楊村煤礦與田莊煤礦邊界永久隔離研究

楊 松，梁 兵

（1.山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590；2.內(nèi)蒙古同煤鄂爾多斯礦業(yè)投資有限公司 色連一號(hào)井，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017008）

兗礦集團(tuán)楊村煤礦采用立井單水平開拓，開拓布置方式采用分采區(qū)上下山聯(lián)合布置。3煤采用走向或傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，16上、17煤采用走向或傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法或炮采?，F(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)為四采區(qū)、六采區(qū)、十采區(qū)和三煤采區(qū)。其中六采區(qū)由于田莊煤礦越界開采，給楊村煤礦造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也帶來(lái)了重大的安全隱患。為了消除安全隱患，楊村煤礦需要與相鄰煤礦實(shí)施永久隔離方法。依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》以及《煤礦安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，對(duì)楊村煤礦與田莊煤礦邊界隔離進(jìn)行研究。

1 田莊煤礦越界開采基本情況

田莊煤礦在一采區(qū)北翼開采本礦井田邊界煤柱76.3 kt煤后，越界進(jìn)入兗礦集團(tuán)楊村煤礦境內(nèi)，開采楊村煤礦井田邊界煤柱70.3kt煤炭，采出楊村煤礦六采區(qū)上部（原八采區(qū)）煤炭479.2kt，累計(jì)越界開采面積0.24km2，越界開采煤量共計(jì)625.8kt。田莊煤礦界外開采共計(jì)5個(gè)小面，其中16層煤開采了3個(gè)工作面，分別為11610輔面、11609輔面和11610東輔面；17層煤開采了2個(gè)工作面，分別為11707東輔面和11707輔面。

2 井田邊界隔離設(shè)計(jì)方案

2.1 方案提出

根據(jù)有關(guān)規(guī)程和規(guī)定，結(jié)合田莊煤礦越界開采楊村煤礦資源的實(shí)際情況，現(xiàn)提出三種可能的邊界隔離方案。

方案一：留設(shè)防隔水煤（巖）柱；方案二：留小煤柱與澆筑防水墻；方案三：采空區(qū)注漿隔離。

2.2 邊界隔離方案的確定

（1）留設(shè)防隔水煤（巖）柱

①防隔水煤（巖）柱尺寸留設(shè)依據(jù)。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中防隔水煤（巖）柱留設(shè)的尺寸要求：“在水淹區(qū)下或老窯積水區(qū)下同一煤層中進(jìn)行開采時(shí)，若水淹區(qū)或老窯積水區(qū)的界線已基本查明，防隔水煤（巖）柱的尺寸應(yīng)當(dāng)按附錄2／3的規(guī)定留設(shè)”。附錄2／3對(duì)“含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)”規(guī)定如下〔1〕：

含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲海◣r）柱的留設(shè)可參照經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算

式中：L為煤柱留設(shè)的寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，MPa；Kp為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

②煤柱尺寸計(jì)算。楊村煤礦六采區(qū)上部可采及局部可采煤層分別為16上煤、17煤和18上煤，其中主采煤層為16上煤和17煤，16上煤和17煤平均厚度分別為1.32m和1.15m；計(jì)算時(shí)16上、17煤層厚度 M分別取1.32m和1.15m。

煤的抗拉強(qiáng)度Kp多在0.2～1.4MPa之間，計(jì)算時(shí)取0.8。安全系數(shù)K一般取2～5，計(jì)算時(shí)取3〔2〕。

將以上數(shù)據(jù)帶入公式（1），計(jì)算可得各煤層留設(shè)的煤巖柱寬度（見表1）。

表1 防隔水煤巖柱尺寸

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，防隔水煤（巖）柱按20m留設(shè)即可滿足有關(guān)規(guī)定的要求。但根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三“防隔水煤（巖）柱的尺寸要求”中有關(guān)規(guī)定：“相鄰礦（井）人為邊界防隔水煤（巖）柱的留設(shè)，水文地質(zhì)簡(jiǎn)單型到中等型的礦井，可采用垂直法留設(shè)，但總寬度不得小于40 m?！薄?〕

故方案一留防隔水煤（巖）柱尺寸為40m。

（2）方案二留小煤柱與澆筑防水墻

①防水墻布置方案。楊村煤礦在靠近田莊煤礦越界開采的采空區(qū)附近留較小的隔離煤柱，并進(jìn)行寬巷掘進(jìn)，然后沿巷道靠近采空區(qū)側(cè)澆筑混凝土防水墻〔3〕。掘巷前應(yīng)在井下實(shí)施探放水工程。防水墻布置方案見圖1。

圖1 防水墻布置方案

寬巷掘進(jìn)時(shí)，先按能滿足正規(guī)生產(chǎn)要求的巷道斷面掘進(jìn)一定長(zhǎng)度，再在巷道外幫部沿薄煤層進(jìn)行擴(kuò)巷。擴(kuò)巷寬度即為混凝土防水墻的寬度。

在澆筑混凝土墻以前，應(yīng)視煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度對(duì)圍巖采取加固措施。由楊村煤礦工程地質(zhì)條件可知：16上煤頂板為十下灰，致密堅(jiān)硬；17煤頂板為十一灰，橫向上常相變?yōu)榉凵皫r、砂質(zhì)泥巖或泥灰?guī)r，頂板穩(wěn)定性較差；兩煤層底板均為泥巖，遇水易膨脹，強(qiáng)度比較低。因此，在澆筑混凝土墻以前，應(yīng)對(duì)各煤層底板進(jìn)行加固處理。其中，17煤頂板應(yīng)視現(xiàn)場(chǎng)頂板情況確定是否需要加固。

混凝土澆筑段頂?shù)装寰蝈^桿且對(duì)稱布置，錨桿出露長(zhǎng)度應(yīng)較常規(guī)巷道段稍長(zhǎng)。墻體四周按常規(guī)砌護(hù)墻并進(jìn)行鋪底。

②防水墻設(shè)計(jì)及計(jì)算公式。直墻式防水墻設(shè)計(jì)原理為墻體的承載力與靜水壓力平衡，而承載力是混凝土與圍巖的粘結(jié)抗剪力及錨桿抗剪力之和〔4〕。直墻式防水墻受力見圖2。

圖2 直墻式防水墻受力示意

直墻式防水墻的截面近似于矩形截面，矩形截面的剪力強(qiáng)度條件τmax＜〔τ〕。由此可得τ≤〔τ〕，則抗剪力

式中：τmax為材料在橫力彎曲時(shí)的最大剪應(yīng)力，MPa；τ為材料在橫力彎曲時(shí)的容許剪應(yīng)力，MPa；〔τ〕為材料在橫力彎曲時(shí)的剪應(yīng)力，MPa；Q為材料在橫力彎曲時(shí)的剪力，kN；S〔τ〕為材料截面面積，m2；a為墻體長(zhǎng)度，m。

根據(jù)上述原理，混凝土與周邊圍巖的粘結(jié)剪應(yīng)力：

式中：S粘為混凝土與圍巖的粘結(jié)面積，m2；a為墻體長(zhǎng)度，m；b為墻體高度，m；δ為墻體（密閉）寬度，m；〔τ〕粘為混凝土與圍巖的容許粘結(jié)剪應(yīng)力，MPa。

同理可得錨桿的剪應(yīng)力：

式中：S錨為錨桿總截面面積，m2；L為錨桿縱橫距，m；S為錨桿橫截面積，m2；〔τ〕錨為錨桿的許用剪應(yīng)力，MPa；A錨為錨固面積，m2；a為墻體長(zhǎng)度，m。

靜水壓力均布于截面上的剪力為：

式中：入為超載系數(shù)，一般取1.2～1.3；P為靜水壓力，MPa；a為墻體長(zhǎng)度，m；b為墻體寬度，m。

根據(jù)設(shè)計(jì)原理

將公式2、3、4代入（5）得：

于是得防水墻厚度計(jì)算公式：

③防水墻參數(shù)確定。錨桿選用HRB335型，直徑為Φ20mm的螺紋鋼錨桿，則錨桿橫截面積S＝3.142x10－4m2，錨桿的許用剪應(yīng)力〔τ〕錨＝256.9MPa，錨桿間排距 L取0.8m，混凝土與圍巖的容許粘結(jié)剪應(yīng)力〔τ〕粘取0.22 MPa，超載系數(shù)λ取1.2?；炷翝仓r(shí)，每3m澆筑一次，因此混凝土墻體長(zhǎng)度a＝3m。靜水壓力P＝1.07 MPa。

對(duì)于16上煤、17煤，混凝土墻體高度b的取值分別為1.32m，1.15m。

將以上參數(shù)代入公式（7）得：

統(tǒng)一取混凝土墻寬度 為2m。

④混凝土牌號(hào)選擇。六采區(qū)上部地面標(biāo)高為＋40.58 m～＋42.31m，平均＋41.23m，煤層底板標(biāo)高?。?75，則埋藏深度 H＝175＋41.23＝216.23（m），在單一重力應(yīng)力場(chǎng)條件下，混凝土墻承受的壓力值為：

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，一般取2～3；r為上覆巖層平均重力密度，取27kN／m2；H為埋藏深度，m。

取K＝2.5，代入公式得：

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)混凝土極限強(qiáng)度的規(guī)定（見表2），選取混凝土牌號(hào)為C20。

表2 混凝土的容許應(yīng)力（MPa）

⑤隔離小煤柱尺寸選擇。根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，選取小煤柱尺寸為4m。

（3）采空區(qū)注漿隔離

采空區(qū)注漿隔離是指沿越界開采的采空區(qū)邊界布置注漿鉆孔并向采空區(qū)灌注水泥漿液以膠結(jié)采空區(qū)矸石，形成帷幕狀阻水體，從而截?cái)嗟叵滤?，達(dá)到防治水的目的〔5〕。該方案示意見圖3。

圖3 采空區(qū)注漿隔離示意

采用該方案可以只留設(shè)較小的永久隔離煤柱，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，選取小煤柱尺寸為4m。能保證有效阻水效果的水泥漿擴(kuò)散半徑為5～10m，即注漿區(qū)域?qū)挾葹?～10m，在采掘工程平面圖上量取的注漿區(qū)域長(zhǎng)度為1500 m，則注漿區(qū)域面積達(dá)7500～15000m2。但采用帷幕注漿隔離方案一般需要滿足以下幾個(gè)基本條件：過(guò)水?dāng)嗝妾M窄；具有不透水邊界；受注層具有良好的可灌注性；帷幕注漿工程實(shí)施后具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（4）邊界隔離方案選擇

①邊界隔離方案技術(shù)分析。由以上可以看出，方案三相比方案一要大大減少隔離煤柱的損失，提高煤炭資源的回收率，但可靠性較差，注漿工程量大；方案三較方案二所消耗的混凝土量要多，且不能保證整個(gè)注漿區(qū)域內(nèi)受注層有良好的可灌注性，因此該方案可靠性較差。故排除方案三。

②邊界隔離方案經(jīng)濟(jì)比較。經(jīng)上述技術(shù)分析排除了方案三，下面對(duì)方案一與方案二進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。

若按方案一，田莊煤礦與楊村煤礦的防隔水煤柱按40 m留設(shè)計(jì)算時(shí)，16上煤層留設(shè)煤柱的煤炭資源量為89.2 kt，17煤層留設(shè)煤柱的煤炭資源量為77.7kt，合計(jì)166.9 kt。

若按方案二，留設(shè)的隔離小煤柱尺寸為4m，總的煤柱資源量約為方案一煤柱總量的1／10，即16.7kt。混凝土墻的設(shè)計(jì)寬度為2m，16上煤、17煤澆筑混凝土墻時(shí)，每澆筑1m混凝土墻所需混凝土的質(zhì)量分別約為6.07t和5.29t。市場(chǎng)上C20牌號(hào)混凝土價(jià)格約400元／t，則混凝土墻造價(jià)約為（6.07＋5.29）×400×1251元＝568.45萬(wàn)元。

③方案一與方案二經(jīng)濟(jì)對(duì)比。由方案一與方案二經(jīng)濟(jì)分析可以知道，方案二較方案一多回收煤炭資源150.2 kt。煤炭市場(chǎng)價(jià)格按680元／t計(jì)算，方案二較方案一多回收煤炭的效益為150.2kt×680元／t＝10213.6萬(wàn)元。方案二混凝土造價(jià)為568.45萬(wàn)元，故方案二比方案一多獲經(jīng)濟(jì)效益：10213.6萬(wàn)元－568.45萬(wàn)元＝9645.15萬(wàn)元。

根據(jù)上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，本設(shè)計(jì)選擇方案二作為最終方案。即楊村煤礦與田莊煤礦邊界隔離采用留小煤柱與澆筑防水墻方案，其中留煤柱尺寸為4m，防水墻寬度為2 m。

3 結(jié)語(yǔ)

1）楊村煤礦與田莊煤礦的邊界隔離方案共提出了3種，即：留設(shè)防隔水煤（巖）柱（方案一）、留小煤柱與澆筑防水墻（方案二）、采空區(qū)注漿隔離（方案三）。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定采用方案二，即留小煤柱與澆筑防水墻，其中煤柱尺寸為4m，防水墻寬度為2m。

2）研究確定的隔離方案多回收煤炭150.2kt，為楊村煤礦帶來(lái)9645.15萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

3）楊村煤礦在靠近田莊煤礦越界開采的采空區(qū)附近進(jìn)行巷道掘進(jìn)前，應(yīng)按照有疑必探、先探后掘、先治后采的原則，根據(jù)水害情況，制定治理措施。

4）由于兩井田內(nèi)的中小斷層具有導(dǎo)水性，建議田莊煤礦在一、二采區(qū)開采結(jié)束后，選擇合適位置設(shè)置防水閘墻，以便可靠地隔絕兩礦之間的水力聯(lián)系。

〔1〕國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定〔S〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

〔2〕國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程〔S〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

〔3〕羅立平.礦井老空水形成機(jī)制與防水煤柱留設(shè)研究〔D〕.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010：31－32.

〔4〕王金輝.防水煤柱安全評(píng)價(jià)的流固耦合分析〔D〕.青島：山東科技大學(xué)，2006：43－44.

〔5〕王子河，王長(zhǎng)申.老礦井沖積層防水煤柱留設(shè)方法探討〔J〕.煤炭工程，2012，（7）：12－14.