废弃煤矿积水对相邻煤矿的威胁分析

吴玉川 李 磊

（1、河南理工大学资源环境学院，河南 焦作454150 2、河南焦煤能源公司九里山矿，河南 焦作454150）

近年来，煤炭资源逐渐枯竭，全国各地煤矿都面临着关闭的问题，从而可能会引发一系列的难题。矿井闭坑后不仅使周围环境发生变化，还对邻近矿井造成很大的影响。不少学者对闭坑进行了大量的研究，包括了隔水煤柱[1]、水位回升过程[2]等。由于矿井的闭坑，井下不在排水，地下水位逐渐恢复，原来的水流场会发生变化，可能会使周围矿井发生突水。因此，进行废弃煤矿积水的研究对邻近煤矿的安全生产有很大帮助。

大量学者在闭坑矿井水害分析上进行了广泛的研究。杨高峰等[3]以晋城矿区凤凰山矿为研究对象，借助suffer 软件绘制了周围矿区的水流趋势图，对矿井的积水过程进行了分析，并提出了治理方案；周建军等[4]基于FEFLOW 软件进行了废弃煤矿水位回升过程的数值模拟，得到了不同介质在充水淹没过程中的水流和水位回弹特征。本文以九里山矿为研究对象，研究演马矿积水量对两矿之间的隔水煤柱的影响。

1 研究区概况

1.1 地理概况

演马矿位于焦作的东北部，北部以九里山断层为界，南部以凤凰岭断层为界，东部以方庄断层为界，井田面积约15km2，主要开采煤层为二1 煤层。根据资料显示，演马矿于2018 年10月份关闭，闭坑后矿井不排水，水位开始上升，采空区的积水会对与九里山矿14142 工作面之间的隔水煤柱造成影响。14142工作面位于14 采区西翼下部，走向长756m，倾向宽150m。地面标高在+92.5m 左右，西部为两矿井之间的边界煤柱。

1.2 构造

14142 工作面所在区域地层整体呈单斜构造，工作面回采区域二1 煤层多以粒状及块状为主，煤层结构简单，属较稳定煤层。另外在该工作面揭露4 条正断层，揭露断层落差在0.4～2.0m 之间，断层倾角在55°～65°之间（断层产状见表1）。

表1 断层产状一览表

2 废弃矿井积水情况

根据演马矿的水文地质条件分析，演马矿积水水源主要包括几个方面：①地表水；②大气降水；③松散含水层水；④灰岩裂隙水；⑤岩溶水。如果两矿之间留设的隔水煤柱宽度抵抗不住积水的水压，煤岩柱破坏，演马矿积水将大量涌入14142 工作面，就会发生突水事故。因此分析闭坑矿井积水情况对邻近矿井是至关重要的。

2.1 废弃矿井积水计算

根据资料显示，演马庄矿27 采区的积水对隔水煤柱影响很大，因此对27 采区的积水量进行计算，从而可以定量的计算留设的防隔水煤柱是否能抵抗住27 采区积水区的水压。本文回采空间法计算公式[5]，有水力联系的煤层采空区积水量之和

式中K－充水系数，采空区一般取K1=0.25～0.5，

煤巷一般取K2=0.5-0.8，岩巷一般取K2=0.8-1.0；

M－采空区的平均采高线或煤厚，m；

F－采空积水区的水平投影面积，m；

α－煤层倾角，（°）；

W－积水巷道原有断面面积，m；

L－不同断面的巷道长度，m。

为了确定不同水平的采空积水区面积，以二1 煤层底板等高线作为底面，以50m 为等高距，本次计算中充水系数取K1取0.25，采空区的平均采高为6.6m，煤层平均倾角为11°，巷道充水系数取0.6，巷道宽度和高度都为4m。根据公式（2）和公式（3）可分别计算采空区面积、采空区积水体积和巷道的体积，从而可得到采空区积水体积即采空区积水量为235572.555m2（见表2）。

表2 采空区积水体积

2.2 废弃煤矿地下水动态分析

根据演马庄矿27 采区的涌水量与地下水位的观测数据对比分析可发现，其涌水量与水位存在一定的相关性，可以得到水位、水量与时间的关系曲线（如图1），根据图1 中曲线的上升趋势可知，演马庄矿在刚关闭时，水位和水量总体上都是上升的趋势。

表3 涌水量-水位数据表

图1 闭坑煤矿水位回升曲线

由图1 中水位和水量变化可知，矿井涌水量与水位具有一定相关关系。从而可分析27 采区充水过程，水位由于闭坑矿井底部采空区面积较小，原来的积水很快就淹没整个矿井底部，因此前期水位上升快；随着水位的上升，矿井中部采空区面积变大，其积水补给速度也基本处于一定的情况下，水位回升变慢；当矿井中的水淹没下部和中部的时候，由于上部采空区面积变小，其积水速度较快，水位回升也较快，最终当闭坑矿井的补给量等于对相邻矿井的排泄量，水位上升至最大高度。根据最近的27 采区东部水位观测孔观测数据显示，现27 采区采空区水位上涨幅度约0.15m/d，预计该采区水位将最终上涨至+72m 左右，该采区等高线值最大为-200m，因此27 采区的最大水头高度为272m。

3 隔水煤柱留设宽度研究

3.1 经验公式计算的隔水煤柱

按照探放水安全距离计算经验公式[6]计算如下：

式中：L-煤柱留设宽度（m）

K-安全系数；一般取2-5

M-煤厚或采高（m）

P-水头压力；MP

Kp-矿柱平均抗张强度（Pa）

将p=ρgh 代入公式，其中ρ 为水的密度，g 为重力加速度，h 为最大水头高度272m，M=5.5m，Kp=1.3×106Pa，则取K=5时

取K=2 时

结合该矿实测资料，当演马庄矿27 采区积水最大水头高度为272m 时，与之邻近的14 采区安全开采需要留设的最小隔水煤柱宽度为13.78m，安全煤柱宽度为34.4m。依据实测与计算结果，九里山矿14142 工作面与演马庄矿27 采区间隔水煤柱最小宽度为65m，远大于理论计算需要留设的防隔水煤柱宽度，由此可判断，目前留设的煤柱无溃决危险。

3.2 极限平衡下的隔水煤柱计算

由于经验公式中并没有考虑矿山压力对隔水煤柱的影响，导致理论计算的隔水煤柱留设宽度与实际情况存在一定的误差。通常受采动影响，会引起应力的重新分布，一般煤柱两侧会形成一定宽度的极限平衡区，使整个煤柱在不同区域呈现不同的物性状态。隔水煤柱的留设宽度被划分为两侧的极限平衡区和中心弹性区长度，根据极限平衡理论[7]，可以计算出一侧极限平衡区的宽度x0：

其中M，c，φ 分别为煤层厚度、粘结力和内摩擦角；

f 为煤层顶、底板之间的摩擦因数；

H，γ 分别为煤层埋深和上覆岩层的平均容重；

K 为受采动影响时两区交界处的峰值应力集中系数；

σx0 为两区交界x0 处的水平应力；

λ 为侧压系数，λ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。

根据矿区的地质资料和物理力学性质可知，各参数值煤厚M=5.5m，c=1Mpa，φ=30° ，f=tan φ/4=0.144，H=230m，γ=2.6g/cm3根据公式（5）可以计算出两侧极限平衡区的宽度为45.6m，弹性区的临界宽度为5.64m，即计算隔水煤柱留设宽度为51.24m，因此目前留设的煤柱宽度合理。

4 结论

4.1 采用回采空间法计算闭坑矿井27 采区的积水量，并预计27 采区可能达到的最大水压；对27 采区水位和水量变化过程进行了分析，发现矿井涌水量与地下水变化具有一定相关性。

4.2 利用经验公式和极限平衡理论公式分别对两矿之间的留设宽度进行了计算，两种计算结果得出的隔水煤柱留设的宽度都可以抵挡住演马庄矿的水压。