邻近积水采空区条件下工作面防水煤柱留设研究

孙泽光

（山西焦煤霍州煤电 干河煤矿，山西 洪洞 041000）

1 概 况

山西霍宝干河煤矿有限公司2-300 运输顺槽工作面井下相对位置位于三采区3 条大巷右翼，2-300 工作面西侧邻近2-301 采空区，南侧为三采区系统大巷，东侧、北侧均为实体煤，工作面位置详情如图1 所示。2-300 运输顺槽为满足2-300 回采工作面煤炭运输和进风等而设计施工的，设计长度为1 540 m，巷道坡度-6°下山，寻2 号煤后，沿2 号煤层顶板掘进。工作面煤层倾角3°～8°，平均5°，工作面地表大部为农田耕地，黄土覆盖厚度11.5～59.5 m，基岩厚399.5～465.5 m。2-300回采工作面开采2 号煤层，2 号煤层位于二叠系下统山西组上部，煤层厚度3.43～3.91 m，主要由暗煤和亮煤组成，属半亮型煤。硬度和韧度较大，节理不发育，视密度为1.40 g/cm3。预测2-300 运输顺槽邻近的2-301 采空区存在积水，为保证巷道掘进安全，留设防水煤柱，计算合理宽度。

2 2-300 运输顺槽掘进水害分析

2.1 地表水害

2-300 巷施工范围内地表覆盖有较厚的新生界黄土、粉质粘土及砂质粘土，普遍发育有粘土隔水层，煤层埋藏深度535.2～629.7 m，无河流。地表仅有小沟谷，且地表为低山丘陵地带，地表径流条件良好，在雨季接受降水补给后形成规模不等的洪流汇集沟谷，但雨后不久便很快排泄殆尽。煤层埋藏较深，地表水很难通过地表裂缝灌入井下。井口标高高于当地历年最高洪水位，井口不受地表水威胁。预测地表水及大气降水对2-300 巷不会造成威胁。

2.2 顶板水害

工作面顶板主要水源为下石盒子组（K8、K9）砂岩裂隙含水层，层位较稳定，岩性为灰白色，长石石英细一中粒砂岩，含水层位于1、2 号煤层以上，K8细粒砂岩厚1.29～5.9 m，平均厚3.59 m，K9砂岩位于K8砂岩层以上40 m 左右，水文地质特征与K8砂岩相似，为弱富水性的裂隙含水层，对采掘影响较小，预测顶板砂岩裂隙水对2-300 巷不会造成威胁。

2.3 底板水害

1、2 号煤底板直接充水水源主要为工作面下部太原组石灰岩（K2）和奥陶系峰峰组石灰岩（O2）溶隙含水层。K2 岩性为深灰—灰色，石灰岩厚8.31～9.43 m，平均厚8.87 m，K2石灰岩含水层是一个富水性很不均—裂隙不发育、局部区域径流条件较好的弱富水岩溶裂隙含水层；O2岩性为峰峰组上段平均厚度为4.09 m，为灰色，局部含水性较好，岩溶裂隙发育。石炭系上统太原组K2带压2.90～3.56 MPa，突水系数0.044～0.054 MPa/m，奥陶系中统蜂峰组O2带压3.07～3.73 MPa，突水系数为0.033～0.039 MPa/m，均小于0.06 MPa/m，煤层处于相对安全区，正常区城无突水威胁。

2.4 相邻采空区积水

2-301 采空区以停采约3 a，具有稳定的补给量，现阶段2-301 运输顺槽挡水墙出水量稳定在155～195 m3/h，预测2-301 采空区已全部积水，积水压力为0.3～1.15 MPa，预测积水量约80 万m3。

2.5 综合分析

为防止掘进工作面受到邻近采空区积水的威胁，需留设合理宽度的区段煤柱，起到隔绝采空区积水的作用。2-300 运输顺槽掘进期间需建立完善可靠的排水系统，安设2 趟6 寸排水管路，迎头热备2 台水泵，水泵总排水能力不小于300 m3/h，且2 台水泵分别与两趟6 寸排水管路连接。

3 邻近采空区积水影响下煤柱合理尺寸研究

由于干河煤矿2-300 运输顺槽邻近的2-301采空区积水，区段煤柱在采空区一侧将受到采空区积水的影响，根据煤柱的破碎特征可由分为渗水区、隔水区、塑性区，分布情况如图2 所示。

图2 防水煤柱结构示意Fig.2 Waterproof coal pillar structure

区段防水煤柱宽度可根据下式进行计算：

式中：l 为防水煤柱宽度，m；l1为回采侧煤壁塑性破坏深度，m；l2为煤柱内弹性核区跨度，m；l3为积水采空区侧煤柱破坏区深度，m；

煤柱回采侧塑性破坏深度l1理论计算公式：

式中：h 为煤柱宽度，取2 号煤层厚度3.9 m；d为工作面采动影响系数，通常为1.5～3.0，取2.0；φ0为煤层与顶板岩层间的摩擦角，取24°；γ 为顶板岩层平均体积力，取25 kN/m3；H 为埋深，取500 m；K1为采空区边缘应力集中系数，取2.5；C0为煤层与顶板岩层间粘聚力，取2.0 MPa；λ 为侧压系数，取0.4。将以上参数代入式（2）可得l1=9.0 m。

煤柱中部弹性核区宽度l2计算公式：

式中：p 为采空区积水压力，2-301 采空区积水压力最大取1.15 MPa；C 为煤层内聚力，2 号煤层取1.3 MPa；h 为煤柱高度，取3.9 m；φ 为煤层内摩擦角，取25°；K2为煤柱中部应力集中系数，取2.0；σx0为弹性核区在采空区积水侧边界处水平应力，取11.2 MPa。通过式（3）计算得l2=0.80 m。

参照学者方刚[4]对于水压破坏区的求解，水压破坏区l3计算公式：

式中：η 为水对煤体的软化系数，2 号煤层取0.4；K3为水压破坏区内应力集中系数，取4。

通过式（4）计算可得l3=14.7 m。

综上分析可得，2-300 运输顺槽区段防水煤柱宽度l=l1+l2+l3=9.0+0.80+14.7=24.5 m，说明区段煤柱合理宽度不应小于24.5 m，综合考虑后设计2-300 运输顺槽与2-301 采空区间煤柱宽度为30 m。

根据《煤矿防治水细则》中防水煤柱宽度计算公式进行校核：

式中：L 为防水煤柱宽度，m；K 为安全系数，通常为2～5；M 为煤层厚度，取3.9 m；p 为水头压力，取1.15 MPa；Kp为煤体的抗拉强度，2 号煤层取0.65 MPa。通过式（5）计算可得L 的取值范围为9.0～22.5 m。上文研究确定的煤柱留设宽度为30 m，满足《煤矿防水细则》中的要求。

4 2-300 运输顺槽瞬变电磁探测

通过以上研究分析，设计2-300 运输顺槽与2-301 采空区间隔30 m 防水煤柱布置，巷道掘进施工完成后，对煤柱内富水情况进行探测。根据此次探测的对象2-300 运输顺槽防水煤柱分布特征，采用操作简便、探测结果灵敏的瞬变电磁法探测技术。此次探测采用中煤科工研发生产的YCS2000A矿用瞬变电磁仪，仪器如图3（a）所示，为了更加精准的掌握防水煤柱内富水情况，并能够探查煤柱上方顶板5～30 m 内岩层富水情况，在每个测点分别进行煤柱侧水平方向、煤柱侧向上45°、煤柱侧向上75°方向的探测，测点布置间距6 m，测线总长度1 500 m，共设置250 个测点，探测方向详细情况如图3（b）所示，累计采集瞬变电磁数据750 组，为减小工作面巷硐电流对探测结果的干扰，探测期间工作面设备断电。

图3 瞬变电磁探测方案Fig.3 Transient electromagnetic detection scheme

通过现场探测得到煤柱内视电阻率等值线图，由于探测煤柱长度达到1 500 m，为方便展示探测结果，以距2-300 工作面开切眼500 m 范围内的探测结果为例，视电阻率等值线图如图4 所示。

图4 井下瞬变电磁探测结果Fig.4 Underground transient electromagnetic detection results

根据图4 结果分析可知，在积水采空区侧，煤柱及顶板岩层视电阻率基本保持在25 Ω·m 以下，而在2-300 运输顺槽一侧的煤柱内，煤柱及顶板岩层视电阻率基本稳定在45～75 Ω·m，说明采空区积水影响下煤岩体视电阻率较低，采用瞬变电磁法可有效探测出水压破坏区的深度。将视电阻率低于15 Ω·m 作为水压破坏区判别的标准，综合对比分析3 个方向上的视电阻率等值线图可得，煤柱内存在的低阻区域：①距切眼0～60 m，该处视电阻率非常低且基本贯穿煤柱，综合分析判断为探测点处皮带输送机和钢轨影响所致，不作为富水异常解释；②距切眼60～120 m，视电阻率较低，分析后判断为测点处钻机影响所致，不作为富水异常解释；③距切眼280～320 m，视电阻率较低，判断为2-301 采空区积水渗入煤柱所致，水压破坏区深度约为10 m；④距切眼380～420 m，积水采空区视电阻率较低，判断为积水渗入煤柱所致，水压破坏区深度约为12 m；⑤距切眼400～500 m，视电阻率较低，分析后判断为巷道内钢管影响所致，不作为富水异常解释。综上分析可知，2-301 采空区积水对于区段防水煤柱的影响深度为5～12 m，煤柱内弹性核区宽度为9～16 m，煤柱完整性及隔水效果较好，留设30 m 区段防水煤柱合理可靠。

5 结语

以干河煤柱2-300 运输顺槽邻近积水采空区沿空掘巷为背景，通过收集水文地质资料及综合分析研究表明，邻近采空区积水是威胁巷道安全的重要水源，区段防水煤柱宽度的合理留设非常关键。通过理论分析计算得到防水煤柱合理宽度为24.5 m，由此设计留设30 m 的防水煤柱，校验结果表明符合《煤矿防治水细则》中相关条款要求。巷道掘进施工完成后，采用瞬变电磁法探测煤柱内富水情况，研究分析表明，防水煤柱内水压破坏区深度为5～12 m，煤柱完整性及隔水效果较好，留设30 m区段防水煤柱合理可靠，保障了工作面的安全高效生产。