劉家溝煤礦閉坑后對鄰近井巷工程安全的影響分析*

黃　丹　李文樹　徐　濤　官惠聰

(1.長安大學環境科學與工程學院；2.重慶能科工程勘察有限公司；3.重慶市能源投資集團有限公司；4.重慶市能源投資集團科技有限責任公司)

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劉家溝煤礦閉坑后對鄰近井巷工程安全的影響分析*

黃丹1,2李文樹3徐濤4官惠聰2

(1.長安大學環境科學與工程學院；2.重慶能科工程勘察有限公司；3.重慶市能源投資集團有限公司；4.重慶市能源投資集團科技有限責任公司)

摘要為了解煤礦閉坑后對鄰近生產礦井的安全影響，以重慶市劉家溝煤礦為例，從礦井涌水量變化、地質條件變化等方面進行了分析。結果表明，研究區煤礦停止抽排礦井水后，誘發的水文地質效應將對鄰近礦井隔水煤柱的穩定性造成影響。結合《煤礦防治水規定》，針對研究區地質條件的復雜性，討論了在鄰近礦井閉坑后，適合重慶地區急傾斜多煤層開采的煤礦井巷工程安全技術評估依據，對閉坑煤礦周邊礦井防治水工作起到了積極作用。

關鍵詞井巷工程水文地質效應隔水煤柱安全技術評估

近年來，隨著關閉或即將關閉的煤礦數量的增加，為保證煤炭資源安全有序開采，國家頒布了一系列整合煤炭資源的相關政策，關閉和整合了大量小煤礦。

礦井關閉停止抽排水后，地下水位回升，礦井水攜帶井下污染物通過采動裂隙、斷層、封閉不良鉆孔等導水通道給地下水帶來污染[1]，造成地質環境破壞和地下水資源失衡[2]，且對相鄰礦井的邊界煤柱安全造成一定的破壞，甚至誘發突水。目前，一般按照規范要求計算隔水煤柱寬度。賈劍青等[3]采用相似模擬試驗結合地質雷達的方法，分析隔水煤柱的穩定性；袁瑞甫等[4]通過理論分析、數值模擬及相似模擬實驗等方法，研究不同傾斜程度的煤層開挖后傾向覆巖結構演化特征、煤柱變形及失穩破壞形式；許勃[5]通過數值模擬試驗，分析了孔隙水壓引起覆巖導水裂隙帶高度變化機理；李永明等[6]針對急傾斜煤層開采合理防水煤柱尺寸的留設，提出不僅應考慮覆巖導水裂隙的發育高度，也應考慮防水煤柱自身的穩定性。因此，礦井關閉后對相鄰礦井安全產生的影響，除了水文地質條件的變化，隔水煤柱的穩定性也是評價閉坑后對相鄰礦井井巷工程造成影響的一項重要因素。

1　研究區背景

1.1自然地理

圖1　礦井位置關系---—磨心坡煤礦礦區范圍；—·——磨心坡煤礦資源接替探礦范圍； ……—相鄰礦井礦區范圍

1.2地質條件

井田范圍屬新華夏構造體系的川東褶皺帶華鎣山復式背斜南緣。區內主要有觀音峽背斜，華鎣大斷層(F4)縱貫寶頂背斜西翼和觀音峽背斜東翼。磨心坡煤礦和劉家溝煤業有限公司位于觀音峽背斜北段的西翼，總體構造形態為一單斜構造，斷層發育，構造程度復雜。區內主要含煤地層為二疊系上統龍潭組，含煤共10層，K2、K4、K5、K6、K8、K9為可采和局部可采煤層，本次主要研究對象為劉家溝煤礦與磨心坡煤礦形成不規則隔離煤柱的K2、K6煤層。煤層開采所涉及的主要含水層是作為含煤層位頂板的長興組(P3c)巖溶含水層以及底板的茅口組(P2m)巖溶含水層。可采和局部可采煤層距長興組巖溶含水層距離53.27～133.63m。

2　閉坑前后涌水量變化對比分析

磨心坡礦區水文地質條件中等， 礦井涌水量與大氣降雨關系密切，目前枯水季節正常涌水量為457.11m3/h，汛期最大涌水量達17 748.30m3/h。地下水補給主要來自淺部水平，甚至地表水、大氣降水。劉家溝煤礦停止抽排水后，涌入礦井的水將充填于廢棄的礦井巷道、采空區和礦井上覆的含水層[7]，即使放棄深部水平的排水系統，地下水位上升，磨心坡煤礦礦井涌水量也不會有明顯的減小[8]。因此劉家溝煤礦停止抽排水后,區域性的地下水位將迅速上升，直至達到新平衡。

2.1停止抽排水前后相鄰礦井涌水量變化

2014年10月25日—27日，劉家溝煤礦-20m水平抽排水設備回撤完畢。礦井水首先向-20m下山采區充水，隨著水位不斷上升，流入磨心坡煤礦的地下水逐漸增多，同年11月4日、11日、18日和25日，測得磨心坡煤礦-10m水平北采區內水倉水量小幅增長。經過近30d的觀測，到11月25日，涌水量基本穩定在31.13m3/h。停止抽排水前測得磨心坡煤礦10月份-10m水平涌水量為20.85m3/h。

根據2010—2014年磨心坡礦井3個開采水平涌水量的變化(見圖2)可以看出：-10m水平內水倉涌水量變化趨勢基本一致，但2014年11月涌水量變化明顯與歷年11月變化趨勢不一致；-115m水平內水倉涌水量變化趨勢基本一致，與-10m水平同樣異常表現的是2014年11月涌水量變化明顯；-220m水平內水倉涌水量變化趨勢基本一致，未出現明顯異常。

隨著枯水季節的到來，-115m水平以淺，2014年11月涌水量不降反升。初步推測該異常變化源于劉家溝煤礦10月27日-20m水平抽排水設備回撤的影響，或者隨著磨心坡煤礦開采面積的增加導致涌水量增加。

孵化器評價評級，是為了鼓勵并引導孵化器更好地實現其功能定位，營造自主創新環境，發展高新技術產業，加快科技成果轉化，培育創業者和科技型中小企業，促進區域科技創新和經濟增長。

圖2　磨心坡煤礦3個水平2010—2014年涌水量變化趨勢 ◆—2010年；■—2011年；▲—2012年；×—2013年；●—2014年

2.2劉家溝煤礦可能形成的老空積水量

根據重慶劉家溝煤業有限公司井下巷道及開采空間統計表，分別對280m排水平硐以下的160，70，-20m水平進行統計，160m水平巷道空間為356 890m3，開采空間為3 004 800m3；70m水平巷道空間為314 300m3,開采空間為2 138 400m3；-20m水平巷道空間為301 630m3,開采空間為2 234 100m3。由于巷道基本為巖巷，積水后積水空間即為巷道空間，而采空區采用全部自然陷落法管理頂板，采空區少部分空間未被煤層直接頂充填壓實，取未充填系數0.3，可計算出重慶劉家溝煤業有限公司礦井積水空間：

(1)

式中,Vj為礦井積水空間，m3；Vh為巷道積水空間，m3；Kc為采空區未充填系數，取0.3；Vc為采空區積水空間，m3。

通過式(1)可計算出各水平和總積水空間。劉家溝煤業有限公司可能形成的老空積水量為3 186 010m3，其中160m水平1 258 330m3，70m水平955 820m3，-20m水平971 860m3。

3　相鄰礦井井巷工程影響評價

3.1邊界煤柱情況及完整性

劉家溝煤業有限責任公司、磨心坡煤礦兩礦形成不規則K2、K6隔離煤柱。井田隔離煤柱內無掘進巷道，K2煤層煤柱區未受相鄰煤層開采影響，巖石已穩定，煤柱區域構造簡單，未受斷層切割破壞，煤體結構完整性較好。

K6煤層煤柱區受下鄰K2煤層開采影響，巖石已穩定，煤柱區域構造簡單，未受斷層切割破壞，但煤柱留設不規則。K6煤層開采后導水裂隙帶發育高度為22.56m，急傾斜煤層開采后的導水裂隙帶高度發育在本煤層及頂板地層，劉家溝煤業有限責任公司176m標高K6大巷部分處于磨心坡K6煤層采煤工作面正上方，正好在其導水裂隙帶內，煤柱受到破壞，完整性較差。

3.2邊界煤柱穩定性計算依據

留設防(隔)水煤柱是煤礦防治水工作的重要措施，根據目前《煤礦防治水規定》建議,防隔水煤柱計算不能適應不同地質條件，應結合前人研究經驗考慮采空區積水壓力、煤柱自身穩定性等因素的影響[9]。磨心坡煤礦共有可采煤層7層，其中全區可采2層(K2、K6)，大部可采3層(K4、K8、K9)，局部可采2層(K5、K7)。劉家溝煤礦開采煤層為K2和K6。

目前，井田邊界防水煤柱寬度計算主要來自于規范及經驗公式，考慮抵抗靜水壓力等所需和采動破壞等[10]。井田邊界防水煤柱寬度為

(2)

式中，Lp為考慮抵抗靜水壓力所需留設煤柱寬度，m，Lq為考慮煤層受支承壓力作用產生的屈服帶寬度，m；LT為考慮測量誤差的煤柱寬度，m。

劉家溝煤礦停止抽排水后，由于中斷排水，礦井水位上升，對井田邊界煤柱產生順層靜水壓力作用。根據《煤礦防治水規定》，抵抗靜水壓力的煤柱寬度經驗公式為

(3)

式中，K為安全系數；M為煤層厚度；Kp為煤的抗拉強度；P為水頭壓力。

考慮采動破壞等所需的井田邊界防水煤柱寬度為

(4)

式中，Lf為考慮采動破壞等所需的井田邊界煤柱寬度，m，其他符號含義同前。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，考慮采動破壞所需的井田邊界防水煤柱寬度，可用基巖裂縫角和相應的安全防水煤巖柱垂高圈定，防水煤柱寬度Lf與安全防水煤巖柱垂高Hf計算如下：

(5)

式中，δ為基巖裂縫角;HL為導水裂隙帶高度，m；Hb為保護層厚度，取18m(按照“三下”規程附表6-6取值)。

3.3邊界煤柱穩定性評價

劉家溝煤礦停止抽排水后，最終充水水源為地表雨水，礦坑充水后的最終水位將與地表雨水滲漏進入的含水層水位一致，且最終經由劉家溝煤礦平硐排出，平硐標高為272.93m。按照不同的方法計算，邊界煤柱所需寬度如表2。

表2　邊界煤柱計算寬度

K6、K2煤層井田邊界煤柱安全寬度取兩種方法的最大值，即K6煤層不小于40.98m；K2煤層不小于71.16m。實際測量兩礦K6煤層邊界煤柱寬度為8～43m，K2煤層邊界煤柱寬度為32～115m。K2煤層井田隔離煤柱實際留設煤柱滿足煤柱寬度，且煤體結構完整性較好，隔水效果好，從K2煤柱薄弱帶突水可能性小。K6煤層井田隔離煤柱實際留設煤柱不滿足煤柱寬度要求，并且176m標高K6煤層處于導水裂隙帶內，煤柱受到破壞，完整性較差，長期在積水高壓狀態下，隔水效果差，突水可能性大。

綜上所述，理論上K2煤層井田實際留設煤柱滿足煤柱寬度要求，采空區積水不會沿邊界煤柱進入磨心坡煤礦，但煤層傾角越大煤柱圍巖變形量不對稱分布趨勢越明顯，且由于煤柱呈下窄上寬的形狀，煤柱自身穩定性差，仍應采取防治措施。如：礦井在閉坑前可以采取注漿堵水工程等防治水措施[11-12]。在磨心坡煤礦230，-10，-115，-220m各水平建立監測監控系統，并提前安放排水設施[13-14]，設立觀測站點，對劉家溝煤礦水位水質進行監測，預測鄰礦的水力聯系和未來排泄點[15]。

4　結　語

劉家溝煤業有限公司閉坑停止抽排礦井水后，磨心坡煤礦形成了以現生產水平為中心的疏降地下水漏斗，即劉家溝煤業有限公司區域內的地下水、采空區積水將會流向仍在抽排水的磨心坡煤礦井下，從而發生水力聯系。通過對比近5a來礦井涌水量數據，劉家溝煤礦停止抽排礦井水后，相鄰礦井2014年11月礦井涌水量陡增，在歷年月降雨量變化不大的情況下，推測此時鄰近礦井涌水量的增加與礦井停止抽排水有關。在借鑒前人經驗的基礎上，綜合考慮煤柱抵抗的靜水壓力、受支承壓力作用產生的屈服帶、井下測量誤差、兩側采動裂隙影響等因素，在鄰礦停止抽排水條件下，以《煤礦防治水規定》為基準，同時考慮煤柱自身穩定性，對煤礦井巷工程進行穩定性評價，為鄰近礦井的防治水工作提供參考。

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(收稿日期2016-03-10)

*重慶市杰出青年基金項目(編號：cstc2014jcyjjq0020)。

黃丹(1984—)，女，工程師，博士研究生，710054 陜西省西安市。