采空區積水腐蝕下對防隔水煤柱留設的影響

崔 雅

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048407）

我國煤礦的水文地質條件大多較為復雜，井下煤炭資源在開采完畢后，會留下大面積的采空區，有可能出現積水情況，嚴重的將會對礦井產生水害威脅[1]。對此，煤礦為了預防采空區水害的影響普遍將在采空區設置防隔水煤柱[2]。

防隔水煤柱雖然一定程度上降低了礦井水害所帶來的困擾。但相關文獻顯示，部分礦井粗放型的防水煤柱留設不僅會造成煤炭資源的浪費，還會影響巷道工程造成生產接續緊張、煤炭產量降低[3-4]。唐安煤礦采空積水區較多，煤柱長時間受水浸泡可能會導致煤柱失穩，因此針對本礦采空區防隔水煤柱寬度的合理留設是十分必要的。

1 井田采空區狀況

唐安煤礦位于晉城市高平，目前主要開采3#煤層，生產規模150×104t/a，開采深度由870～510m標高，井田面積為24.7km2，屬于大型礦井。

根據唐安煤礦生產地質報告顯示，目前所開采的3#煤層共有20余處積水區，總積水量50.3×104m3。其中三盤區共有2 處積水區，總積水量3.67×104m3；二盤區有7 處采空積水區與三盤區相鄰，總積水量1.63×104m3；四盤區有5處采空積水區與三盤區相鄰，總積水量2.8×104m3。都已完成了防隔水煤柱的留設。

另外三號煤層一盤區存在3處積水區，且存有大量的采空區積水，其中：東北部積水量2.9×104m3，西北部積水量9.6×104m3、中西部積水量5.2×104m3，礦井受采空區積水影響較為嚴重，目前需要對這三處進行防隔水煤柱的留設計算。

2 采空區積水煤巖柱浸泡試驗

隨著采空區封閉時間的推移，積水水位將逐步升高，而積水中雜質對防水煤柱的腐蝕性逐漸加強，煤柱在積水的浸泡中穩定性也將受損。筆者選用唐安礦3#煤層中的煤樣并制成不同寬度的煤柱試樣，并取不同采空區位置的積水溶液，對浸泡期內煤柱的穩定性進行監測研究。

2.1 煤的取樣及加工

筆者在唐安煤礦3#煤層3306工作面選擇直徑不小于15cm且沒有明顯裂隙紋路、表層節理的煤塊進行試驗，煤樣共計50kg。為避免煤塊在搬運、轉移過程中發生破損，導致煤體破損，礦物質損失，將煤塊用保鮮膜逐一包裹密封，并用鐵質容器收裝，并在容器內墊放軟質泡沫防止碰撞。當煤塊對照ISRM 標準使用SC-300型自動取芯機對煤樣試件進行加工處理。另外取3#煤層一盤區不同地點的采空積水各50L，用于煤樣的浸泡試驗。

2.2 試驗樣品的制備

通過SC-300 型自動取芯機，制備高度均為10cm，直徑為50cm、30cm的煤柱試樣各5組，記作煤樣1號、2號，分別用于單軸壓縮破壞試驗和內應力剪切破壞試驗，通過不同寬度的煤柱體在不同積水溶液中浸泡，觀察煤柱變形情況判斷煤柱體內部的穩定性。

2.3 實驗過程

試驗的重點是觀察煤柱試樣在相同礦井水壓作用下，不同侵蝕性溶液、不同浸泡時間條件下煤柱試樣強度的軟化變形。通過對采空區積水原液的檢測，兩種采空區積水水質的pH值分別為3.5和6.5，分別記作溶液A、B。試驗浸泡壓力值設置為1.0MPa，浸泡天數共計40d。

3 實驗結果及分析

3.1 浸水煤樣單軸壓縮試驗結果與分析

如圖1 所示，以1 號煤柱試樣為例，在浸泡過程中每間隔10d對煤樣表面進行一次拍照記錄?？梢钥闯?，煤柱試樣在前10d的浸泡中并無裂紋產生，20d時隨著試樣所受的軸向壓力不斷增大，煤樣頂端和底部開始出現細微裂痕，并開始向內部發育；第30d時增加頂底部分的裂紋發育完全成熟，煤樣基本被裂隙貫穿；第40d 時，隨著主裂隙的不斷發育，煤樣承載能力繼續下降，煤樣表面出現煤體的脫落。

圖1 煤樣壓縮全應力示意圖

圖2 表示不同浸泡時間下，煤樣單軸抗壓能力的變化曲線，表1為各點的記錄值?？梢钥闯龅氖?，不同pH值的采空區積水溶液內，煤柱的單軸抗壓強度均呈現出先快速減小再緩慢穩定的變化趨勢。圖2（a）為1號煤柱試樣、圖2（b）為2號煤柱試樣，分別浸泡在A、B兩種溶液中，可以看出煤柱寬度越強，則初始抗壓能力越強，并在前20d內快速降低，30d以后變化趨于穩定；其次pH 值越低的溶液對煤柱的抗壓能力的降低影響更大，最終1號煤樣的抗拉強度在A、B兩種溶液中分別降低到6.15和6.36；2號煤樣分別降低到12和13.6。

表1 煤柱單軸抗壓能力的變化數據表

圖2 單軸抗壓能力的變化曲線圖

3.2 內應力剪切破壞試驗

圖3 以30cm 寬煤柱為例，通過內應力剪切破壞試驗得到的浸水煤樣抗拉強度變化曲線，表2為各點的記錄值。由圖中可以看出煤柱抗拉強度隨浸泡時間呈逐步下降的趨勢，并在前20d抗拉強度降低明顯，且pH值越低的溶液，抗拉強度最終的穩定值也越低。另外1、2號兩種寬度的煤柱在初期抗拉強度幾乎相同，約為1.4MPa，1 號煤樣在A、B 兩種溶液中浸泡40d 后，最終穩定在0.3，2號，約為浸泡之前干煤樣的30%。

表2 煤柱內應力剪切破壞表

圖3 煤柱內應力剪切破壞趨勢圖

3.3 校正系數

從兩個試驗中看到，煤樣的單軸抗壓強度和內應力剪切破壞程度隨浸泡時間而降低，分析原因認為，積水溶液對煤體顆粒存在潤滑腐蝕作用，降低了顆粒之間的粘結力，同時煤體中的礦物質吸水膨脹，使得煤體外部的結塊脫落。因此筆者對單軸抗壓強度和抗拉應力的計算引入了軟化系數進行計算。

假設煤樣抗拉強度與單軸抗拉應力的浸泡時間的函數關系為：

τ=aT3+bT2+cT+d

式中：τ——耦合系數；

T——天數。

經函數關系的耦合，浸泡煤樣抗壓強度與浸泡時間關系擬合式為公式（1）：

浸泡煤樣內應力剪切破壞與浸泡時間關系擬合為公式（2）：

由于本次試驗條件有限，無法將所有寬度煤樣、采空區積水pH 值考慮進去，根據現有實驗結果，基本可以默認浸泡時長達到40d時煤柱各項指標達到穩定，因此將時間T設為40d，計算得到煤樣單軸抗壓系數結果為0.64，內應力剪切破壞系數為2.4。

4 采空積水區煤柱留設

根據唐安煤礦3號煤層地質條件，煤層井田地質構造簡單，無巖漿活動，無煤層風氧化帶。為防止采區生產的相互影響，避免某一采區出現火災、水災和瓦斯等災害事故蔓延擴散到相鄰采區、并防止相鄰采區通風系統的互相影響，避免相鄰采區的采空區漏風，在采區邊界兩側各留有10m的隔離煤柱，及采區邊界煤柱。

井田3號煤層三盤區與二、四盤區采空區最小距離為50m，本設計采區煤柱按20m 留設（兩側各留設10m），總寬度不小于20m。

4.1 采空積水區煤柱寬度計算

防隔水煤柱的留設是保障礦井安全生產的重要措施之一。在留設防隔水煤柱時，煤層物理力學強度的大小直接影響煤柱留設的尺寸。采空區防隔水煤柱的留設按照《煤礦防治水細則》中側向靜水壓力下防隔水煤柱寬度計算公式計算，即公式（3）:

式中：L——煤柱留設寬度，m；

k——安全系數，取3；

M——煤層高度，取6.76m；P——最大靜水壓，MPa；

kp——煤的抗拉強度，MPa。

對此筆者考慮本礦采空積水長期的侵蝕導致煤柱穩定性降低，對此引入了抗拉軟化強度的系數k和r，公式（3）修正為公式（4）：各煤柱經過計算分別得：

一盤區西北部老窯積水區最大相對高差為110m，按照上述公式計算，防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力最大為P=110×9.8×10-3＝1.078（MPa）；根據公式（3）計算，應當留設的防隔水煤柱尺寸為40.4m，引入單軸抗壓系數和抗拉系數后，根據公式（4）計算防隔水煤柱尺寸應當按照45m留設。

一盤區中西部老窯積水區最大相對高差為42m，按照上述公式計算，防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力最大為P=42×9.8×10-3＝0.412（MPa）；根據公式（3）計算，應當留設的防隔水煤柱尺寸為21m，引入單軸抗壓系數和抗拉系數后，根據公式（4）計算防隔水煤柱尺寸應當按照25m留設。

一盤區東北部老窯積水區最大相對高差為23m，按照上述公式計算，防隔水煤（巖）柱所承受的靜水壓力最大為P=23×9.8×10-3＝0.225（MPa）；根據公式（3）計算應當留設的防隔水煤柱尺寸為15.5m，此防隔水煤柱尺寸小于20m，按照規定應當按照20m留設。

4.2 水文觀測孔煤柱留設及建議

根據本礦水文地質相關圖紙及水文鉆孔資料，目前唐安礦存在的水文觀測孔為SK1號孔。該鉆孔位于唐安煤礦工業場地火藥庫大門北側約60m，可以對煤柱留設的穩定性進行檢查。另外在三處采空區積水留設完成后，當采、掘活動接近上述采空區附近時，還因對同層采空區積水進行探放或采取有效的防治水措施。筆者在此建議礦方采掘前對工作面附近的采空區積水提前疏放，加強采空區地表的監測，發現地裂縫、地表塌陷區，應立即組織力量回填、夯實，以免雨季洪水灌入井下，發生水災事故。

5 結束語

通過對煤樣的浸泡試驗，觀察不同直徑的煤柱在不同pH 值采空區積水得到浸泡，分析實驗結果，擬合出了煤樣強度與浸水時間的函數關系，提出了煤柱新的計算方法，對唐安礦煤柱的留設引入了系數得出以下結論：

（1）煤柱的抗拉強度隨浸泡時間的長度而減弱，且pH值越低，則對煤柱穩定性影響越大；

（2）為提高采空積水區內煤柱的穩定性，對抗拉系數進行了耦合。

（3）在對一盤區三處防水煤柱進行加寬后，分別由之前的40.4m和21m加寬到到15m和25m，為保證礦井安全進一步提升做出了保障。

試驗雖未能完全揭示煤柱受采空區積水的腐蝕規律，但在對實際條件進行模擬后，可以對防隔水煤柱的穩定性評價以及留設煤巖柱計算公式的修正，對留設出安全穩定的防隔水煤柱具有重要的工程意義。