杨村煤矿与田庄煤矿边界永久隔离研究

2013-11-06杨松，梁兵

江西煤炭科技 2013年1期

杨松，梁兵

（1.山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛266590；2.内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司色连一号井，内蒙古鄂尔多斯017008）

兖矿集团杨村煤矿采用立井单水平开拓，开拓布置方式采用分采区上下山联合布置。3煤采用走向或倾斜长壁综合机械化放顶煤开采方法，16上、17煤采用走向或倾斜长壁综合机械化采煤法或炮采。现生产采区为四采区、六采区、十采区和三煤采区。其中六采区由于田庄煤矿越界开采，给杨村煤矿造成经济损失的同时也带来了重大的安全隐患。为了消除安全隐患，杨村煤矿需要与相邻煤矿实施永久隔离方法。依据《煤矿防治水规定》以及《煤矿安全规程》中相关规定，对杨村煤矿与田庄煤矿边界隔离进行研究。

1 田庄煤矿越界开采基本情况

田庄煤矿在一采区北翼开采本矿井田边界煤柱76.3 kt煤后，越界进入兖矿集团杨村煤矿境内，开采杨村煤矿井田边界煤柱70.3kt煤炭，采出杨村煤矿六采区上部（原八采区）煤炭479.2kt，累计越界开采面积0.24km2，越界开采煤量共计625.8kt。田庄煤矿界外开采共计5个小面，其中16层煤开采了3个工作面，分别为11610辅面、11609辅面和11610东辅面；17层煤开采了2个工作面，分别为11707东辅面和11707辅面。

2 井田边界隔离设计方案

2.1 方案提出

根据有关规程和规定，结合田庄煤矿越界开采杨村煤矿资源的实际情况，现提出三种可能的边界隔离方案。

方案一：留设防隔水煤（岩）柱；方案二：留小煤柱与浇筑防水墙；方案三：采空区注浆隔离。

2.2 边界隔离方案的确定

（1）留设防隔水煤（岩）柱

①防隔水煤（岩）柱尺寸留设依据。根据《煤矿防治水规定》附录三中防隔水煤（岩）柱留设的尺寸要求：“在水淹区下或老窑积水区下同一煤层中进行开采时，若水淹区或老窑积水区的界线已基本查明，防隔水煤（岩）柱的尺寸应当按附录2／3的规定留设”。附录2／3对“含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设”规定如下〔1〕：

含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设可参照经验公式（1）计算

式中：L为煤柱留设的宽度，m；K为安全系数，一般取2～5；M为煤层厚度或采高，m；P为水头压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。

②煤柱尺寸计算。杨村煤矿六采区上部可采及局部可采煤层分别为16上煤、17煤和18上煤，其中主采煤层为16上煤和17煤，16上煤和17煤平均厚度分别为1.32m和1.15m；计算时16上、17煤层厚度 M分别取1.32m和1.15m。

煤的抗拉强度Kp多在0.2～1.4MPa之间，计算时取0.8。安全系数K一般取2～5，计算时取3〔2〕。

将以上数据带入公式（1），计算可得各煤层留设的煤岩柱宽度（见表1）。

表1 防隔水煤岩柱尺寸

根据上述计算结果，防隔水煤（岩）柱按20m留设即可满足有关规定的要求。但根据《煤矿防治水规定》附录三“防隔水煤（岩）柱的尺寸要求”中有关规定：“相邻矿（井）人为边界防隔水煤（岩）柱的留设，水文地质简单型到中等型的矿井，可采用垂直法留设，但总宽度不得小于40 m。”〔1〕

故方案一留防隔水煤（岩）柱尺寸为40m。

（2）方案二留小煤柱与浇筑防水墙

①防水墙布置方案。杨村煤矿在靠近田庄煤矿越界开采的采空区附近留较小的隔离煤柱，并进行宽巷掘进，然后沿巷道靠近采空区侧浇筑混凝土防水墙〔3〕。掘巷前应在井下实施探放水工程。防水墙布置方案见图1。

图1 防水墙布置方案

宽巷掘进时，先按能满足正规生产要求的巷道断面掘进一定长度，再在巷道外帮部沿薄煤层进行扩巷。扩巷宽度即为混凝土防水墙的宽度。

在浇筑混凝土墙以前，应视煤层顶底板强度对围岩采取加固措施。由杨村煤矿工程地质条件可知：16上煤顶板为十下灰，致密坚硬；17煤顶板为十一灰，横向上常相变为粉砂岩、砂质泥岩或泥灰岩，顶板稳定性较差；两煤层底板均为泥岩，遇水易膨胀，强度比较低。因此，在浇筑混凝土墙以前，应对各煤层底板进行加固处理。其中，17煤顶板应视现场顶板情况确定是否需要加固。

混凝土浇筑段顶底板均打锚杆且对称布置，锚杆出露长度应较常规巷道段稍长。墙体四周按常规砌护墙并进行铺底。

②防水墙设计及计算公式。直墙式防水墙设计原理为墙体的承载力与静水压力平衡，而承载力是混凝土与围岩的粘结抗剪力及锚杆抗剪力之和〔4〕。直墙式防水墙受力见图2。

图2 直墙式防水墙受力示意

直墙式防水墙的截面近似于矩形截面，矩形截面的剪力强度条件τmax＜〔τ〕。由此可得τ≤〔τ〕，则抗剪力

式中：τmax为材料在横力弯曲时的最大剪应力，MPa；τ为材料在横力弯曲时的容许剪应力，MPa；〔τ〕为材料在横力弯曲时的剪应力，MPa；Q为材料在横力弯曲时的剪力，kN；S〔τ〕为材料截面面积，m2；a为墙体长度，m。

根据上述原理，混凝土与周边围岩的粘结剪应力：

式中：S粘为混凝土与围岩的粘结面积，m2；a为墙体长度，m；b为墙体高度，m；δ为墙体（密闭）宽度，m；〔τ〕粘为混凝土与围岩的容许粘结剪应力，MPa。

同理可得锚杆的剪应力：

式中：S锚为锚杆总截面面积，m2；L为锚杆纵横距，m；S为锚杆横截面积，m2；〔τ〕锚为锚杆的许用剪应力，MPa；A锚为锚固面积，m2；a为墙体长度，m。

静水压力均布于截面上的剪力为：

式中：入为超载系数，一般取1.2～1.3；P为静水压力，MPa；a为墙体长度，m；b为墙体宽度，m。

根据设计原理

将公式2、3、4代入（5）得：

于是得防水墙厚度计算公式：

③防水墙参数确定。锚杆选用HRB335型，直径为Φ20mm的螺纹钢锚杆，则锚杆横截面积S＝3.142x10－4m2，锚杆的许用剪应力〔τ〕锚＝256.9MPa，锚杆间排距 L取0.8m，混凝土与围岩的容许粘结剪应力〔τ〕粘取0.22 MPa，超载系数λ取1.2。混凝土浇筑时，每3m浇筑一次，因此混凝土墙体长度a＝3m。静水压力P＝1.07 MPa。

对于16上煤、17煤，混凝土墙体高度b的取值分别为1.32m，1.15m。

将以上参数代入公式（7）得：

统一取混凝土墙宽度为2m。

④混凝土牌号选择。六采区上部地面标高为＋40.58 m～＋42.31m，平均＋41.23m，煤层底板标高取－175，则埋藏深度 H＝175＋41.23＝216.23（m），在单一重力应力场条件下，混凝土墙承受的压力值为：

式中：K为应力集中系数，一般取2～3；r为上覆岩层平均重力密度，取27kN／m2；H为埋藏深度，m。

取K＝2.5，代入公式得：

根据《铁路隧道设计规范》中有关混凝土极限强度的规定（见表2），选取混凝土牌号为C20。

表2 混凝土的容许应力（MPa）

⑤隔离小煤柱尺寸选择。根据表1的计算结果，选取小煤柱尺寸为4m。

（3）采空区注浆隔离

采空区注浆隔离是指沿越界开采的采空区边界布置注浆钻孔并向采空区灌注水泥浆液以胶结采空区矸石，形成帷幕状阻水体，从而截断地下水流，达到防治水的目的〔5〕。该方案示意见图3。

图3 采空区注浆隔离示意

采用该方案可以只留设较小的永久隔离煤柱，根据表1的计算结果，选取小煤柱尺寸为4m。能保证有效阻水效果的水泥浆扩散半径为5～10m，即注浆区域宽度为5～10m，在采掘工程平面图上量取的注浆区域长度为1500 m，则注浆区域面积达7500～15000m2。但采用帷幕注浆隔离方案一般需要满足以下几个基本条件：过水断面狭窄；具有不透水边界；受注层具有良好的可灌注性；帷幕注浆工程实施后具有明显的经济和社会效益。

（4）边界隔离方案选择

①边界隔离方案技术分析。由以上可以看出，方案三相比方案一要大大减少隔离煤柱的损失，提高煤炭资源的回收率，但可靠性较差，注浆工程量大；方案三较方案二所消耗的混凝土量要多，且不能保证整个注浆区域内受注层有良好的可灌注性，因此该方案可靠性较差。故排除方案三。

②边界隔离方案经济比较。经上述技术分析排除了方案三，下面对方案一与方案二进行经济比较。

若按方案一，田庄煤矿与杨村煤矿的防隔水煤柱按40 m留设计算时，16上煤层留设煤柱的煤炭资源量为89.2 kt，17煤层留设煤柱的煤炭资源量为77.7kt，合计166.9 kt。

若按方案二，留设的隔离小煤柱尺寸为4m，总的煤柱资源量约为方案一煤柱总量的1／10，即16.7kt。混凝土墙的设计宽度为2m，16上煤、17煤浇筑混凝土墙时，每浇筑1m混凝土墙所需混凝土的质量分别约为6.07t和5.29t。市场上C20牌号混凝土价格约400元／t，则混凝土墙造价约为（6.07＋5.29）×400×1251元＝568.45万元。

③方案一与方案二经济对比。由方案一与方案二经济分析可以知道，方案二较方案一多回收煤炭资源150.2 kt。煤炭市场价格按680元／t计算，方案二较方案一多回收煤炭的效益为150.2kt×680元／t＝10213.6万元。方案二混凝土造价为568.45万元，故方案二比方案一多获经济效益：10213.6万元－568.45万元＝9645.15万元。

根据上述技术经济分析，本设计选择方案二作为最终方案。即杨村煤矿与田庄煤矿边界隔离采用留小煤柱与浇筑防水墙方案，其中留煤柱尺寸为4m，防水墙宽度为2 m。