廢棄煤礦積水對(duì)相鄰煤礦的威脅分析

吳玉川 李 磊

（1、河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作454150 2、河南焦煤能源公司九里山礦，河南 焦作454150）

近年來，煤炭資源逐漸枯竭，全國各地煤礦都面臨著關(guān)閉的問題，從而可能會(huì)引發(fā)一系列的難題。礦井閉坑后不僅使周圍環(huán)境發(fā)生變化，還對(duì)鄰近礦井造成很大的影響。不少學(xué)者對(duì)閉坑進(jìn)行了大量的研究，包括了隔水煤柱[1]、水位回升過程[2]等。由于礦井的閉坑，井下不在排水，地下水位逐漸恢復(fù)，原來的水流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)使周圍礦井發(fā)生突水。因此，進(jìn)行廢棄煤礦積水的研究對(duì)鄰近煤礦的安全生產(chǎn)有很大幫助。

大量學(xué)者在閉坑礦井水害分析上進(jìn)行了廣泛的研究。楊高峰等[3]以晉城礦區(qū)鳳凰山礦為研究對(duì)象，借助suffer 軟件繪制了周圍礦區(qū)的水流趨勢(shì)圖，對(duì)礦井的積水過程進(jìn)行了分析，并提出了治理方案；周建軍等[4]基于FEFLOW 軟件進(jìn)行了廢棄煤礦水位回升過程的數(shù)值模擬，得到了不同介質(zhì)在充水淹沒過程中的水流和水位回彈特征。本文以九里山礦為研究對(duì)象，研究演馬礦積水量對(duì)兩礦之間的隔水煤柱的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

演馬礦位于焦作的東北部，北部以九里山斷層為界，南部以鳳凰嶺斷層為界，東部以方莊斷層為界，井田面積約15km2，主要開采煤層為二1 煤層。根據(jù)資料顯示，演馬礦于2018 年10月份關(guān)閉，閉坑后礦井不排水，水位開始上升，采空區(qū)的積水會(huì)對(duì)與九里山礦14142 工作面之間的隔水煤柱造成影響。14142工作面位于14 采區(qū)西翼下部，走向長756m，傾向?qū)?50m。地面標(biāo)高在+92.5m 左右，西部為兩礦井之間的邊界煤柱。

1.2 構(gòu)造

14142 工作面所在區(qū)域地層整體呈單斜構(gòu)造，工作面回采區(qū)域二1 煤層多以粒狀及塊狀為主，煤層結(jié)構(gòu)簡單，屬較穩(wěn)定煤層。另外在該工作面揭露4 條正斷層，揭露斷層落差在0.4～2.0m 之間，斷層傾角在55°～65°之間（斷層產(chǎn)狀見表1）。

表1 斷層產(chǎn)狀一覽表

2 廢棄礦井積水情況

根據(jù)演馬礦的水文地質(zhì)條件分析，演馬礦積水水源主要包括幾個(gè)方面：①地表水；②大氣降水；③松散含水層水；④灰?guī)r裂隙水；⑤巖溶水。如果兩礦之間留設(shè)的隔水煤柱寬度抵抗不住積水的水壓，煤巖柱破壞，演馬礦積水將大量涌入14142 工作面，就會(huì)發(fā)生突水事故。因此分析閉坑礦井積水情況對(duì)鄰近礦井是至關(guān)重要的。

2.1 廢棄礦井積水計(jì)算

根據(jù)資料顯示，演馬莊礦27 采區(qū)的積水對(duì)隔水煤柱影響很大，因此對(duì)27 采區(qū)的積水量進(jìn)行計(jì)算，從而可以定量的計(jì)算留設(shè)的防隔水煤柱是否能抵抗住27 采區(qū)積水區(qū)的水壓。本文回采空間法計(jì)算公式[5]，有水力聯(lián)系的煤層采空區(qū)積水量之和

式中K－充水系數(shù)，采空區(qū)一般取K1=0.25～0.5，

煤巷一般取K2=0.5-0.8，巖巷一般取K2=0.8-1.0；

M－采空區(qū)的平均采高線或煤厚，m；

F－采空積水區(qū)的水平投影面積，m；

α－煤層傾角，（°）；

W－積水巷道原有斷面面積，m；

L－不同斷面的巷道長度，m。

為了確定不同水平的采空積水區(qū)面積，以二1 煤層底板等高線作為底面，以50m 為等高距，本次計(jì)算中充水系數(shù)取K1取0.25，采空區(qū)的平均采高為6.6m，煤層平均傾角為11°，巷道充水系數(shù)取0.6，巷道寬度和高度都為4m。根據(jù)公式（2）和公式（3）可分別計(jì)算采空區(qū)面積、采空區(qū)積水體積和巷道的體積，從而可得到采空區(qū)積水體積即采空區(qū)積水量為235572.555m2（見表2）。

表2 采空區(qū)積水體積

2.2 廢棄煤礦地下水動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)演馬莊礦27 采區(qū)的涌水量與地下水位的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，其涌水量與水位存在一定的相關(guān)性，可以得到水位、水量與時(shí)間的關(guān)系曲線（如圖1），根據(jù)圖1 中曲線的上升趨勢(shì)可知，演馬莊礦在剛關(guān)閉時(shí)，水位和水量總體上都是上升的趨勢(shì)。

表3 涌水量-水位數(shù)據(jù)表

圖1 閉坑煤礦水位回升曲線

由圖1 中水位和水量變化可知，礦井涌水量與水位具有一定相關(guān)關(guān)系。從而可分析27 采區(qū)充水過程，水位由于閉坑礦井底部采空區(qū)面積較小，原來的積水很快就淹沒整個(gè)礦井底部，因此前期水位上升快；隨著水位的上升，礦井中部采空區(qū)面積變大，其積水補(bǔ)給速度也基本處于一定的情況下，水位回升變慢；當(dāng)?shù)V井中的水淹沒下部和中部的時(shí)候，由于上部采空區(qū)面積變小，其積水速度較快，水位回升也較快，最終當(dāng)閉坑礦井的補(bǔ)給量等于對(duì)相鄰礦井的排泄量，水位上升至最大高度。根據(jù)最近的27 采區(qū)東部水位觀測(cè)孔觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)27 采區(qū)采空區(qū)水位上漲幅度約0.15m/d，預(yù)計(jì)該采區(qū)水位將最終上漲至+72m 左右，該采區(qū)等高線值最大為-200m，因此27 采區(qū)的最大水頭高度為272m。

3 隔水煤柱留設(shè)寬度研究

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的隔水煤柱

按照探放水安全距離計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[6]計(jì)算如下：

式中：L-煤柱留設(shè)寬度（m）

K-安全系數(shù)；一般取2-5

M-煤厚或采高（m）

P-水頭壓力；MP

Kp-礦柱平均抗張強(qiáng)度（Pa）

將p=ρgh 代入公式，其中ρ 為水的密度，g 為重力加速度，h 為最大水頭高度272m，M=5.5m，Kp=1.3×106Pa，則取K=5時(shí)

取K=2 時(shí)

結(jié)合該礦實(shí)測(cè)資料，當(dāng)演馬莊礦27 采區(qū)積水最大水頭高度為272m 時(shí)，與之鄰近的14 采區(qū)安全開采需要留設(shè)的最小隔水煤柱寬度為13.78m，安全煤柱寬度為34.4m。依據(jù)實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果，九里山礦14142 工作面與演馬莊礦27 采區(qū)間隔水煤柱最小寬度為65m，遠(yuǎn)大于理論計(jì)算需要留設(shè)的防隔水煤柱寬度，由此可判斷，目前留設(shè)的煤柱無潰決危險(xiǎn)。

3.2 極限平衡下的隔水煤柱計(jì)算

由于經(jīng)驗(yàn)公式中并沒有考慮礦山壓力對(duì)隔水煤柱的影響，導(dǎo)致理論計(jì)算的隔水煤柱留設(shè)寬度與實(shí)際情況存在一定的誤差。通常受采動(dòng)影響，會(huì)引起應(yīng)力的重新分布，一般煤柱兩側(cè)會(huì)形成一定寬度的極限平衡區(qū)，使整個(gè)煤柱在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的物性狀態(tài)。隔水煤柱的留設(shè)寬度被劃分為兩側(cè)的極限平衡區(qū)和中心彈性區(qū)長度，根據(jù)極限平衡理論[7]，可以計(jì)算出一側(cè)極限平衡區(qū)的寬度x0：

其中M，c，φ 分別為煤層厚度、粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角；

f 為煤層頂、底板之間的摩擦因數(shù)；

H，γ 分別為煤層埋深和上覆巖層的平均容重；

K 為受采動(dòng)影響時(shí)兩區(qū)交界處的峰值應(yīng)力集中系數(shù)；

σx0 為兩區(qū)交界x0 處的水平應(yīng)力；

λ 為側(cè)壓系數(shù)，λ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。

根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)資料和物理力學(xué)性質(zhì)可知，各參數(shù)值煤厚M=5.5m，c=1Mpa，φ=30° ，f=tan φ/4=0.144，H=230m，γ=2.6g/cm3根據(jù)公式（5）可以計(jì)算出兩側(cè)極限平衡區(qū)的寬度為45.6m，彈性區(qū)的臨界寬度為5.64m，即計(jì)算隔水煤柱留設(shè)寬度為51.24m，因此目前留設(shè)的煤柱寬度合理。

4 結(jié)論

4.1 采用回采空間法計(jì)算閉坑礦井27 采區(qū)的積水量，并預(yù)計(jì)27 采區(qū)可能達(dá)到的最大水壓；對(duì)27 采區(qū)水位和水量變化過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)礦井涌水量與地下水變化具有一定相關(guān)性。

4.2 利用經(jīng)驗(yàn)公式和極限平衡理論公式分別對(duì)兩礦之間的留設(shè)寬度進(jìn)行了計(jì)算，兩種計(jì)算結(jié)果得出的隔水煤柱留設(shè)的寬度都可以抵擋住演馬莊礦的水壓。