魏啟明

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750000)

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廢棄礦井防隔水煤巖柱計算研究

魏啟明

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750000)

[摘要]羊場灣煤礦Ⅱ020601工作面位于羊場灣煤礦二號井西北側(cè)，主采6煤。Ⅱ020601工作面緊鄰已關(guān)停的磁窯堡煤礦。為了核實磁窯堡煤礦采空區(qū)與Ⅱ020601工作面回采之間煤柱留設(shè)是否足夠，確保工作面安全回采，分析了工作面回采后的導(dǎo)水通道，計算了導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度及塌陷角距離，進(jìn)一步核實了煤柱留設(shè)距離，為工作面防治水提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]老空水；煤柱；導(dǎo)水裂縫帶；塌陷角

近年來,由于資源枯竭、開采經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件和國家宏觀政策調(diào)整等原因，我國煤礦關(guān)閉進(jìn)入高峰期，每年都有上百個小煤礦停產(chǎn)關(guān)閉,關(guān)閉的礦井留下大量的采空積水區(qū)，造成鄰近生產(chǎn)礦井水文地質(zhì)條件的巨大變化，威脅相鄰礦井的安全生產(chǎn)，并已經(jīng)成為我國煤礦重特大事故的危險源。

據(jù)統(tǒng)計，2005-2010年因老空透水造成的重特大事故12起，居各種重特大水害事故因素之首。如何在不浪費(fèi)煤炭資源的前提下確定廢棄礦井與回采工作面的防隔水煤巖柱寬度成為一個亟待解決的問題。

1研究區(qū)概況

羊場灣煤礦Ⅱ020601工作面羊場灣二號井為6煤首采工作面，Ⅱ020601工作面頂板為本礦2煤采空區(qū)。Ⅱ020601工作面西側(cè)緊鄰磁窯堡2煤采空區(qū)，有部分采空區(qū)位置位于Ⅱ020601工作面正上方。

Ⅱ020601工作面從2014年12月起正式開始施工疏放鉆孔，其中6個鉆孔施工至磁窯堡采空區(qū)。最終1#、2#鉆孔對采空區(qū)進(jìn)行了有效疏放。兩個鉆孔終孔位置均進(jìn)入了磁窯堡采空區(qū)積水區(qū)內(nèi)。鉆孔剛施工完畢為2014年12月初，當(dāng)時兩個鉆孔總涌水量為64 m3/h。之后1#、2#鉆孔涌水量逐漸增加，到12月22日兩個鉆孔總涌水量達(dá)到232 m3/h。之后隨著不間斷疏放水，磁窯堡老空區(qū)積水逐漸通過兩個鉆孔排出，兩個鉆孔疏放水總水量呈現(xiàn)出較大波動，后期呈逐漸衰減的趨勢，到4月21的41 m3/h，衰減的幅度也隨之逐漸減小。疏放水鉆孔水壓由最初12月的1.6 Mpa呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢，到4月21的0.87 Mpa，衰減的幅度也隨之逐漸減小，至5月12日，涌水量穩(wěn)定在50 m3/h左右。疏放水鉆孔與采空區(qū)最低點(diǎn)高差為84 m，由此計算磁窯堡采空區(qū)剩余積水水頭高度不到5 m。

2導(dǎo)水裂縫帶影響研究

工作面回采后主要的導(dǎo)水通道包括：工作面回采后頂板垮落形成的導(dǎo)水裂縫帶；工作面回采影響區(qū)域的導(dǎo)水構(gòu)造；工作面內(nèi)封閉不良鉆孔。

2.1兩帶高度計算

1205、1305、5127鉆孔資料顯示Ⅱ020601工作面6煤煤層厚度為2.66～2.88 m，平均2.74 m。根據(jù)勘探資料顯示6煤頂板單軸抗壓強(qiáng)度在10.45～37.48 Mpa之間。

根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中的分類標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)水裂縫帶高度計算時頂板巖性應(yīng)按中硬計算。

因此導(dǎo)水裂縫帶高度計算公式應(yīng)選擇下式計算：

式中：Hf為導(dǎo)水裂縫帶最大高度，m；M為累計采厚；

表1　導(dǎo)水裂縫帶高度計算表

另外根據(jù)靈新礦“上三帶”觀測試驗成果，煤層裂采比為20.8倍，冒采比為9.4倍，

據(jù)此，羊場灣煤礦Ⅱ020601工作面煤開采后，裂縫帶發(fā)育高度：

2.74 m×20.8=56.8 m(平均)。

工作面回采后，裂縫帶發(fā)育高度為56.8 m，加上2煤回采后底板可能的擾動存在，頂板采動裂隙成為工作面充水的主要通道。

2.2巖移影響帶煤柱計算

利用覆巖移動和頂板導(dǎo)水裂隙帶高度二者相結(jié)合的方法確定首采工作面巖移影響帶寬度(L)。其計算公式如下：

L=Hfctgδ

式中：Hf為導(dǎo)水裂隙帶高度，(m)；M為累計采厚，(m)；δ為塌陷角，(°)。

導(dǎo)水裂隙帶高度：

Hf=56.8 m

首采工作面塌陷角根據(jù)測試取值δ=65°；

則巖移影響帶寬度為：

L3=Hfctgδ=26.5 m

3煤柱核算

3.1根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三第二條計算

在水淹區(qū)下或老窯積水區(qū)下同一煤層中進(jìn)行開采時，若水淹區(qū)或老窯積水區(qū)的界限已基本查明，防隔水煤柱的尺寸應(yīng)當(dāng)按下面公式規(guī)定留設(shè)：

L=0.5 KM(3P/Ka)1/2

式中：L為安全煤柱留設(shè)寬度，m；K為安全系數(shù)，一般取2～5，但在相鄰礦井人為邊界防水煤柱時一般取4～10；M為煤層厚度或采高，m；P為水頭壓力，Mpa；Ka為煤層抗拉強(qiáng)度，Mpa，一般取0.2～1.4；

偏安全考慮，各參數(shù)取值如下，安全系數(shù)K取10，煤層采厚M為2.74 m，水頭壓力P取0.85 Mpa，煤層抗拉強(qiáng)度Ka取0.2。

L=28.92 m

圖1　含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱留設(shè)圖

根據(jù)規(guī)定計算得到的安全煤柱應(yīng)不小于28.92 m，實際工作面已推進(jìn)位置與采空區(qū)距離最小處為66 m，因此，利用現(xiàn)有資料，初步計算留設(shè)的煤柱寬度滿足要求。但是切眼位置工作面與采空區(qū)水平距離最小處為7 m，遠(yuǎn)小于煤柱距離。

另一方面當(dāng)鉆孔封閉后，水壓將回升至1.6 Mpa。

帶入式L=0.5 KM(3P/Ka)1/2計算得到，煤柱應(yīng)大于67.12 m。此時煤柱寬度將不滿足要求。

3.2根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定釋義》附錄三第五條計算

水淹區(qū)或老窯積水區(qū)下采掘時防隔水煤(巖)柱的留：

防隔水煤(巖)柱的尺寸，不得小于導(dǎo)水裂縫帶最大高度與保護(hù)帶高度之和，保護(hù)帶高度可按下式計算：

式中：p為防隔水煤(巖)柱所承受的靜水壓力，Mpa；Ts為臨界突水系數(shù)，Mpa/m；10為保護(hù)帶厚度，一般取10 m。

p取采空區(qū)水壓，目前是0.85,Mpa，聚壓后將達(dá)到1.6 Mpa，臨界突水系數(shù)Ts按0.06計算。

當(dāng)保護(hù)帶高度Ha在0.85 Mpa壓力下為24 m，在1.6 Mpa壓力下為37 m。

4結(jié)語

因此Ⅱ020601工作面防隔水巖柱的厚度廢棄礦井積水壓力在0.85 Mpa時至少需要留設(shè)80.8 m，廢棄礦井積水壓力在1.6 Mpa時至少需要留設(shè)93.8 m。

由于煤層開采標(biāo)高按鉆孔開孔位置為+1 005 m左右，磁窯堡煤礦采空區(qū)底板高度+1 090 m，在0.855 Mpa壓力下煤柱達(dá)到85 m，煤柱足夠；但當(dāng)壓力達(dá)到1.6 Mpa時，煤柱明顯不足。

當(dāng)然Ha取值是偏安全的，因為Ha不僅是保護(hù)帶，它也是防隔水煤(巖)柱，但這里取為保護(hù)帶計算，可保證安全。另外，導(dǎo)水裂縫帶實測高度與計算值會有差異，存在開采后導(dǎo)水裂縫帶高度因特定情況大于理論計算值的可能性。

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[收稿日期]2015-10-26

[基金項目]十二五國家科技支撐計劃課資助項目題(2012BAC10B03)

[作者簡介]魏啟明(1981-)，男，寧夏鹽池人，高級工程師，主要從事煤礦防水管理工作。

[中圖分類號]TD163+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0036-02