設(shè)

根據(jù)唐安煤礦3號煤層地質(zhì)條件，煤層井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，無巖漿活動，無煤層風(fēng)氧化帶。為防止采區(qū)生產(chǎn)的相互影響，避免某一采區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)、水災(zāi)和瓦斯等災(zāi)害事故蔓延擴(kuò)散到相鄰采區(qū)、并防止相鄰采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的互相影響，避免相鄰采區(qū)的采空區(qū)漏風(fēng)，在采區(qū)邊界兩側(cè)各留有10m的隔離煤柱，及采區(qū)邊界煤柱。

井田3號煤層三盤區(qū)與二、四盤區(qū)采空區(qū)最小距離為50m，本設(shè)計采區(qū)煤柱按20m 留設(shè)（兩側(cè)各留設(shè)10m），總寬度不小于20m。

4.1 采空積水區(qū)煤柱寬度計算

防隔水煤柱的留設(shè)是保障礦井安全生產(chǎn)的重要措施之一。在留設(shè)防隔水煤柱時，煤層物理力學(xué)強(qiáng)度的大小直接影響煤柱留設(shè)的尺寸。采空區(qū)防隔水煤柱的留設(shè)按照《煤礦防治水細(xì)則》中側(cè)向靜水壓力下防隔水煤柱寬度計算公式計算，即公式（3）:

式中：L——煤柱留設(shè)寬度，m；

k——安全系數(shù)，取3；

M——煤層高度，取6.76m；P——最大靜水壓，MPa；

kp——煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

對此筆者考慮本礦采空積水長期的侵蝕導(dǎo)致煤柱穩(wěn)定性降低，對此引入了抗拉軟化強(qiáng)度的系數(shù)k和r，公式（3）修正為公式（4）：各煤柱經(jīng)過計算分別得：

一盤區(qū)西北部老窯積水區(qū)最大相對高差為110m，按照上述公式計算，防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力最大為P=110×9.8×10-3＝1.078（MPa）；根據(jù)公式（3）計算，應(yīng)當(dāng)留設(shè)的防隔水煤柱尺寸為40.4m，引入單軸抗壓系數(shù)和抗拉系數(shù)后，根據(jù)公式（4）計算防隔水煤柱尺寸應(yīng)當(dāng)按照45m留設(shè)。

一盤區(qū)中西部老窯積水區(qū)最大相對高差為42m，按照上述公式計算，防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力最大為P=42×9.8×10-3＝0.412（MPa）；根據(jù)公式（3）計算，應(yīng)當(dāng)留設(shè)的防隔水煤柱尺寸為21m，引入單軸抗壓系數(shù)和抗拉系數(shù)后，根據(jù)公式（4）計算防隔水煤柱尺寸應(yīng)當(dāng)按照25m留設(shè)。

一盤區(qū)東北部老窯積水區(qū)最大相對高差為23m，按照上述公式計算，防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力最大為P=23×9.8×10-3＝0.225（MPa）；根據(jù)公式（3）計算應(yīng)當(dāng)留設(shè)的防隔水煤柱尺寸為15.5m，此防隔水煤柱尺寸小于20m，按照規(guī)定應(yīng)當(dāng)按照20m留設(shè)。

4.2 水文觀測孔煤柱留設(shè)及建議

根據(jù)本礦水文地質(zhì)相關(guān)圖紙及水文鉆孔資料，目前唐安礦存在的水文觀測孔為SK1號孔。該鉆孔位于唐安煤礦工業(yè)場地火藥庫大門北側(cè)約60m，可以對煤柱留設(shè)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查。另外在三處采空區(qū)積水留設(shè)完成后，當(dāng)采、掘活動接近上述采空區(qū)附近時，還因?qū)ν瑢硬煽諈^(qū)積水進(jìn)行探放或采取有效的防治水措施。筆者在此建議礦方采掘前對工作面附近的采空區(qū)積水提前疏放，加強(qiáng)采空區(qū)地表的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地裂縫、地表塌陷區(qū)，應(yīng)立即組織力量回填、夯實，以免雨季洪水灌入井下，發(fā)生水災(zāi)事故。

5 結(jié)束語

通過對煤樣的浸泡試驗，觀察不同直徑的煤柱在不同pH 值采空區(qū)積水得到浸泡，分析實驗結(jié)果，擬合出了煤樣強(qiáng)度與浸水時間的函數(shù)關(guān)系，提出了煤柱新的計算方法，對唐安礦煤柱的留設(shè)引入了系數(shù)得出以下結(jié)論：

（1）煤柱的抗拉強(qiáng)度隨浸泡時間的長度而減弱，且pH值越低，則對煤柱穩(wěn)定性影響越大；

（2）為提高采空積水區(qū)內(nèi)煤柱的穩(wěn)定性，對抗拉系數(shù)進(jìn)行了耦合。

（3）在對一盤區(qū)三處防水煤柱進(jìn)行加寬后，分別由之前的40.4m和21m加寬到到15m和25m，為保證礦井安全進(jìn)一步提升做出了保障。

試驗雖未能完全揭示煤柱受采空區(qū)積水的腐蝕規(guī)律，但在對實際條件進(jìn)行模擬后，可以對防隔水煤柱的穩(wěn)定性評價以及留設(shè)煤巖柱計算公式的修正，對留設(shè)出安全穩(wěn)定的防隔水煤柱具有重要的工程意義。