鄰近積水采空區(qū)條件下工作面防水煤柱留設(shè)研究

孫澤光

（山西焦煤霍州煤電 干河煤礦，山西 洪洞 041000）

1 概 況

山西霍寶干河煤礦有限公司2-300 運(yùn)輸順槽工作面井下相對(duì)位置位于三采區(qū)3 條大巷右翼，2-300 工作面西側(cè)鄰近2-301 采空區(qū)，南側(cè)為三采區(qū)系統(tǒng)大巷，東側(cè)、北側(cè)均為實(shí)體煤，工作面位置詳情如圖1 所示。2-300 運(yùn)輸順槽為滿足2-300 回采工作面煤炭運(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)等而設(shè)計(jì)施工的，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 540 m，巷道坡度-6°下山，尋2 號(hào)煤后，沿2 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。工作面煤層傾角3°～8°，平均5°，工作面地表大部為農(nóng)田耕地，黃土覆蓋厚度11.5～59.5 m，基巖厚399.5～465.5 m。2-300回采工作面開(kāi)采2 號(hào)煤層，2 號(hào)煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組上部，煤層厚度3.43～3.91 m，主要由暗煤和亮煤組成，屬半亮型煤。硬度和韌度較大，節(jié)理不發(fā)育，視密度為1.40 g/cm3。預(yù)測(cè)2-300 運(yùn)輸順槽鄰近的2-301 采空區(qū)存在積水，為保證巷道掘進(jìn)安全，留設(shè)防水煤柱，計(jì)算合理寬度。

2 2-300 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)水害分析

2.1 地表水害

2-300 巷施工范圍內(nèi)地表覆蓋有較厚的新生界黃土、粉質(zhì)粘土及砂質(zhì)粘土，普遍發(fā)育有粘土隔水層，煤層埋藏深度535.2～629.7 m，無(wú)河流。地表僅有小溝谷，且地表為低山丘陵地帶，地表徑流條件良好，在雨季接受降水補(bǔ)給后形成規(guī)模不等的洪流匯集溝谷，但雨后不久便很快排泄殆盡。煤層埋藏較深，地表水很難通過(guò)地表裂縫灌入井下。井口標(biāo)高高于當(dāng)?shù)貧v年最高洪水位，井口不受地表水威脅。預(yù)測(cè)地表水及大氣降水對(duì)2-300 巷不會(huì)造成威脅。

2.2 頂板水害

工作面頂板主要水源為下石盒子組（K8、K9）砂巖裂隙含水層，層位較穩(wěn)定，巖性為灰白色，長(zhǎng)石石英細(xì)一中粒砂巖，含水層位于1、2 號(hào)煤層以上，K8細(xì)粒砂巖厚1.29～5.9 m，平均厚3.59 m，K9砂巖位于K8砂巖層以上40 m 左右，水文地質(zhì)特征與K8砂巖相似，為弱富水性的裂隙含水層，對(duì)采掘影響較小，預(yù)測(cè)頂板砂巖裂隙水對(duì)2-300 巷不會(huì)造成威脅。

2.3 底板水害

1、2 號(hào)煤底板直接充水水源主要為工作面下部太原組石灰?guī)r（K2）和奧陶系峰峰組石灰?guī)r（O2）溶隙含水層。K2 巖性為深灰—灰色，石灰?guī)r厚8.31～9.43 m，平均厚8.87 m，K2石灰?guī)r含水層是一個(gè)富水性很不均—裂隙不發(fā)育、局部區(qū)域徑流條件較好的弱富水巖溶裂隙含水層；O2巖性為峰峰組上段平均厚度為4.09 m，為灰色，局部含水性較好，巖溶裂隙發(fā)育。石炭系上統(tǒng)太原組K2帶壓2.90～3.56 MPa，突水系數(shù)0.044～0.054 MPa/m，奧陶系中統(tǒng)蜂峰組O2帶壓3.07～3.73 MPa，突水系數(shù)為0.033～0.039 MPa/m，均小于0.06 MPa/m，煤層處于相對(duì)安全區(qū)，正常區(qū)城無(wú)突水威脅。

2.4 相鄰采空區(qū)積水

2-301 采空區(qū)以停采約3 a，具有穩(wěn)定的補(bǔ)給量，現(xiàn)階段2-301 運(yùn)輸順槽擋水墻出水量穩(wěn)定在155～195 m3/h，預(yù)測(cè)2-301 采空區(qū)已全部積水，積水壓力為0.3～1.15 MPa，預(yù)測(cè)積水量約80 萬(wàn)m3。

2.5 綜合分析

為防止掘進(jìn)工作面受到鄰近采空區(qū)積水的威脅，需留設(shè)合理寬度的區(qū)段煤柱，起到隔絕采空區(qū)積水的作用。2-300 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間需建立完善可靠的排水系統(tǒng)，安設(shè)2 趟6 寸排水管路，迎頭熱備2 臺(tái)水泵，水泵總排水能力不小于300 m3/h，且2 臺(tái)水泵分別與兩趟6 寸排水管路連接。

3 鄰近采空區(qū)積水影響下煤柱合理尺寸研究

由于干河煤礦2-300 運(yùn)輸順槽鄰近的2-301采空區(qū)積水，區(qū)段煤柱在采空區(qū)一側(cè)將受到采空區(qū)積水的影響，根據(jù)煤柱的破碎特征可由分為滲水區(qū)、隔水區(qū)、塑性區(qū)，分布情況如圖2 所示。

圖2 防水煤柱結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Waterproof coal pillar structure

區(qū)段防水煤柱寬度可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：l 為防水煤柱寬度，m；l1為回采側(cè)煤壁塑性破壞深度，m；l2為煤柱內(nèi)彈性核區(qū)跨度，m；l3為積水采空區(qū)側(cè)煤柱破壞區(qū)深度，m；

煤柱回采側(cè)塑性破壞深度l1理論計(jì)算公式：

式中：h 為煤柱寬度，取2 號(hào)煤層厚度3.9 m；d為工作面采動(dòng)影響系數(shù)，通常為1.5～3.0，取2.0；φ0為煤層與頂板巖層間的摩擦角，取24°；γ 為頂板巖層平均體積力，取25 kN/m3；H 為埋深，取500 m；K1為采空區(qū)邊緣應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；C0為煤層與頂板巖層間粘聚力，取2.0 MPa；λ 為側(cè)壓系數(shù)，取0.4。將以上參數(shù)代入式（2）可得l1=9.0 m。

煤柱中部彈性核區(qū)寬度l2計(jì)算公式：

式中：p 為采空區(qū)積水壓力，2-301 采空區(qū)積水壓力最大取1.15 MPa；C 為煤層內(nèi)聚力，2 號(hào)煤層取1.3 MPa；h 為煤柱高度，取3.9 m；φ 為煤層內(nèi)摩擦角，取25°；K2為煤柱中部應(yīng)力集中系數(shù)，取2.0；σx0為彈性核區(qū)在采空區(qū)積水側(cè)邊界處水平應(yīng)力，取11.2 MPa。通過(guò)式（3）計(jì)算得l2=0.80 m。

參照學(xué)者方剛[4]對(duì)于水壓破壞區(qū)的求解，水壓破壞區(qū)l3計(jì)算公式：

式中：η 為水對(duì)煤體的軟化系數(shù)，2 號(hào)煤層取0.4；K3為水壓破壞區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，取4。

通過(guò)式（4）計(jì)算可得l3=14.7 m。

綜上分析可得，2-300 運(yùn)輸順槽區(qū)段防水煤柱寬度l=l1+l2+l3=9.0+0.80+14.7=24.5 m，說(shuō)明區(qū)段煤柱合理寬度不應(yīng)小于24.5 m，綜合考慮后設(shè)計(jì)2-300 運(yùn)輸順槽與2-301 采空區(qū)間煤柱寬度為30 m。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中防水煤柱寬度計(jì)算公式進(jìn)行校核：

式中：L 為防水煤柱寬度，m；K 為安全系數(shù)，通常為2～5；M 為煤層厚度，取3.9 m；p 為水頭壓力，取1.15 MPa；Kp為煤體的抗拉強(qiáng)度，2 號(hào)煤層取0.65 MPa。通過(guò)式（5）計(jì)算可得L 的取值范圍為9.0～22.5 m。上文研究確定的煤柱留設(shè)寬度為30 m，滿足《煤礦防水細(xì)則》中的要求。

4 2-300 運(yùn)輸順槽瞬變電磁探測(cè)

通過(guò)以上研究分析，設(shè)計(jì)2-300 運(yùn)輸順槽與2-301 采空區(qū)間隔30 m 防水煤柱布置，巷道掘進(jìn)施工完成后，對(duì)煤柱內(nèi)富水情況進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)此次探測(cè)的對(duì)象2-300 運(yùn)輸順槽防水煤柱分布特征，采用操作簡(jiǎn)便、探測(cè)結(jié)果靈敏的瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)。此次探測(cè)采用中煤科工研發(fā)生產(chǎn)的YCS2000A礦用瞬變電磁儀，儀器如圖3（a）所示，為了更加精準(zhǔn)的掌握防水煤柱內(nèi)富水情況，并能夠探查煤柱上方頂板5～30 m 內(nèi)巖層富水情況，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行煤柱側(cè)水平方向、煤柱側(cè)向上45°、煤柱側(cè)向上75°方向的探測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置間距6 m，測(cè)線總長(zhǎng)度1 500 m，共設(shè)置250 個(gè)測(cè)點(diǎn)，探測(cè)方向詳細(xì)情況如圖3（b）所示，累計(jì)采集瞬變電磁數(shù)據(jù)750 組，為減小工作面巷硐電流對(duì)探測(cè)結(jié)果的干擾，探測(cè)期間工作面設(shè)備斷電。

圖3 瞬變電磁探測(cè)方案Fig.3 Transient electromagnetic detection scheme

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)得到煤柱內(nèi)視電阻率等值線圖，由于探測(cè)煤柱長(zhǎng)度達(dá)到1 500 m，為方便展示探測(cè)結(jié)果，以距2-300 工作面開(kāi)切眼500 m 范圍內(nèi)的探測(cè)結(jié)果為例，視電阻率等值線圖如圖4 所示。

圖4 井下瞬變電磁探測(cè)結(jié)果Fig.4 Underground transient electromagnetic detection results

根據(jù)圖4 結(jié)果分析可知，在積水采空區(qū)側(cè)，煤柱及頂板巖層視電阻率基本保持在25 Ω·m 以下，而在2-300 運(yùn)輸順槽一側(cè)的煤柱內(nèi)，煤柱及頂板巖層視電阻率基本穩(wěn)定在45～75 Ω·m，說(shuō)明采空區(qū)積水影響下煤巖體視電阻率較低，采用瞬變電磁法可有效探測(cè)出水壓破壞區(qū)的深度。將視電阻率低于15 Ω·m 作為水壓破壞區(qū)判別的標(biāo)準(zhǔn)，綜合對(duì)比分析3 個(gè)方向上的視電阻率等值線圖可得，煤柱內(nèi)存在的低阻區(qū)域：①距切眼0～60 m，該處視電阻率非常低且基本貫穿煤柱，綜合分析判斷為探測(cè)點(diǎn)處皮帶輸送機(jī)和鋼軌影響所致，不作為富水異常解釋；②距切眼60～120 m，視電阻率較低，分析后判斷為測(cè)點(diǎn)處鉆機(jī)影響所致，不作為富水異常解釋；③距切眼280～320 m，視電阻率較低，判斷為2-301 采空區(qū)積水滲入煤柱所致，水壓破壞區(qū)深度約為10 m；④距切眼380～420 m，積水采空區(qū)視電阻率較低，判斷為積水滲入煤柱所致，水壓破壞區(qū)深度約為12 m；⑤距切眼400～500 m，視電阻率較低，分析后判斷為巷道內(nèi)鋼管影響所致，不作為富水異常解釋。綜上分析可知，2-301 采空區(qū)積水對(duì)于區(qū)段防水煤柱的影響深度為5～12 m，煤柱內(nèi)彈性核區(qū)寬度為9～16 m，煤柱完整性及隔水效果較好，留設(shè)30 m 區(qū)段防水煤柱合理可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

以干河煤柱2-300 運(yùn)輸順槽鄰近積水采空區(qū)沿空掘巷為背景，通過(guò)收集水文地質(zhì)資料及綜合分析研究表明，鄰近采空區(qū)積水是威脅巷道安全的重要水源，區(qū)段防水煤柱寬度的合理留設(shè)非常關(guān)鍵。通過(guò)理論分析計(jì)算得到防水煤柱合理寬度為24.5 m，由此設(shè)計(jì)留設(shè)30 m 的防水煤柱，校驗(yàn)結(jié)果表明符合《煤礦防治水細(xì)則》中相關(guān)條款要求。巷道掘進(jìn)施工完成后，采用瞬變電磁法探測(cè)煤柱內(nèi)富水情況，研究分析表明，防水煤柱內(nèi)水壓破壞區(qū)深度為5～12 m，煤柱完整性及隔水效果較好，留設(shè)30 m區(qū)段防水煤柱合理可靠，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。