采空区积水腐蚀下对防隔水煤柱留设的影响

2024-01-29崔雅

西部探矿工程 2024年1期

崔雅

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，山西高平 048407）

我国煤矿的水文地质条件大多较为复杂，井下煤炭资源在开采完毕后，会留下大面积的采空区，有可能出现积水情况，严重的将会对矿井产生水害威胁[1]。对此，煤矿为了预防采空区水害的影响普遍将在采空区设置防隔水煤柱[2]。

防隔水煤柱虽然一定程度上降低了矿井水害所带来的困扰。但相关文献显示，部分矿井粗放型的防水煤柱留设不仅会造成煤炭资源的浪费，还会影响巷道工程造成生产接续紧张、煤炭产量降低[3-4]。唐安煤矿采空积水区较多，煤柱长时间受水浸泡可能会导致煤柱失稳，因此针对本矿采空区防隔水煤柱宽度的合理留设是十分必要的。

1 井田采空区状况

唐安煤矿位于晋城市高平，目前主要开采3#煤层，生产规模150×104t/a，开采深度由870～510m标高，井田面积为24.7km2，属于大型矿井。

根据唐安煤矿生产地质报告显示，目前所开采的3#煤层共有20余处积水区，总积水量50.3×104m3。其中三盘区共有2 处积水区，总积水量3.67×104m3；二盘区有7 处采空积水区与三盘区相邻，总积水量1.63×104m3；四盘区有5处采空积水区与三盘区相邻，总积水量2.8×104m3。都已完成了防隔水煤柱的留设。

另外三号煤层一盘区存在3处积水区，且存有大量的采空区积水，其中：东北部积水量2.9×104m3，西北部积水量9.6×104m3、中西部积水量5.2×104m3，矿井受采空区积水影响较为严重，目前需要对这三处进行防隔水煤柱的留设计算。

2 采空区积水煤岩柱浸泡试验

随着采空区封闭时间的推移，积水水位将逐步升高，而积水中杂质对防水煤柱的腐蚀性逐渐加强，煤柱在积水的浸泡中稳定性也将受损。笔者选用唐安矿3#煤层中的煤样并制成不同宽度的煤柱试样，并取不同采空区位置的积水溶液，对浸泡期内煤柱的稳定性进行监测研究。

2.1 煤的取样及加工

笔者在唐安煤矿3#煤层3306工作面选择直径不小于15cm且没有明显裂隙纹路、表层节理的煤块进行试验，煤样共计50kg。为避免煤块在搬运、转移过程中发生破损，导致煤体破损，矿物质损失，将煤块用保鲜膜逐一包裹密封，并用铁质容器收装，并在容器内垫放软质泡沫防止碰撞。当煤块对照ISRM 标准使用SC-300型自动取芯机对煤样试件进行加工处理。另外取3#煤层一盘区不同地点的采空积水各50L，用于煤样的浸泡试验。

2.2 试验样品的制备

通过SC-300 型自动取芯机，制备高度均为10cm，直径为50cm、30cm的煤柱试样各5组，记作煤样1号、2号，分别用于单轴压缩破坏试验和内应力剪切破坏试验，通过不同宽度的煤柱体在不同积水溶液中浸泡，观察煤柱变形情况判断煤柱体内部的稳定性。

2.3 实验过程

试验的重点是观察煤柱试样在相同矿井水压作用下，不同侵蚀性溶液、不同浸泡时间条件下煤柱试样强度的软化变形。通过对采空区积水原液的检测，两种采空区积水水质的pH值分别为3.5和6.5，分别记作溶液A、B。试验浸泡压力值设置为1.0MPa，浸泡天数共计40d。

3 实验结果及分析

3.1 浸水煤样单轴压缩试验结果与分析

如图1 所示，以1 号煤柱试样为例，在浸泡过程中每间隔10d对煤样表面进行一次拍照记录。可以看出，煤柱试样在前10d的浸泡中并无裂纹产生，20d时随着试样所受的轴向压力不断增大，煤样顶端和底部开始出现细微裂痕，并开始向内部发育；第30d时增加顶底部分的裂纹发育完全成熟，煤样基本被裂隙贯穿；第40d 时，随着主裂隙的不断发育，煤样承载能力继续下降，煤样表面出现煤体的脱落。

图1 煤样压缩全应力示意图

图2 表示不同浸泡时间下，煤样单轴抗压能力的变化曲线，表1为各点的记录值。可以看出的是，不同pH值的采空区积水溶液内，煤柱的单轴抗压强度均呈现出先快速减小再缓慢稳定的变化趋势。图2（a）为1号煤柱试样、图2（b）为2号煤柱试样，分别浸泡在A、B两种溶液中，可以看出煤柱宽度越强，则初始抗压能力越强，并在前20d内快速降低，30d以后变化趋于稳定；其次pH 值越低的溶液对煤柱的抗压能力的降低影响更大，最终1号煤样的抗拉强度在A、B两种溶液中分别降低到6.15和6.36；2号煤样分别降低到12和13.6。

表1 煤柱单轴抗压能力的变化数据表

图2 单轴抗压能力的变化曲线图

3.2 内应力剪切破坏试验

图3 以30cm 宽煤柱为例，通过内应力剪切破坏试验得到的浸水煤样抗拉强度变化曲线，表2为各点的记录值。由图中可以看出煤柱抗拉强度随浸泡时间呈逐步下降的趋势，并在前20d抗拉强度降低明显，且pH值越低的溶液，抗拉强度最终的稳定值也越低。另外1、2号两种宽度的煤柱在初期抗拉强度几乎相同，约为1.4MPa，1 号煤样在A、B 两种溶液中浸泡40d 后，最终稳定在0.3，2号，约为浸泡之前干煤样的30%。

表2 煤柱内应力剪切破坏表

图3 煤柱内应力剪切破坏趋势图

3.3 校正系数

从两个试验中看到，煤样的单轴抗压强度和内应力剪切破坏程度随浸泡时间而降低，分析原因认为，积水溶液对煤体颗粒存在润滑腐蚀作用，降低了颗粒之间的粘结力，同时煤体中的矿物质吸水膨胀，使得煤体外部的结块脱落。因此笔者对单轴抗压强度和抗拉应力的计算引入了软化系数进行计算。

假设煤样抗拉强度与单轴抗拉应力的浸泡时间的函数关系为：

τ=aT3+bT2+cT+d

式中：τ——耦合系数；

T——天数。

经函数关系的耦合，浸泡煤样抗压强度与浸泡时间关系拟合式为公式（1）：

浸泡煤样内应力剪切破坏与浸泡时间关系拟合为公式（2）：

由于本次试验条件有限，无法将所有宽度煤样、采空区积水pH 值考虑进去，根据现有实验结果，基本可以默认浸泡时长达到40d时煤柱各项指标达到稳定，因此将时间T设为40d，计算得到煤样单轴抗压系数结果为0.64，内应力剪切破坏系数为2.4。

4 采空积水区煤柱留设

根据唐安煤矿3号煤层地质条件，煤层井田地质构造简单，无岩浆活动，无煤层风氧化带。为防止采区生产的相互影响，避免某一采区出现火灾、水灾和瓦斯等灾害事故蔓延扩散到相邻采区、并防止相邻采区通风系统的互相影响，避免相邻采区的采空区漏风，在采区边界两侧各留有10m的隔离煤柱，及采区边界煤柱。

井田3号煤层三盘区与二、四盘区采空区最小距离为50m，本设计采区煤柱按20m 留设（两侧各留设10m），总宽度不小于20m。

4.1 采空积水区煤柱宽度计算

防隔水煤柱的留设是保障矿井安全生产的重要措施之一。在留设防隔水煤柱时，煤层物理力学强度的大小直接影响煤柱留设的尺寸。采空区防隔水煤柱的留设按照《煤矿防治水细则》中侧向静水压力下防隔水煤柱宽度计算公式计算，即公式（3）:

式中：L——煤柱留设宽度，m；

k——安全系数，取3；

M——煤层高度，取6.76m；P——最大静水压，MPa；

kp——煤的抗拉强度，MPa。

对此笔者考虑本矿采空积水长期的侵蚀导致煤柱稳定性降低，对此引入了抗拉软化强度的系数k和r，公式（3）修正为公式（4）：各煤柱经过计算分别得：

一盘区西北部老窑积水区最大相对高差为110m，按照上述公式计算，防隔水煤（岩）柱所承受的静水压力最大为P=110×9.8×10-3＝1.078（MPa）；根据公式（3）计算，应当留设的防隔水煤柱尺寸为40.4m，引入单轴抗压系数和抗拉系数后，根据公式（4）计算防隔水煤柱尺寸应当按照45m留设。

一盘区中西部老窑积水区最大相对高差为42m，按照上述公式计算，防隔水煤（岩）柱所承受的静水压力最大为P=42×9.8×10-3＝0.412（MPa）；根据公式（3）计算，应当留设的防隔水煤柱尺寸为21m，引入单轴抗压系数和抗拉系数后，根据公式（4）计算防隔水煤柱尺寸应当按照25m留设。

一盘区东北部老窑积水区最大相对高差为23m，按照上述公式计算，防隔水煤（岩）柱所承受的静水压力最大为P=23×9.8×10-3＝0.225（MPa）；根据公式（3）计算应当留设的防隔水煤柱尺寸为15.5m，此防隔水煤柱尺寸小于20m，按照规定应当按照20m留设。

4.2 水文观测孔煤柱留设及建议

根据本矿水文地质相关图纸及水文钻孔资料，目前唐安矿存在的水文观测孔为SK1号孔。该钻孔位于唐安煤矿工业场地火药库大门北侧约60m，可以对煤柱留设的稳定性进行检查。另外在三处采空区积水留设完成后，当采、掘活动接近上述采空区附近时，还因对同层采空区积水进行探放或采取有效的防治水措施。笔者在此建议矿方采掘前对工作面附近的采空区积水提前疏放，加强采空区地表的监测，发现地裂缝、地表塌陷区，应立即组织力量回填、夯实，以免雨季洪水灌入井下，发生水灾事故。