矿井防治水中防水煤柱的应用研究.pdf

2023.10 矿业装备/570 引言“防、排、探、放、疏、截、堵”是矿井防治水方面的主要措施，其中“防”是众多矿井防治水措施中最经济有效的，也是一切防治水工作开展的基础。为有效控制地表水与地下水的流向，排除其对井下开采工作的威胁性，在煤炭资源开采过程中，通常会根据各矿井具体情况，留设相应防水煤柱。防水煤柱是指在预计溃水地带，保留一定程度的煤层不采，用以阻止各方水源下渗，冲击资源开采工作。防水煤柱的留设宽度与长度，需要经过实地考察测算，既要保障工程安全，又要兼顾煤炭开采效益最大化的工作目标。因此，防水煤柱的留设与应用具有一定难度，需要进一步研究讨论。1 防水煤柱在矿井防治水中的应用的必要性井下开采过程中，地表水以及地下水会通过各种途径涌入矿井内部，一旦涌水量超过矿井排水设备正常排水量，就会给矿井内部造成水灾危害。在长期的煤矿资源开采过程中，各个矿区的水文条件以及地理地形，都逐渐显现出来1。无论是在具有大面积地下采空区的煤矿开采领域内，还是在水资源匮乏，地表生态环境恶劣的煤矿开采领域内，防水煤柱的留设，都能为井下安全开采提供有力支撑。具体来讲：在生态环境脆弱，水资源紧缺，环境保护需求升高的矿产资源开采区内。防水煤柱的应用，能够促进保水开采环保理念的高质量落实。在地下采空区较多的煤矿开采领域内。由于地下采空区的不可视性，在开展过程中无法利用人力准确界定采空区，一旦矿区图纸资料丢失，采空区位置模糊，将会给开采作业埋下巨大隐患。以国内某矿区为例（如图 1 所示），该矿区共有 2 个井下开采区域，但其周围采空区已被约为 250 万 m3符号的积水淹没，目前水位约有370m 高，如果没有设置足够厚度的防水煤柱，在井下开采作业过程中，一旦地下水涌出突破防水没住阻隔，将焦小石1 牛志刚1 邵学斌1 关民全2 李鹏2（1.山西新元煤炭有限责任公司，山西晋中 0306002.中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘察院，河北邯郸 056004）摘要：煤炭开采过程中的安全问题一直都是煤炭领域的关注重点。当前煤炭资源高效开采下隐藏着矿井通风安全问题、井下人工挖掘安全问题、井下水灾防范问题等。煤炭机电一体化技术与通风技术的研究，大大提升了井下挖掘方面与井下通风方面的安全性。如何提升矿井防治水水平，确保矿井内部安全作业，促进煤矿产业健康发展，成为煤矿开采行业新的关注点。以矿井防治水中防水煤柱的应用为研究对象，从防水煤柱在矿井防治水中的应用的必要性入手，分析防水煤柱的种类与留设原则，讨论防水煤柱在矿井防治水中的应用要点，探究防水煤柱在矿井防治水中的应用效果与改进措施。以期促进矿井防治水技术取得进步，为煤矿开采行业的健康可持续发展建言献策。关键词：矿井；防治水；防水煤柱；应用研究矿井防治水中防水煤柱的应用研究图1 某矿区情况示意图采矿区采矿区采空区58/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺会造成不可预估的后果。综上所述，防水煤柱在矿井防治水中的应用具有必要性。2 矿井防治水中防水煤柱的种类与留设原则2.1 防水煤柱应用种类防水煤柱虽然在排除水灾危害方面，具有显著作用。但脱离实际情况的留设方案，并不能达到预期作用。需要根据矿区具体水系特征、地理地形等相关因素，开展综合性考量，选取恰当的防水煤柱类型进行留设，充分发挥防水煤柱在矿井防治水方面的作用，为井下开采作业保驾护航。防水煤柱主要分为以下几种类型：井田边界防水煤柱。具体来说就是相邻井田之间构建防水煤层，在边界区域留设 50m 宽的禁挖煤层，起到隔离带或承重墙的作用，用以防范水源侵入，影响挖掘作业。断层防水煤柱。具体来说就是地质含水断层区域，计算出煤柱参数，并进行相应构建2。上下水平（或相邻采区）防水煤柱。具体来说就是在上下水平之间暂时留设防水煤层，防止危险出现，在后期作业中可以将防水煤层进行回收开采。水淹区防水煤柱。具体来说就是在新、旧积水区留设防水煤层，防止积水溃入井内，造成人员安全危机。地表水体防水煤柱。具体来说就是在开采过的区域内留设防水煤层，阻止地表水经开采过程中遗留的塌陷裂缝涌入井下3。冲积层防水煤柱。具体来说就是在开采过后的上覆区域留设防水煤层，防止冲积层内水源涌入采掘通道。2.2 防水煤柱留设原则原则是开展一切工作的指导性纲领，能够在相关工作开展过程中起到兜底保障作用4。“精准预测、探疑解疑、探后再掘、治前采后”是煤矿防治水方面的主要原则，在煤炭行业防治水领域发挥着重要作用，为煤炭采掘事业安全之灯常绿助力良多。防水煤柱留设原则要点具体包括：必备性原则。在采掘过程中，一旦发现潜在涌水威胁，必须留设合理的防水煤柱，发挥矿井保护作用。不可再利用原则。由于防水煤柱是根据具体地形情况与数据测绘留设的，一般不能进行二次利用，可以在保证安全的基础上，对其进行削减，也可以实施采后充填，提升资源利用率。环境适配原则。煤柱留设必须综合考量区域地质构造、水文条件、力学原理等，贴合工程需要。布局适配原则。矿井布局与开采，要与煤柱留设方案相适应，不能盲目开采，造成煤柱留设困难或留设失败的现象。煤柱适配原则。煤炭开采区域内的各防水煤柱，要坚持相互适配的原则进行留设，不能因个别煤柱设计不合理，影响其余煤柱效用的发挥。隔水性原则。煤柱留设要注意粘土质隔水层、隔水岩等的含量，切实保障煤柱隔水效用最大化。完整性原则。在后续作业过程中，要严格维护煤柱完整性，不得破坏、损伤。3 矿井防治水中防水煤柱的应用要点3.1 防水煤柱的参数确定3.1.1 实践计算法确定防水煤柱参数实践计算法是以具体煤矿采掘区域相关数据，展开的防水煤柱参数确定法5。以某矿区为例，对其采掘区域内的 49 个孔位情况进行统计，结果如下：该矿区矿井上方地层厚度大约在 20.55104.98m，平均厚度为47.64m，南部区域与东部区域上覆地层较厚，北部区域与西部区域上覆地层较薄，且由南至北，由东至西，厚度依次递减。在地质成分组成方面，主要以泥岩为主，成岩含量较少，土层胶结情况不明显。地质方面，第四土层为形态松散的砂砾层，或是来源于冲积，或是来源于洪积，总之容易受到低温影响，发生冻胀现象。另外，部分孔位的上覆煤层出现脱落迹象，其中最薄孔位 K4-5的上覆煤层仅为 20.55m，极其容易受到工作面淋水影响，造成钻孔坍塌，从而破坏地质永冻隔水层，给煤炭采掘工作造成水灾危机。如图 2 所示，以该煤矿挖掘区7K-3 孔位为例，7K-3 孔位上方覆煤层最薄处为 30.48m，可在 30.48m 的基础上增加 5m，将 35m 作为 14106 综采工作面的防水煤柱留设边界，预留长为 179.56m，宽为图2 某矿区上覆地层厚度示意图2023.10 矿业装备/59175.09m，面积为 31439.1604m2的防水煤柱。3.1.2 公式计算法确定防水煤柱参数公式计算法是结合实际开采经验，利用煤矿床水文地址、工程地质及环境地质勘察评价标准（MT/T1091-2008）中的导水裂隙高度计算公式与煤矿防水细则中的防水煤柱高度计算公式，对相关数据进行分析计算，最终确定防水煤柱留设参数的方法。以某矿区煤柱留设情况为数据参考，展开计算分析。根据公式（1）：Hf=100M/(5.1N+5.2)+5.1 （1）式中：Hf为导水裂隙带高度，m；M为煤层累计采厚，m；N为煤层分层层数，按采高为 2.5m6计算该煤矿开采区域导水裂隙带最大高度，m。分析矿区防水煤柱及危险区域数据，得知该煤矿采掘区域导水裂带高度大约在 8.9845.39m，经计算得出平均高度为 23.99m，矿井上覆顶板与地质第四层砂砾层相距数字区间约为 5.6597.19m，经计算得出平均距离为 34.42m。由计算数据分析可得，矿井上覆顶板与地质第四层砂砾层距离 34.42m 大于该煤矿采掘区域导水裂带高度 23.99m。因此在煤炭采掘过程中，如无特殊情况，不会惊动地质第四层的永冻层。但是也存在一些采掘钻孔上覆顶板与沙砾层的距离小于区域内导水裂隙带平均高度的情况，需要在工程施工过程中留设大小适当的防水煤柱，用于开展疏水、放水操作，保障井下作业安全。根据公式（2）：H防=H裂+H保 （2）式中：H防为防水煤柱高度，m，大于 20m；H裂为垂直煤层的导水裂隙带最大高度，m；H保为保护层厚度，m。比较该煤矿采掘区域内钻孔上覆顶板距地质砂砾层的高度与防水煤柱的高度 H 防，所有出现差值为负数的钻孔，其作业过程中都应该留设防水煤柱。除此之外，还要将各个差值与防水煤柱边界之间的区域归为危险区。以该矿区 106 综采工作面为例，该工作面内的危险区确定为长 179.56m，宽 175.09m，面积 31439.1604m2的区域，该区域需要根据计算数据设定相关防水煤柱，排除安全隐患，避免工程事故发生，保障施工安全。4 矿井防治水中防水煤柱的应用效果防水煤柱在井下挖掘作业过程中的应用，极大地保障了人员安全与设备安全，在煤矿开采行业的防治水领域做出突出贡献7。除此之外，防水煤柱在提升煤矿采掘上限方面也有显著作用，防水煤柱的应用加强了钻孔周围的地质支撑性，能够扩大相关矿区可开采煤碳储量。总体来说，防水煤柱在矿井防治水方面的应用，不仅实现了矿区经济效益最大化，还切实保障了施工人员生命安全。虽然，当前防水煤柱的应用已经取得了较为优异的成效，但仍需进一步探索，以寻求最精确的煤柱参数确定方法，提升防水煤柱应用质量。5 结束语防水煤柱的应用是煤矿防治水方面取得成效的必然要求，要积极探索防水煤柱留设与应用技术，助力煤矿开采行业安全发展。为切实保障防水煤柱的有效应用，要对防水煤柱的应用要点，做到了如指掌。明确防水煤柱在矿井防治水中的应用的必要性，明了防水煤柱种类和留设原则。探究确定防水煤柱参数的主要方法，掌握实践确定法与公式计算法的应用。正视精准把握防水煤柱导水裂带高度与防水煤柱保护层厚度的重要性，讨论相关计算技巧。对矿井防治水中防水煤柱的应用效果正确看待，总结相关经验，提升防水煤柱应用水平。多举措并重，有效保障矿井内部安全作业，推动煤矿行业健康可持续发展。参考文献1 武宇亮,刘延欣,吴玉石,等.邻矿采空区积水对边界防水煤柱留设安全性探究 J.煤炭科技,2022,43(2):80-83.2 姚恒.井工煤矿采空区对露天开采的影响及防治水技术J.发展与创新,2021,19(91):207-209.3 张凯.郭屯煤矿工作面正断层下盘防水煤柱留设研究 J.山东煤炭经济,2022,8(23):66-69.4 胡梦玲,郜可欣,叶家桐,等.临近水库浅埋煤层防水煤柱留设宽度数值模拟 J.科学技术与工程,2022,22(3):974-980.5 姚忠岭.胜利煤矿 14 煤回采工作面防水煤柱留设探究 J.中国外资,2021,9(66):133-134.6 谢华东.巨厚红层下厚煤层露头区开采防水煤柱留设 J.煤矿安全,2020,9(51):202-204.7 孙志刚.现代煤矿防水治水安全管理 J.石化技术,2020,12(122):256-257.