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 資源與環境工程學院，山東 青島266590；2.內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司 色連一號井，內蒙古 鄂爾多斯017008）

兗礦集團楊村煤礦采用立井單水平開拓，開拓布置方式采用分采區上下山聯合布置。3煤采用走向或傾斜長壁綜合機械化放頂煤開采方法，16上、17煤采用走向或傾斜長壁綜合機械化采煤法或炮采。現生產采區為四采區、六采區、十采區和三煤采區。其中六采區由于田莊煤礦越界開采，給楊村煤礦造成經濟損失的同時也帶來了重大的安全隱患。為了消除安全隱患，楊村煤礦需要與相鄰煤礦實施永久隔離方法。依據《煤礦防治水規定》以及《煤礦安全規程》中相關規定，對楊村煤礦與田莊煤礦邊界隔離進行研究。

1 田莊煤礦越界開采基本情況

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

2 井田邊界隔離設計方案

2.1 方案提出

根據有關規程和規定，結合田莊煤礦越界開采楊村煤礦資源的實際情況，現提出三種可能的邊界隔離方案。

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

2.2 邊界隔離方案的確定

（1）留設防隔水煤（巖）柱

①防隔水煤（巖）柱尺寸留設依據。根據《煤礦防治水規定》附錄三中防隔水煤（巖）柱留設的尺寸要求：“在水淹區下或老窯積水區下同一煤層中進行開采時，若水淹區或老窯積水區的界線已基本查明，防隔水煤（巖）柱的尺寸應當按附錄2／3的規定留設”。附錄2／3對“含水或導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設”規定如下〔1〕：

含水或導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設可參照經驗公式（1）計算

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

②煤柱尺寸計算。楊村煤礦六采區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；計算時16上、17煤層厚度 M分別取1.32m和1.15m。

煤的抗拉強度Kp多在0.2～1.4MPa之間，計算時取0.8。安全系數K一般取2～5，計算時取3〔2〕。

將以上數據帶入公式（1），計算可得各煤層留設的煤巖柱寬度（見表1）。

表1 防隔水煤巖柱尺寸

根據上述計算結果，防隔水煤（巖）柱按20m留設即可滿足有關規定的要求。但根據《煤礦防治水規定》附錄三“防隔水煤（巖）柱的尺寸要求”中有關規定：“相鄰礦（井）人為邊界防隔水煤（巖）柱的留設，水文地質簡單型到中等型的礦井，可采用垂直法留設，但總寬度不得小于40 m。”〔1〕

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附近留較小的隔離煤柱，并進行寬巷掘進，然后沿巷道靠近采空區側澆筑混凝土防水墻〔3〕。掘巷前應在井下實施探放水工程。防水墻布置方案見圖1。

圖1 防水墻布置方案

寬巷掘進時，先按能滿足正規生產要求的巷道斷面掘進一定長度，再在巷道外幫部沿薄煤層進行擴巷。擴巷寬度即為混凝土防水墻的寬度。

在澆筑混凝土墻以前，應視煤層頂底板強度對圍巖采取加固措施。由楊村煤礦工程地質條件可知：16上煤頂板為十下灰，致密堅硬；17煤頂板為十一灰，橫向上常相變為粉砂巖、砂質泥巖或泥灰巖，頂板穩定性較差；兩煤層底板均為泥巖，遇水易膨脹，強度比較低。因此，在澆筑混凝土墻以前，應對各煤層底板進行加固處理。其中，17煤頂板應視現場頂板情況確定是否需要加固。

混凝土澆筑段頂底板均打錨桿且對稱布置，錨桿出露長度應較常規巷道段稍長。墻體四周按常規砌護墻并進行鋪底。

②防水墻設計及計算公式。直墻式防水墻設計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的最大剪應力，MPa；τ為材料在橫力彎曲時的容許剪應力，MPa；〔τ〕為材料在橫力彎曲時的剪應力，MPa；Q為材料在橫力彎曲時的剪力，kN；S〔τ〕為材料截面面積，m2；a為墻體長度，m。

根據上述原理，混凝土與周邊圍巖的粘結剪應力：

式中：S粘為混凝土與圍巖的粘結面積，m2；a為墻體長度，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剪應力，MPa。

同理可得錨桿的剪應力：

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力，MPa；A錨為錨固面積，m2；a為墻體長度，m。

靜水壓力均布于截面上的剪力為：

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

根據設計原理

將公式2、3、4代入（5）得：

于是得防水墻厚度計算公式：

③防水墻參數確定。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剪應力〔τ〕粘取0.22 MPa，超載系數λ取1.2。混凝土澆筑時，每3m澆筑一次，因此混凝土墻體長度a＝3m。靜水壓力P＝1.07 MPa。

對于16上煤、17煤，混凝土墻體高度b的取值分別為1.32m，1.15m。

將以上參數代入公式（7）得：

統一取混凝土墻寬度 為2m。

④混凝土牌號選擇。六采區上部地面標高為＋40.58 m～＋42.31m，平均＋41.23m，煤層底板標高取－175，則埋藏深度 H＝175＋41.23＝216.23（m），在單一重力應力場條件下，混凝土墻承受的壓力值為：

式中：K為應力集中系數，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《鐵路隧道設計規范》中有關混凝土極限強度的規定（見表2），選取混凝土牌號為C20。

表2 混凝土的容許應力（MPa）

⑤隔離小煤柱尺寸選擇。根據表1的計算結果，選取小煤柱尺寸為4m。

（3）采空區注漿隔離

采空區注漿隔離是指沿越界開采的采空區邊界布置注漿鉆孔并向采空區灌注水泥漿液以膠結采空區矸石，形成帷幕狀阻水體，從而截斷地下水流，達到防治水的目的〔5〕。該方案示意見圖3。

圖3 采空區注漿隔離示意

采用該方案可以只留設較小的永久隔離煤柱，根據表1的計算結果，選取小煤柱尺寸為4m。能保證有效阻水效果的水泥漿擴散半徑為5～10m，即注漿區域寬度為5～10m，在采掘工程平面圖上量取的注漿區域長度為1500 m，則注漿區域面積達7500～15000m2。但采用帷幕注漿隔離方案一般需要滿足以下幾個基本條件：過水斷面狹窄；具有不透水邊界；受注層具有良好的可灌注性；帷幕注漿工程實施后具有明顯的經濟和社會效益。

（4）邊界隔離方案選擇

①邊界隔離方案技術分析。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，且不能保證整個注漿區域內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邊界隔離方案經濟比較。經上述技術分析排除了方案三，下面對方案一與方案二進行經濟比較。

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

若按方案二，留設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。混凝土墻的設計寬度為2m，16上煤、17煤澆筑混凝土墻時，每澆筑1m混凝土墻所需混凝土的質量分別約為6.07t和5.29t。市場上C20牌號混凝土價格約400元／t，則混凝土墻造價約為（6.07＋5.29）×400×1251元＝568.45萬元。

③方案一與方案二經濟對比。由方案一與方案二經濟分析可以知道，方案二較方案一多回收煤炭資源150.2 kt。煤炭市場價格按680元／t計算，方案二較方案一多回收煤炭的效益為150.2kt×680元／t＝10213.6萬元。方案二混凝土造價為568.45萬元，故方案二比方案一多獲經濟效益：10213.6萬元－568.45萬元＝9645.15萬元。

根據上述技術經濟分析，本設計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 結語

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）、采空區注漿隔離（方案三）。經技術經濟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9645.15萬元的經濟效益。

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

4）由于兩井田內的中小斷層具有導水性，建議田莊煤礦在一、二采區開采結束后，選擇合適位置設置防水閘墻，以便可靠地隔絕兩礦之間的水力聯系。

〔1〕國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦防治水規定〔S〕.北京：煤炭工業出版社，2009.

〔2〕國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程〔S〕.北京：煤炭工業出版社，2011.

〔3〕羅立平.礦井老空水形成機制與防水煤柱留設研究〔D〕.北京：中國礦業大學，2010：31－32.

〔4〕王金輝.防水煤柱安全評價的流固耦合分析〔D〕.青島：山東科技大學，2006：43－44.

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