刘家沟煤矿闭坑后对邻近井巷工程安全的影响分析*

2016-08-15 07:43李文树官惠聪
现代矿业 2016年7期
关键词:井田涌水量煤柱

黄 丹 李文树 徐 涛 官惠聪

(1.长安大学环境科学与工程学院;2.重庆能科工程勘察有限公司;3.重庆市能源投资集团有限公司;4.重庆市能源投资集团科技有限责任公司)



刘家沟煤矿闭坑后对邻近井巷工程安全的影响分析*

黄丹1,2李文树3徐涛4官惠聪2

(1.长安大学环境科学与工程学院;2.重庆能科工程勘察有限公司;3.重庆市能源投资集团有限公司;4.重庆市能源投资集团科技有限责任公司)

摘要为了解煤矿闭坑后对邻近生产矿井的安全影响,以重庆市刘家沟煤矿为例,从矿井涌水量变化、地质条件变化等方面进行了分析。结果表明,研究区煤矿停止抽排矿井水后,诱发的水文地质效应将对邻近矿井隔水煤柱的稳定性造成影响。结合《煤矿防治水规定》,针对研究区地质条件的复杂性,讨论了在邻近矿井闭坑后,适合重庆地区急倾斜多煤层开采的煤矿井巷工程安全技术评估依据,对闭坑煤矿周边矿井防治水工作起到了积极作用。

关键词井巷工程水文地质效应隔水煤柱安全技术评估

近年来,随着关闭或即将关闭的煤矿数量的增加,为保证煤炭资源安全有序开采,国家颁布了一系列整合煤炭资源的相关政策,关闭和整合了大量小煤矿。

矿井关闭停止抽排水后,地下水位回升,矿井水携带井下污染物通过采动裂隙、断层、封闭不良钻孔等导水通道给地下水带来污染[1],造成地质环境破坏和地下水资源失衡[2],且对相邻矿井的边界煤柱安全造成一定的破坏,甚至诱发突水。目前,一般按照规范要求计算隔水煤柱宽度。贾剑青等[3]采用相似模拟试验结合地质雷达的方法,分析隔水煤柱的稳定性;袁瑞甫等[4]通过理论分析、数值模拟及相似模拟实验等方法,研究不同倾斜程度的煤层开挖后倾向覆岩结构演化特征、煤柱变形及失稳破坏形式;许勃[5]通过数值模拟试验,分析了孔隙水压引起覆岩导水裂隙带高度变化机理;李永明等[6]针对急倾斜煤层开采合理防水煤柱尺寸的留设,提出不仅应考虑覆岩导水裂隙的发育高度,也应考虑防水煤柱自身的稳定性。因此,矿井关闭后对相邻矿井安全产生的影响,除了水文地质条件的变化,隔水煤柱的稳定性也是评价闭坑后对相邻矿井井巷工程造成影响的一项重要因素。

1 研究区背景

1.1自然地理

图1 矿井位置关系---—磨心坡煤矿矿区范围;—·——磨心坡煤矿资源接替探矿范围; ……—相邻矿井矿区范围

1.2地质条件

井田范围属新华夏构造体系的川东褶皱带华蓥山复式背斜南缘。区内主要有观音峡背斜,华蓥大断层(F4)纵贯宝顶背斜西翼和观音峡背斜东翼。磨心坡煤矿和刘家沟煤业有限公司位于观音峡背斜北段的西翼,总体构造形态为一单斜构造,断层发育,构造程度复杂。区内主要含煤地层为二叠系上统龙潭组,含煤共10层,K2、K4、K5、K6、K8、K9为可采和局部可采煤层,本次主要研究对象为刘家沟煤矿与磨心坡煤矿形成不规则隔离煤柱的K2、K6煤层。煤层开采所涉及的主要含水层是作为含煤层位顶板的长兴组(P3c)岩溶含水层以及底板的茅口组(P2m)岩溶含水层。可采和局部可采煤层距长兴组岩溶含水层距离53.27~133.63m。

2 闭坑前后涌水量变化对比分析

磨心坡矿区水文地质条件中等, 矿井涌水量与大气降雨关系密切,目前枯水季节正常涌水量为457.11m3/h,汛期最大涌水量达17 748.30m3/h。地下水补给主要来自浅部水平,甚至地表水、大气降水。刘家沟煤矿停止抽排水后,涌入矿井的水将充填于废弃的矿井巷道、采空区和矿井上覆的含水层[7],即使放弃深部水平的排水系统,地下水位上升,磨心坡煤矿矿井涌水量也不会有明显的减小[8]。因此刘家沟煤矿停止抽排水后,区域性的地下水位将迅速上升,直至达到新平衡。

2.1停止抽排水前后相邻矿井涌水量变化

2014年10月25日—27日,刘家沟煤矿-20m水平抽排水设备回撤完毕。矿井水首先向-20m下山采区充水,随着水位不断上升,流入磨心坡煤矿的地下水逐渐增多,同年11月4日、11日、18日和25日,测得磨心坡煤矿-10m水平北采区内水仓水量小幅增长。经过近30d的观测,到11月25日,涌水量基本稳定在31.13m3/h。停止抽排水前测得磨心坡煤矿10月份-10m水平涌水量为20.85m3/h。

根据2010—2014年磨心坡矿井3个开采水平涌水量的变化(见图2)可以看出:-10m水平内水仓涌水量变化趋势基本一致,但2014年11月涌水量变化明显与历年11月变化趋势不一致;-115m水平内水仓涌水量变化趋势基本一致,与-10m水平同样异常表现的是2014年11月涌水量变化明显;-220m水平内水仓涌水量变化趋势基本一致,未出现明显异常。

随着枯水季节的到来,-115m水平以浅,2014年11月涌水量不降反升。初步推测该异常变化源于刘家沟煤矿10月27日-20m水平抽排水设备回撤的影响,或者随着磨心坡煤矿开采面积的增加导致涌水量增加。

孵化器评价评级,是为了鼓励并引导孵化器更好地实现其功能定位,营造自主创新环境,发展高新技术产业,加快科技成果转化,培育创业者和科技型中小企业,促进区域科技创新和经济增长。

图2 磨心坡煤矿3个水平2010—2014年涌水量变化趋势 ◆—2010年;■—2011年;▲—2012年;×—2013年;●—2014年

2.2刘家沟煤矿可能形成的老空积水量

根据重庆刘家沟煤业有限公司井下巷道及开采空间统计表,分别对280m排水平硐以下的160,70,-20m水平进行统计,160m水平巷道空间为356 890m3,开采空间为3 004 800m3;70m水平巷道空间为314 300m3,开采空间为2 138 400m3;-20m水平巷道空间为301 630m3,开采空间为2 234 100m3。由于巷道基本为岩巷,积水后积水空间即为巷道空间,而采空区采用全部自然陷落法管理顶板,采空区少部分空间未被煤层直接顶充填压实,取未充填系数0.3,可计算出重庆刘家沟煤业有限公司矿井积水空间:

(1)

式中,Vj为矿井积水空间,m3;Vh为巷道积水空间,m3;Kc为采空区未充填系数,取0.3;Vc为采空区积水空间,m3。

通过式(1)可计算出各水平和总积水空间。刘家沟煤业有限公司可能形成的老空积水量为3 186 010m3,其中160m水平1 258 330m3,70m水平955 820m3,-20m水平971 860m3。

3 相邻矿井井巷工程影响评价

3.1边界煤柱情况及完整性

刘家沟煤业有限责任公司、磨心坡煤矿两矿形成不规则K2、K6隔离煤柱。井田隔离煤柱内无掘进巷道,K2煤层煤柱区未受相邻煤层开采影响,岩石已稳定,煤柱区域构造简单,未受断层切割破坏,煤体结构完整性较好。

K6煤层煤柱区受下邻K2煤层开采影响,岩石已稳定,煤柱区域构造简单,未受断层切割破坏,但煤柱留设不规则。K6煤层开采后导水裂隙带发育高度为22.56m,急倾斜煤层开采后的导水裂隙带高度发育在本煤层及顶板地层,刘家沟煤业有限责任公司176m标高K6大巷部分处于磨心坡K6煤层采煤工作面正上方,正好在其导水裂隙带内,煤柱受到破坏,完整性较差。

3.2边界煤柱稳定性计算依据

留设防(隔)水煤柱是煤矿防治水工作的重要措施,根据目前《煤矿防治水规定》建议,防隔水煤柱计算不能适应不同地质条件,应结合前人研究经验考虑采空区积水压力、煤柱自身稳定性等因素的影响[9]。磨心坡煤矿共有可采煤层7层,其中全区可采2层(K2、K6),大部可采3层(K4、K8、K9),局部可采2层(K5、K7)。刘家沟煤矿开采煤层为K2和K6。

目前,井田边界防水煤柱宽度计算主要来自于规范及经验公式,考虑抵抗静水压力等所需和采动破坏等[10]。井田边界防水煤柱宽度为

(2)

式中,Lp为考虑抵抗静水压力所需留设煤柱宽度,m,Lq为考虑煤层受支承压力作用产生的屈服带宽度,m;LT为考虑测量误差的煤柱宽度,m。

刘家沟煤矿停止抽排水后,由于中断排水,矿井水位上升,对井田边界煤柱产生顺层静水压力作用。根据《煤矿防治水规定》,抵抗静水压力的煤柱宽度经验公式为

(3)

式中,K为安全系数;M为煤层厚度;Kp为煤的抗拉强度;P为水头压力。

考虑采动破坏等所需的井田边界防水煤柱宽度为

(4)

式中,Lf为考虑采动破坏等所需的井田边界煤柱宽度,m,其他符号含义同前。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,考虑采动破坏所需的井田边界防水煤柱宽度,可用基岩裂缝角和相应的安全防水煤岩柱垂高圈定,防水煤柱宽度Lf与安全防水煤岩柱垂高Hf计算如下:

(5)

式中,δ为基岩裂缝角;HL为导水裂隙带高度,m;Hb为保护层厚度,取18m(按照“三下”规程附表6-6取值)。

3.3边界煤柱稳定性评价

刘家沟煤矿停止抽排水后,最终充水水源为地表雨水,矿坑充水后的最终水位将与地表雨水渗漏进入的含水层水位一致,且最终经由刘家沟煤矿平硐排出,平硐标高为272.93m。按照不同的方法计算,边界煤柱所需宽度如表2。

表2 边界煤柱计算宽度

K6、K2煤层井田边界煤柱安全宽度取两种方法的最大值,即K6煤层不小于40.98m;K2煤层不小于71.16m。实际测量两矿K6煤层边界煤柱宽度为8~43m,K2煤层边界煤柱宽度为32~115m。K2煤层井田隔离煤柱实际留设煤柱满足煤柱宽度,且煤体结构完整性较好,隔水效果好,从K2煤柱薄弱带突水可能性小。K6煤层井田隔离煤柱实际留设煤柱不满足煤柱宽度要求,并且176m标高K6煤层处于导水裂隙带内,煤柱受到破坏,完整性较差,长期在积水高压状态下,隔水效果差,突水可能性大。

综上所述,理论上K2煤层井田实际留设煤柱满足煤柱宽度要求,采空区积水不会沿边界煤柱进入磨心坡煤矿,但煤层倾角越大煤柱围岩变形量不对称分布趋势越明显,且由于煤柱呈下窄上宽的形状,煤柱自身稳定性差,仍应采取防治措施。如:矿井在闭坑前可以采取注浆堵水工程等防治水措施[11-12]。在磨心坡煤矿230,-10,-115,-220m各水平建立监测监控系统,并提前安放排水设施[13-14],设立观测站点,对刘家沟煤矿水位水质进行监测,预测邻矿的水力联系和未来排泄点[15]。

4 结 语

刘家沟煤业有限公司闭坑停止抽排矿井水后,磨心坡煤矿形成了以现生产水平为中心的疏降地下水漏斗,即刘家沟煤业有限公司区域内的地下水、采空区积水将会流向仍在抽排水的磨心坡煤矿井下,从而发生水力联系。通过对比近5a来矿井涌水量数据,刘家沟煤矿停止抽排矿井水后,相邻矿井2014年11月矿井涌水量陡增,在历年月降雨量变化不大的情况下,推测此时邻近矿井涌水量的增加与矿井停止抽排水有关。在借鉴前人经验的基础上,综合考虑煤柱抵抗的静水压力、受支承压力作用产生的屈服带、井下测量误差、两侧采动裂隙影响等因素,在邻矿停止抽排水条件下,以《煤矿防治水规定》为基准,同时考虑煤柱自身稳定性,对煤矿井巷工程进行稳定性评价,为邻近矿井的防治水工作提供参考。

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(收稿日期2016-03-10)

*重庆市杰出青年基金项目(编号:cstc2014jcyjjq0020)。

黄丹(1984—),女,工程师,博士研究生,710054 陕西省西安市。

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