孫澤光
(山西焦煤霍州煤電 干河煤礦,山西 洪洞 041000)
山西霍寶干河煤礦有限公司2-300 運輸順槽工作面井下相對位置位于三采區(qū)3 條大巷右翼,2-300 工作面西側鄰近2-301 采空區(qū),南側為三采區(qū)系統(tǒng)大巷,東側、北側均為實體煤,工作面位置詳情如圖1 所示。2-300 運輸順槽為滿足2-300 回采工作面煤炭運輸和進風等而設計施工的,設計長度為1 540 m,巷道坡度-6°下山,尋2 號煤后,沿2 號煤層頂板掘進。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回采工作面開采2 號煤層,2 號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。預測2-300 運輸順槽鄰近的2-301 采空區(qū)存在積水,為保證巷道掘進安全,留設防水煤柱,計算合理寬度。
2-300 巷施工范圍內地表覆蓋有較厚的新生界黃土、粉質粘土及砂質粘土,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,地表水很難通過地表裂縫灌入井下。井口標高高于當?shù)貧v年最高洪水位,井口不受地表水威脅。預測地表水及大氣降水對2-300 巷不會造成威脅。
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,長石石英細一中粒砂巖,含水層位于1、2 號煤層以上,K8細粒砂巖厚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,水文地質特征與K8砂巖相似,為弱富水性的裂隙含水層,對采掘影響較小,預測頂板砂巖裂隙水對2-300 巷不會造成威脅。
1、2 號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,煤層處于相對安全區(qū),正常區(qū)城無突水威脅。
2-301 采空區(qū)以停采約3 a,具有穩(wěn)定的補給量,現(xiàn)階段2-301 運輸順槽擋水墻出水量穩(wěn)定在155~195 m3/h,預測2-301 采空區(qū)已全部積水,積水壓力為0.3~1.15 MPa,預測積水量約80 萬m3。
為防止掘進工作面受到鄰近采空區(qū)積水的威脅,需留設合理寬度的區(qū)段煤柱,起到隔絕采空區(qū)積水的作用。2-300 運輸順槽掘進期間需建立完善可靠的排水系統(tǒng),安設2 趟6 寸排水管路,迎頭熱備2 臺水泵,水泵總排水能力不小于300 m3/h,且2 臺水泵分別與兩趟6 寸排水管路連接。
由于干河煤礦2-300 運輸順槽鄰近的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 防水煤柱結構示意Fig.2 Waterproof coal pillar structure
區(qū)段防水煤柱寬度可根據(jù)下式進行計算:
式中:l 為防水煤柱寬度,m;l1為回采側煤壁塑性破壞深度,m;l2為煤柱內彈性核區(qū)跨度,m;l3為積水采空區(qū)側煤柱破壞區(qū)深度,m;
煤柱回采側塑性破壞深度l1理論計算公式:
式中:h 為煤柱寬度,取2 號煤層厚度3.9 m;d為工作面采動影響系數(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 為煤層內聚力,2 號煤層取1.3 MPa;h 為煤柱高度,取3.9 m;φ 為煤層內摩擦角,取25°;K2為煤柱中部應力集中系數(shù),取2.0;σx0為彈性核區(qū)在采空區(qū)積水側邊界處水平應力,取11.2 MPa。通過式(3)計算得l2=0.80 m。
參照學者方剛[4]對于水壓破壞區(qū)的求解,水壓破壞區(qū)l3計算公式:
式中:η 為水對煤體的軟化系數(shù),2 號煤層取0.4;K3為水壓破壞區(qū)內應力集中系數(shù),取4。
通過式(4)計算可得l3=14.7 m。
綜上分析可得,2-300 運輸順槽區(qū)段防水煤柱寬度l=l1+l2+l3=9.0+0.80+14.7=24.5 m,說明區(qū)段煤柱合理寬度不應小于24.5 m,綜合考慮后設計2-300 運輸順槽與2-301 采空區(qū)間煤柱寬度為30 m。
根據(jù)《煤礦防治水細則》中防水煤柱寬度計算公式進行校核:
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為煤體的抗拉強度,2 號煤層取0.65 MPa。通過式(5)計算可得L 的取值范圍為9.0~22.5 m。上文研究確定的煤柱留設寬度為30 m,滿足《煤礦防水細則》中的要求。
通過以上研究分析,設計2-300 運輸順槽與2-301 采空區(qū)間隔30 m 防水煤柱布置,巷道掘進施工完成后,對煤柱內富水情況進行探測。根據(jù)此次探測的對象2-300 運輸順槽防水煤柱分布特征,采用操作簡便、探測結果靈敏的瞬變電磁法探測技術。此次探測采用中煤科工研發(fā)生產(chǎn)的YCS2000A礦用瞬變電磁儀,儀器如圖3(a)所示,為了更加精準的掌握防水煤柱內富水情況,并能夠探查煤柱上方頂板5~30 m 內巖層富水情況,在每個測點分別進行煤柱側水平方向、煤柱側向上45°、煤柱側向上75°方向的探測,測點布置間距6 m,測線總長度1 500 m,共設置250 個測點,探測方向詳細情況如圖3(b)所示,累計采集瞬變電磁數(shù)據(jù)750 組,為減小工作面巷硐電流對探測結果的干擾,探測期間工作面設備斷電。
圖3 瞬變電磁探測方案Fig.3 Transient electromagnetic detection scheme
通過現(xiàn)場探測得到煤柱內視電阻率等值線圖,由于探測煤柱長度達到1 500 m,為方便展示探測結果,以距2-300 工作面開切眼500 m 范圍內的探測結果為例,視電阻率等值線圖如圖4 所示。
圖4 井下瞬變電磁探測結果Fig.4 Underground transient electromagnetic detection results
根據(jù)圖4 結果分析可知,在積水采空區(qū)側,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 運輸順槽一側的煤柱內,煤柱及頂板巖層視電阻率基本穩(wěn)定在45~75 Ω·m,說明采空區(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)判別的標準,綜合對比分析3 個方向上的視電阻率等值線圖可得,煤柱內存在的低阻區(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點處皮帶輸送機和鋼軌影響所致,不作為富水異常解釋;②距切眼60~120 m,視電阻率較低,分析后判斷為測點處鉆機影響所致,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)積水對于區(qū)段防水煤柱的影響深度為5~12 m,煤柱內彈性核區(qū)寬度為9~16 m,煤柱完整性及隔水效果較好,留設30 m 區(qū)段防水煤柱合理可靠。
以干河煤柱2-300 運輸順槽鄰近積水采空區(qū)沿空掘巷為背景,通過收集水文地質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非常關鍵。通過理論分析計算得到防水煤柱合理寬度為24.5 m,由此設計留設30 m 的防水煤柱,校驗結果表明符合《煤礦防治水細則》中相關條款要求。巷道掘進施工完成后,采用瞬變電磁法探測煤柱內富水情況,研究分析表明,防水煤柱內水壓破壞區(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)。