廢棄煤礦積水對相鄰煤礦的威脅分析

吳玉川 李 磊

（1、河南理工大學資源環境學院，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閉的問題，從而可能會引發一系列的難題。礦井閉坑后不僅使周圍環境發生變化，還對鄰近礦井造成很大的影響。不少學者對閉坑進行了大量的研究，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，原來的水流場會發生變化，可能會使周圍礦井發生突水。因此，進行廢棄煤礦積水的研究對鄰近煤礦的安全生產有很大幫助。

大量學者在閉坑礦井水害分析上進行了廣泛的研究。楊高峰等[3]以晉城礦區鳳凰山礦為研究對象，借助suffer 軟件繪制了周圍礦區的水流趨勢圖，對礦井的積水過程進行了分析，并提出了治理方案；周建軍等[4]基于FEFLOW 軟件進行了廢棄煤礦水位回升過程的數值模擬，得到了不同介質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象，研究演馬礦積水量對兩礦之間的隔水煤柱的影響。

1 研究區概況

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。根據資料顯示，演馬礦于2018 年10月份關閉，閉坑后礦井不排水，水位開始上升，采空區的積水會對與九里山礦14142 工作面之間的隔水煤柱造成影響。14142工作面位于14 采區西翼下部，走向長756m，傾向寬150m。地面標高在+92.5m 左右，西部為兩礦井之間的邊界煤柱。

1.2 構造

14142 工作面所在區域地層整體呈單斜構造，工作面回采區域二1 煤層多以粒狀及塊狀為主，煤層結構簡單，屬較穩定煤層。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（斷層產狀見表1）。

表1 斷層產狀一覽表

2 廢棄礦井積水情況

根據演馬礦的水文地質條件分析，演馬礦積水水源主要包括幾個方面：①地表水；②大氣降水；③松散含水層水；④灰巖裂隙水；⑤巖溶水。如果兩礦之間留設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，就會發生突水事故。因此分析閉坑礦井積水情況對鄰近礦井是至關重要的。

2.1 廢棄礦井積水計算

根據資料顯示，演馬莊礦27 采區的積水對隔水煤柱影響很大，因此對27 采區的積水量進行計算，從而可以定量的計算留設的防隔水煤柱是否能抵抗住27 采區積水區的水壓。本文回采空間法計算公式[5]，有水力聯系的煤層采空區積水量之和

式中K－充水系數，采空區一般取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－采空區的平均采高線或煤厚，m；

F－采空積水區的水平投影面積，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，本次計算中充水系數取K1取0.25，采空區的平均采高為6.6m，煤層平均傾角為11°，巷道充水系數取0.6，巷道寬度和高度都為4m。根據公式（2）和公式（3）可分別計算采空區面積、采空區積水體積和巷道的體積，從而可得到采空區積水體積即采空區積水量為235572.555m2（見表2）。

表2 采空區積水體積

2.2 廢棄煤礦地下水動態分析

根據演馬莊礦27 采區的涌水量與地下水位的觀測數據對比分析可發現，其涌水量與水位存在一定的相關性，可以得到水位、水量與時間的關系曲線（如圖1），根據圖1 中曲線的上升趨勢可知，演馬莊礦在剛關閉時，水位和水量總體上都是上升的趨勢。

表3 涌水量-水位數據表

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關系。從而可分析27 采區充水過程，水位由于閉坑礦井底部采空區面積較小，原來的積水很快就淹沒整個礦井底部，因此前期水位上升快；隨著水位的上升，礦井中部采空區面積變大，其積水補給速度也基本處于一定的情況下，水位回升變慢；當礦井中的水淹沒下部和中部的時候，由于上部采空區面積變小，其積水速度較快，水位回升也較快，最終當閉坑礦井的補給量等于對相鄰礦井的排泄量，水位上升至最大高度。根據最近的27 采區東部水位觀測孔觀測數據顯示，現27 采區采空區水位上漲幅度約0.15m/d，預計該采區水位將最終上漲至+72m 左右，該采區等高線值最大為-200m，因此27 采區的最大水頭高度為272m。

3 隔水煤柱留設寬度研究

3.1 經驗公式計算的隔水煤柱

按照探放水安全距離計算經驗公式[6]計算如下：

式中：L-煤柱留設寬度（m）

K-安全系數；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

取K=2 時

結合該礦實測資料，當演馬莊礦27 采區積水最大水頭高度為272m 時，與之鄰近的14 采區安全開采需要留設的最小隔水煤柱寬度為13.78m，安全煤柱寬度為34.4m。依據實測與計算結果，九里山礦14142 工作面與演馬莊礦27 采區間隔水煤柱最小寬度為65m，遠大于理論計算需要留設的防隔水煤柱寬度，由此可判斷，目前留設的煤柱無潰決危險。

3.2 極限平衡下的隔水煤柱計算

由于經驗公式中并沒有考慮礦山壓力對隔水煤柱的影響，導致理論計算的隔水煤柱留設寬度與實際情況存在一定的誤差。通常受采動影響，會引起應力的重新分布，一般煤柱兩側會形成一定寬度的極限平衡區，使整個煤柱在不同區域呈現不同的物性狀態。隔水煤柱的留設寬度被劃分為兩側的極限平衡區和中心彈性區長度，根據極限平衡理論[7]，可以計算出一側極限平衡區的寬度x0：

其中M，c，φ 分別為煤層厚度、粘結力和內摩擦角；

f 為煤層頂、底板之間的摩擦因數；

H，γ 分別為煤層埋深和上覆巖層的平均容重；

K 為受采動影響時兩區交界處的峰值應力集中系數；

σx0 為兩區交界x0 處的水平應力；

λ 為側壓系數，λ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。

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

4 結論

4.1 采用回采空間法計算閉坑礦井27 采區的積水量，并預計27 采區可能達到的最大水壓；對27 采區水位和水量變化過程進行了分析，發現礦井涌水量與地下水變化具有一定相關性。

4.2 利用經驗公式和極限平衡理論公式分別對兩礦之間的留設寬度進行了計算，兩種計算結果得出的隔水煤柱留設的寬度都可以抵擋住演馬莊礦的水壓。