廢棄礦井防隔水煤巖柱計(jì)算研究

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(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 銀川 750000)

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廢棄礦井防隔水煤巖柱計(jì)算研究

魏?jiǎn)⒚?/p>

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 銀川 750000)

[摘要]羊場(chǎng)灣煤礦Ⅱ020601工作面位于羊場(chǎng)灣煤礦二號(hào)井西北側(cè)，主采6煤。Ⅱ020601工作面緊鄰已關(guān)停的磁窯堡煤礦。為了核實(shí)磁窯堡煤礦采空區(qū)與Ⅱ020601工作面回采之間煤柱留設(shè)是否足夠，確保工作面安全回采，分析了工作面回采后的導(dǎo)水通道，計(jì)算了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及塌陷角距離，進(jìn)一步核實(shí)了煤柱留設(shè)距離，為工作面防治水提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]老空水；煤柱；導(dǎo)水裂縫帶；塌陷角

近年來(lái),由于資源枯竭、開(kāi)采經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件和國(guó)家宏觀政策調(diào)整等原因，我國(guó)煤礦關(guān)閉進(jìn)入高峰期，每年都有上百個(gè)小煤礦停產(chǎn)關(guān)閉,關(guān)閉的礦井留下大量的采空積水區(qū)，造成鄰近生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)條件的巨大變化，威脅相鄰礦井的安全生產(chǎn)，并已經(jīng)成為我國(guó)煤礦重特大事故的危險(xiǎn)源。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005-2010年因老空透水造成的重特大事故12起，居各種重特大水害事故因素之首。如何在不浪費(fèi)煤炭資源的前提下確定廢棄礦井與回采工作面的防隔水煤巖柱寬度成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1研究區(qū)概況

羊場(chǎng)灣煤礦Ⅱ020601工作面羊場(chǎng)灣二號(hào)井為6煤首采工作面，Ⅱ020601工作面頂板為本礦2煤采空區(qū)。Ⅱ020601工作面西側(cè)緊鄰磁窯堡2煤采空區(qū)，有部分采空區(qū)位置位于Ⅱ020601工作面正上方。

Ⅱ020601工作面從2014年12月起正式開(kāi)始施工疏放鉆孔，其中6個(gè)鉆孔施工至磁窯堡采空區(qū)。最終1#、2#鉆孔對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了有效疏放。兩個(gè)鉆孔終孔位置均進(jìn)入了磁窯堡采空區(qū)積水區(qū)內(nèi)。鉆孔剛施工完畢為2014年12月初，當(dāng)時(shí)兩個(gè)鉆孔總涌水量為64 m3/h。之后1#、2#鉆孔涌水量逐漸增加，到12月22日兩個(gè)鉆孔總涌水量達(dá)到232 m3/h。之后隨著不間斷疏放水，磁窯堡老空區(qū)積水逐漸通過(guò)兩個(gè)鉆孔排出，兩個(gè)鉆孔疏放水總水量呈現(xiàn)出較大波動(dòng)，后期呈逐漸衰減的趨勢(shì)，到4月21的41 m3/h，衰減的幅度也隨之逐漸減小。疏放水鉆孔水壓由最初12月的1.6 Mpa呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)，到4月21的0.87 Mpa，衰減的幅度也隨之逐漸減小，至5月12日，涌水量穩(wěn)定在50 m3/h左右。疏放水鉆孔與采空區(qū)最低點(diǎn)高差為84 m，由此計(jì)算磁窯堡采空區(qū)剩余積水水頭高度不到5 m。

2導(dǎo)水裂縫帶影響研究

工作面回采后主要的導(dǎo)水通道包括：工作面回采后頂板垮落形成的導(dǎo)水裂縫帶；工作面回采影響區(qū)域的導(dǎo)水構(gòu)造；工作面內(nèi)封閉不良鉆孔。

2.1兩帶高度計(jì)算

1205、1305、5127鉆孔資料顯示Ⅱ020601工作面6煤煤層厚度為2.66～2.88 m，平均2.74 m。根據(jù)勘探資料顯示6煤頂板單軸抗壓強(qiáng)度在10.45～37.48 Mpa之間。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中的分類標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算時(shí)頂板巖性應(yīng)按中硬計(jì)算。

因此導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式應(yīng)選擇下式計(jì)算：

式中：Hf為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；M為累計(jì)采厚；

表1　導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算表

另外根據(jù)靈新礦“上三帶”觀測(cè)試驗(yàn)成果，煤層裂采比為20.8倍，冒采比為9.4倍，

據(jù)此，羊場(chǎng)灣煤礦Ⅱ020601工作面煤開(kāi)采后，裂縫帶發(fā)育高度：

2.74 m×20.8=56.8 m(平均)。

工作面回采后，裂縫帶發(fā)育高度為56.8 m，加上2煤回采后底板可能的擾動(dòng)存在，頂板采動(dòng)裂隙成為工作面充水的主要通道。

2.2巖移影響帶煤柱計(jì)算

利用覆巖移動(dòng)和頂板導(dǎo)水裂隙帶高度二者相結(jié)合的方法確定首采工作面巖移影響帶寬度(L)。其計(jì)算公式如下：

L=Hfctgδ

式中：Hf為導(dǎo)水裂隙帶高度，(m)；M為累計(jì)采厚，(m)；δ為塌陷角，(°)。

導(dǎo)水裂隙帶高度：

Hf=56.8 m

首采工作面塌陷角根據(jù)測(cè)試取值δ=65°；

則巖移影響帶寬度為：

L3=Hfctgδ=26.5 m

3煤柱核算

3.1根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三第二條計(jì)算

在水淹區(qū)下或老窯積水區(qū)下同一煤層中進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，若水淹區(qū)或老窯積水區(qū)的界限已基本查明，防隔水煤柱的尺寸應(yīng)當(dāng)按下面公式規(guī)定留設(shè)：

L=0.5 KM(3P/Ka)1/2

式中：L為安全煤柱留設(shè)寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，但在相鄰礦井人為邊界防水煤柱時(shí)一般取4～10；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，Mpa；Ka為煤層抗拉強(qiáng)度，Mpa，一般取0.2～1.4；

偏安全考慮，各參數(shù)取值如下，安全系數(shù)K取10，煤層采厚M為2.74 m，水頭壓力P取0.85 Mpa，煤層抗拉強(qiáng)度Ka取0.2。

L=28.92 m

圖1　含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱留設(shè)圖

根據(jù)規(guī)定計(jì)算得到的安全煤柱應(yīng)不小于28.92 m，實(shí)際工作面已推進(jìn)位置與采空區(qū)距離最小處為66 m，因此，利用現(xiàn)有資料，初步計(jì)算留設(shè)的煤柱寬度滿足要求。但是切眼位置工作面與采空區(qū)水平距離最小處為7 m，遠(yuǎn)小于煤柱距離。

另一方面當(dāng)鉆孔封閉后，水壓將回升至1.6 Mpa。

帶入式L=0.5 KM(3P/Ka)1/2計(jì)算得到，煤柱應(yīng)大于67.12 m。此時(shí)煤柱寬度將不滿足要求。

3.2根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定釋義》附錄三第五條計(jì)算

水淹區(qū)或老窯積水區(qū)下采掘時(shí)防隔水煤(巖)柱的留：

防隔水煤(巖)柱的尺寸，不得小于導(dǎo)水裂縫帶最大高度與保護(hù)帶高度之和，保護(hù)帶高度可按下式計(jì)算：

式中：p為防隔水煤(巖)柱所承受的靜水壓力，Mpa；Ts為臨界突水系數(shù)，Mpa/m；10為保護(hù)帶厚度，一般取10 m。

p取采空區(qū)水壓，目前是0.85,Mpa，聚壓后將達(dá)到1.6 Mpa，臨界突水系數(shù)Ts按0.06計(jì)算。

當(dāng)保護(hù)帶高度Ha在0.85 Mpa壓力下為24 m，在1.6 Mpa壓力下為37 m。

4結(jié)語(yǔ)

因此Ⅱ020601工作面防隔水巖柱的厚度廢棄礦井積水壓力在0.85 Mpa時(shí)至少需要留設(shè)80.8 m，廢棄礦井積水壓力在1.6 Mpa時(shí)至少需要留設(shè)93.8 m。

由于煤層開(kāi)采標(biāo)高按鉆孔開(kāi)孔位置為+1 005 m左右，磁窯堡煤礦采空區(qū)底板高度+1 090 m，在0.855 Mpa壓力下煤柱達(dá)到85 m，煤柱足夠；但當(dāng)壓力達(dá)到1.6 Mpa時(shí)，煤柱明顯不足。

當(dāng)然Ha取值是偏安全的，因?yàn)镠a不僅是保護(hù)帶，它也是防隔水煤(巖)柱，但這里取為保護(hù)帶計(jì)算，可保證安全。另外，導(dǎo)水裂縫帶實(shí)測(cè)高度與計(jì)算值會(huì)有差異，存在開(kāi)采后導(dǎo)水裂縫帶高度因特定情況大于理論計(jì)算值的可能性。

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[收稿日期]2015-10-26

[基金項(xiàng)目]十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃課資助項(xiàng)目題(2012BAC10B03)

[作者簡(jiǎn)介]魏?jiǎn)⒚?1981-)，男，寧夏鹽池人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦防水管理工作。

[中圖分類號(hào)]TD163+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0036-02