采空区积水对隔水煤柱的影响及留设实践

2023-03-25徐永飞

山西化工 2023年2期

徐永飞

（山西古县兰花宝欣煤业有限公司，山西临汾 042405）

引言

山西煤炭资源赋存丰富，是我国矿区密集、产能集中的重点省份之一，存在矿井彼此相邻的现象。但由于矿井生产期间采掘顺序的不一致，相邻矿井间很多危险隐患彼此互相威胁，如果无法及时探明，将会对两矿的生产安全产生影响[1]。这其中，水害事故的影响尤为常见，据不完全统计，90%以上的矿井水害事故是采空区积水引起的，因此探明并治理与本矿有联系的采空区范围及积水量对于矿井防治水工作十分重要[2]。

留设防隔水煤柱是煤矿防治水工作的重要措施手段，针对富水煤层相贯通的煤层和含水、需保护的含水钻孔及井田边界都需要留设防隔水煤柱。但由于矿山地质条件普遍较为复杂，如果对本矿及相邻矿井的资料掌握不准确很容易造成煤柱留设的不合理，未能起到有效隔水作用[3-4]。针对这一问题，本文总结了煤柱留设后的形变规律，基于研究区水文地质条件分析，根据经验公式对煤壁、底板的破坏程度进行了研究计算，探究预留设的边界防水煤柱宽度是否满足安全开采要求。

1 采空区积水浸泡防水煤柱后的力学分析

采空区的积水长时间的浸泡会使煤柱产生一定的塑性形变，煤柱力学性质的影响主要为煤的水化作用，主要分为以下两点：

1）物理弱化作用。煤块受积水浸泡后，水分将沿煤柱的缝隙侵入煤岩内部，煤质表面附着水分子后将会削弱煤颗粒间的联系，使得煤柱出现疏松现象。

2）力学作用。积水侵入煤块后会在煤矿裂隙中产生水压，对煤块的弹性屈服极限造成破坏，煤块因此更容易受到塑性变形；此外煤块的抗剪强度也会在变形中收到破坏，煤矿整体强度受损。

因此为合理留设防隔水煤柱，将充分考虑到积水对煤柱长期的浸泡影响，充分发挥煤柱作用。为研究煤柱与采空区积水之间接触时长与变形规律，设计了煤块浸泡试验，主要目的在于对煤块抗压强度进行观察。在3 号煤层中选取15 块煤样，并按测试需要切割成符合要求的圆柱体形状。将其分为A、B、C 三组，每组煤样尺寸统一，定为30 cm（±3 cm）、25 cm（±3 cm）、20 cm（±3 cn），随后将三组煤样在矿井积水中进行50 日的浸泡试验。

煤样浸泡试验结果如图1 所示，煤柱致裂强度测试成果表明：三组煤块试验在前20 d 力学强度下降明显，随后进入平稳期；煤样的力学抗压性能随着煤柱直径的增加而提高；三组煤样的力学抗压强度较浸泡前降低了20%～30%左右。随着煤柱预留宽度的提高，抗压强度的变化范围还将进一步减小，预计最高不超过10%。

图1 煤样浸泡50 d 后抗压强度的变化

2 工程实例

2.1 宝欣矿区主采煤层采空区信息

宝欣煤业位于临汾古县，据调查，在2012 年对目前开采的3 号煤层进行了物探，如下页图2 所示，共发现有两处采空区，采空面积大约177 985 m2，积水量为118 433 m3，煤层顶板富水区3 处，顶板富水区总面积81 986.8 m2。2 个采空区异常中①号采空区基本都充水，充水总面积为64 102.8 m2；②号富水区面积为23 492.8 m2，③号富水区面积为28 244.1 m2，④号异常为已知采空区，（当时）东部有充水800 m3，圈定煤层顶板富水区3 处；⑤号富水区面积为30 249.9 m2，积水量114 462.0 m3。

图2 初期物探资料图

2017 年继续对本矿区井田东北角及中部进行了瞬变电磁勘探，结果表明：东北部区域未见异常；中部区域推断3 号煤层采空积水区8 处，总面积95 521 m2，K8 砂岩富水异常区11 处，总面积175 827 m2，具体见表1。

表1 3 号煤层采空积水区一览表

2.2 相邻矿井积水情况信息

宝欣煤业在3102 进风顺槽向西有测点26 至测点28 煤层厚度逐渐变薄至不可采，再由测点28 至测点29 煤层厚度逐渐变厚至可采，经分析可能是一煤层冲刷变薄带。本矿周边矿井对本矿采掘有影响的主要为北部相邻的山西泓翔煤业有限公司形成的3 号煤层采空区，有6 处采空积水区，采空积水区面积为268 000 m2，积水量为106 518 m3。

3 老矿区老空积水区的煤壁及底板破坏性分析

泓翔煤业为宝欣矿的邻近矿井，产能60 万t/a，采用走向长壁后退式采煤法，开采2 号煤层，矿井正常涌水量为110 m3/d，最大涌水量116 m3/d。防治水方面该矿主排水设备选用MD85-45×9 耐磨离心式水泵3 台，单台额定流量为85 m3/h，额定扬程为405 m。目前本矿有6 处采空积水区，采空积水区面积为268 000 m2，积水量为106 518 m3。该矿采空区均有积水且均位于宝欣矿北部上山位置，对本矿开采影响较大。