老空区边界防水煤(岩)柱留设的研究

胡绞脐，胡耀青

(1.山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，太原 030024)



老空区边界防水煤(岩)柱留设的研究

胡绞脐1，胡耀青2

(1.山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，太原 030024)

摘要:为老空区防水煤(岩)柱的留设及探放水设计提供更准确的计算方法，在老空区边界围岩受力特征及其破坏状态的基础上，分析了边界围岩的阻水性能及影响边界煤(岩)柱留设的主要影响因素；探讨了目前边界防水煤(岩)柱计算公式存在的缺陷；提出了基于阻水能力的防水煤(岩)柱留设计算公式，避免了以往临界突水系数经验值选择不当带来的误差。本研究对老空区突水的防治具有重要的理论意义和应用价值。

关键词:老空区边界围岩；防水煤柱；阻水系数；裂隙带;突水系数

近年来,老空区突水事故的比例明显多于承压水突水事故[1-2],且大多是新建矿井和整合矿井。比例增大主要来自以下几个方面的原因:一是大批小矿及老矿的关停,采空区积聚了大量的水,而新建矿井或整合矿井未对周边废弃矿井的水文地质进行详细的勘察研究,忽视了其对本矿的安全隐患。二是老空区的复杂性,对于正规矿井,老空区及其采掘边界明确,安全隐患相对小；对于一些小型的地方矿井或私挖乱采的小煤窑,地下采空区不明确，而目前的地质勘查手段还不能对这些不明采空区进行精确的定位。三是老空区积水的复杂性[3],老空区积水除了和老空区的空间位置有关外,还和老空区的矿床水文地质有关,即地下水的循环运动有关。针对这些实际情况,近年来采矿工作者对《煤矿防治水规定》作了相应的修改和补充,但一些基础的理论工作还未能完善。笔者综合老空区的积水程度、边界防水煤柱的抗水能力及边界围岩的破坏状态开展了合理防水煤柱留设的研究,为老空区的探放水及安全防水煤柱的留设提供理论计算依据。

1老空区储水特点及其边界围岩的变形破坏与渗透特性分析

1.1老空区储水特点

1.1.1老空区的储水量

老空区的储水量主要受两个因素的影响。一是开采空间大小及各采空区的连通程度,一般来说,储水量与从地下采出煤(岩)的体积相等或略低于采出煤(岩)的体积；另一就是矿井的水文地质条件,其关键是水的来源与补给能力,一般来自顶板、底板、邻近采空区及地表水,通常处于一个动态平衡的过程，当汇大于源时,整个老空区都积水,否则储水量小于采出煤(岩)的体积。

1.1.2老空区的水位

老空区的水位主要受矿井的水文地质条件的影响。对于生产的大部分矿井,都采用排放水措施,老空区的水位一般不高,对边界防水煤柱产生的水压力一般不大,可以忽略不计；但对于一些关闭的废弃矿井,由于井下停止排水,矿井的水文地质条件会产生巨大的变化,其水位也会产生相应的变化。如老空区与底板高承压含水层沟通,则其水位与高承压含水层的水位相当；如与顶板含水层沟通,则水位与顶板含水层的水位相当；老空区距顶板含水层的距离越大,老空区的水位越高,对老空区边界防水煤柱的水压力就越大,对边界防水煤柱的破坏力也就越大。更有甚者，老空区通过采空区断裂带直接与地面河流沟通,其所承受的水压力就与其埋深相当,对老空区边界防水煤柱的破坏力更大,即不仅有较高的水压力,同时还具有充足的水量补给。

1.2老空区边界围岩受力破坏特征

1.2.1老空边界围岩受力特征

图1为老空边界围岩受力及变形破坏示意图。按围岩的变形破坏程度可分为6个区段:L1段为边界煤(岩)柱的原岩应力区,其垂向应力近似为γZ;L2段为边界煤(岩)柱应力升高区,此区段的垂向应力略高于原岩应力;L3为边界煤体压裂区,此区段的垂向应力略低于原岩应力;L4为边界煤体压裂挤出段,这部分煤体是由于L3段在停采后不久所承受的高应力集中造成的,在高应力的作用下,L3段的煤体被压裂,同时产生较大的横向变形,其变形程度取决于应力集中程度与煤体的强度,这些挤出部分的破碎煤体就形成L4区段；L3，L4区段的变形相对缓慢,其本质是流变变形,即随着时间的延长,煤体缓慢变形破坏,应力逐步释放并向煤(岩)柱内部转移,其最终应力低于原岩应力;L5为采空区未压实段,此区段的垂向应力略低于原岩应力;L6的为采空区压实段,此区段的垂向应力近似于原岩应力。

图1　老空边界围岩受力及变形破坏示意图Fig.1　Schematic diaqrams of stress and deformation failure of surrounding rocks in the boundary of goaf

边界煤(岩)柱两个水平方向的应力一般不相等,轴线方向的水平近似于原岩应力,但与轴向垂直的采空区测的应力由两部分组成：一是采场围岩作用于边界煤(岩)柱的应力,由于采场长时间的变形破坏,其水平应力近似于γΗ；另一部分就是老空区的水头hw,这两部分力共同作用于煤(岩)柱的边界,是边界防水煤(岩)柱留设考虑的一个重要影响因素。

1.2.2老空区边界围岩破坏特征

老空区边界围岩的破坏特征受众多因素的影响,根据前人研究及实测结果,其总体破坏见图1所示。在边界煤(岩)柱靠近采空区一侧的破坏状态，从下到上依次为破碎区、裂隙区、离层区及变形区；以滑移线为分界线,滑移线的左侧(靠近煤岩柱侧)为未破坏区,滑移线的右侧(靠近采空区测)与采场顶板破坏规律相似。对于防水煤(岩)柱的留设,最关键的是冒落带和裂隙带的高度,统称冒裂带,图1中的hm。

1.3老空边界围岩的阻水能力

老空区边界防水煤(岩)柱留设考虑的最关键因素是煤(岩)柱的阻水能力,评价其阻水能力的主要指标有阻水强度(每米完整岩柱能够阻抗的极限水压)、极限抗渗透强度(岩石开始形成渗流的临界水压力)及煤(岩)柱结构的完整性；阻水强度可用阻水系数来反映,可通过现场注水压裂或室内试验测得；而围岩的完整性可通过现场钻取岩芯并结合阻水强度实验的值进行综合评价,一般用岩芯指标(RQD)值分析。以上3项指标可以初略地综合评价防水煤(岩)柱的阻水能力,但在防水煤(岩)柱留设时,要考虑煤(岩)体强度随含水率的变化,即煤(岩)体的软化要降低其阻水能力[4]。

2老空区防水煤(岩)柱计算方法探讨

老空区防水煤(岩)柱留设考虑的主要因素有:老空区的水文地质，老空区的储水量，老空区的水位，老空区边界围岩的受力破坏特征，老空区围岩的阻水能力；除此之外，还要考虑老空区与相邻矿区的相对位置。针对不同的情况,《煤矿防治水规定》中给出了不同的老空区防水煤(岩)柱留设的计算公式[5],以下对这些计算公式作一探讨分析。

2.1水文简单到中等型防水煤(岩)柱计算

对于水文简单到中等型防水煤(岩)柱计算采用公式(1)计算,但煤柱宽度不得小于40 m。

(1)

式中:d为煤层厚度或采高,m;A为安全系数,取2～5;p为隔水层所承受的水压,MPa;pm为煤的抗拉强度MPa;

很明显，公式(1)考虑的因素太简单,很难全面反映煤柱的抗水能力。另外，采用了煤体的抗拉强度,相对于顶底板岩石来说,其抗拉强度是比较小；但最小的抗拉强度不是煤体本身,而是煤体与顶底板接触的层界面。

2.2水文地质复杂型到极复杂型防水煤(岩)柱计算

对于水文地质复杂型到极复杂型防水煤(岩)柱的计算参考图2并按下列公式计算。

图2　相邻矿井边界防水煤(岩)柱Fig.2　Waterproof coal (rock) pillar between adjacent mines

(2)

(3)

式中:L1,L2为部分边界煤柱的宽度,m;hm为冒裂带的高度,m;hw为静水位的高度,m;δ1,δ2为岩移塌陷边与煤层交角，(°);Ts为突水系数,MPa/m。

以上几种计算公式存在如下缺陷。

1)公式(2)冒裂带高度hm的计算是按照文献[6]中的经验公式计算的,考虑的主要因素有开采煤层的厚度、倾角、顶板管理方法、顶板岩性及其饱和单轴抗压强度。首先顶板通常为复合顶板,其岩性和单轴抗压强度的选择没有明确的规定；二是没有考虑水对顶板岩层物理力学的影响,由于水的存在,煤岩体软化,其强度降低,冒裂带高度有所增加,抗水能力要降低。

2)公式(2)中的突水系数Ts是水压与有效隔水层厚度的比值,是带压开采底板突水性能判别的一个判据。不同的矿区,判断突水可能性的Ts值是不同的。另外对于煤层底板,水压的作用方向与煤层底板的层理垂直,而防水煤岩柱的水压作用方向与煤岩层的层理平行,顺层理的强度与垂直层理的强度是不同的；所以这里直接引用突水系数是不妥的,何况安全的突水系数值是来源于各矿的经验值。

2.3考虑煤柱自身破坏和导水裂隙带煤柱宽度的计算

公式(1)和(3)是目前常用的计算矿界防水煤柱的计算公式,也是《煤矿防治水规定》中使用的计算方法。针对其存在的缺陷,文献[7]提出了考虑煤柱自身破坏和导水裂隙带煤柱宽度的计算方法,其原理见图3所示。计算步骤如下。

1) 根据极限平衡理论,计算极限平衡区的宽度b0;

2) 单独考虑弹性区煤柱沿顶、底板整体推移破坏时的弹性区煤柱宽度L1;

3) 根据屈服破坏理论求出在水压作用下,弹性区煤体发生内部破坏时的临界煤柱宽度L2;

4) 根据渗流速度超限导致弹性区阻水失效即渗流破坏时的弹性区临界尺寸L3;

5) 取L1，L2，L3的最大值L;

6) 最终防水煤柱宽度为:B=2b0+L.

当考虑顶板爬水即冒裂带导水时(见图3),其煤柱宽度的计算可根据导水裂隙带的分布形态计算裂隙带深入煤柱覆岩的深度b和岩柱宽度Ly,得防水煤柱宽度为:B=2(b+b0)+Ly.

图3　防止顶板爬水时煤柱的留设Fig.3　Schematic diagram of coal pillar of preventing water climbing roof

本计算方法重点考虑了煤柱的抗渗透能力,一般来说,煤体的渗透能力要高于其顶板岩体的渗透能力。以煤体的抗渗透能力为条件计算出的煤柱宽度应该是比较安全的,但这种计算原理及方法并未考虑上覆岩层的原始渗透性。另一方面,由于开采的扰动，其上覆岩层的渗透性可能发生变化；同时岩层的物理力学特性在压力水的作用下也会发生变化,这些因素对防水煤(岩)柱的阻水能力有重要的影响。基于此,笔者提出以下防水煤柱留设的计算方法。

3基于阻水能力的防水煤(岩)柱留设

3.1防水煤柱留设考虑的主要因素

以近水平煤层的矿界边界防水煤柱留设为研究对象,其防水煤柱留设示意图见图4。根据图1所示边界围岩的受力及其变形破坏状态可知,影响煤(岩)柱留设的主要因素有:开采煤层的赋存特征及其物理力学性质;边界围岩的受力特征;边界围岩的破坏特征；边界围岩的阻水能力及老空区的水压。

3.2防水煤柱的组成

由图4的近水平煤层的矿界防水煤(岩)柱示意图可知,防水煤(岩)柱由3部分组成,即煤层屈服段b0、考虑冒裂带高度hm影响的b段及能够抵抗渗透的岩柱宽度Ly。

3.2.1极限平衡区屈服段b0的计算

极限平衡理论b0的计算公式[7]为:

(4)

式中: d,C, φ为煤层的厚度、内黏结力和内摩擦角;γ,H为覆岩的平均容重和开采深度; f,k为煤层与顶底板间的摩擦系数和煤柱弹塑性交界处的应力集中系数;λ为参数,λ=(1+sinφ)/(1-sinφ) .

图4　防水煤柱留设示意图Fig.4　Schematic diagram of waterproof coal pillar

3.2.2考虑冒裂带高度影响的b段计算

根据顶板岩层移动及冒裂带的高度,可求得

(5)

式中:hm为冒裂带的高度,m;δ为岩移塌陷边与煤层交角,一般δ=700。

冒裂带的高度可根据文献[6]中的经验公式计算,当煤层倾角小于54°时,其一般表达式为:

(6)

式中:d为开采煤层的厚度,m;δ为煤层分成厚度,m;a,e,c为系数,可根据岩层的岩性及其饱和强度进行选取。

3.2.3考虑岩层阻水能力时的岩柱宽度Ly的计算

岩柱的阻水能力通常用阻水系数来表示,是真实反映岩层平均阻水能力的指标,是水体上采煤和安全煤岩柱留设的重要参数,可通过现场钻孔的水力压裂试验获得,其表达式为[4]:

(7)

式中:Z为阻水系数,MPa/m; R为裂缝扩展半径,一般取40～50m;pb为与地应力和岩体抗拉强度有关的岩体破裂压力,MPa。可见，只要测出岩体破裂压力pb,就可计算出Ly。岩体水力压裂pb在实验室进行测定,其详细的测定方法参见文献[4]。

由公式(7)可知,阻水岩柱的宽度Ly可表示为:

(8)

式中:pw为作用于煤(岩)上的水压力,MPa;λ为安全修正系数,取0.5。

综合式(4)-式(8)可得考虑煤(岩)柱阻水能力的防水留设计算公式为:

(9)

4基于阻水能力的防水煤(岩)柱留设计算方法讨论

公式(9)与以往公式的不同之处,在于该计算式考虑了边界煤柱b0段。由于其在开采期受高应力集中已压坏,根本起不到防水的能力,所以计算有效隔水能力时应减去这部分煤柱的宽度;隔水岩柱的计算采用了阻水系数,而阻水系数可通过室内实验或现场试验容易获得,避免了采用突水系数的经验值。因突水系数是一个根据现场实际情况计算出的值,但安全的突水系数值是无法计算的,也是无法通过实验获得的,只能靠突水矿区的经验值作为判断安全与否的标准,这与工程实际有一定的出入。公式(9)中的b段的计算方法沿用了以往的计算方法,本文是以近水平煤层为例研究的,对于倾斜及上下位煤层开采时,其冒裂带的计算要按文献[6]进行调整。公式(9)同样未考虑煤(岩)的吸水软化及渗透对煤(岩)柱的影响,煤(岩)的吸水软化在某种程度上只是降低了其强度,在整体结构不破坏的情况下,其抗渗透的能力一般情况是增加的；也即软化使得其内部的孔隙、裂隙等渗透通道闭合,阻止水的进一步渗透。但煤(岩)柱的渗透是不容忽视的,随着时间的延长，渗透通道会逐步增大,渗透能力也逐步提高,最终会导致煤(岩)柱失稳破坏,这个过程相对来说是缓慢的,影响因素也是众多的,这方面的问题将是今后重点研究的对象。

5结束语

本文在老空区边界围岩受力特征及其破坏状态的基础上,分析了老空区边界围岩的阻水特性,探讨了目前边界防水煤柱计算方法存在的缺陷,提出了基于阻水能力的防水煤(岩)柱留设计算方法。该方法采用了阻水系数,其值可在现场或实验室通过试验获得,更接近于实际情况,避免了临界突水系数经验值选择不当带来的误差。该计算方法不仅可用于矿间防水煤柱的留设,同时还可用于采区间及工作面间防水煤柱的留设。该计算方法存在的问题是未考虑煤(岩)的长时渗透对煤(岩)柱的影响,这将是后续重点研究的对象。

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(编辑：庞富祥)

Study on the Boundary Waterproof Coal(rock) Pillar of Old Goaf

HU Jiaoqi1,HU Yaoqing2

(1.ShanxiProvincialWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Taiyuan030024,China;2.InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract:Based on the stress characteristics and failure state of surrounding rock, the paper analyzes the characteristics of water resistance and the main influence factors of the boundary surrounding rock, and discusses the existing defects of current calculation formula of the boundary waterproof coal (rock).Based on water resistance capacity,a new calculation formula of the waterproof coal (rock) pillar is put forward to avoid the errors caused by the improper choice of water inrush coefficient in the past. The formula can provide more accurate calculation method for the design of boundary waterproof coal (rock) pillar and water drainage borehole layout. The calculation formula has important theoretical significance and application value.

Key words:boundary surrounding rock of old goaf;waterproof coal pillar;water resistance coefficient;fracture zone；water inrush coefficient

文章编号:1007-9432(2016)02-0178-05

*收稿日期：2015-10-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目： 高温高压作用下花岗岩人工储留层再破裂机理及其规律研究(51574173)

作者简介：胡绞脐(1963-)，男，内蒙丰镇人，高级工程师，主要从事水文地质勘察工作，(E-mail)1034400648@qq.com

中图分类号:TD822.3;TD325.3

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.011