三河尖煤矿闭坑矿井积水对相邻龙东煤矿的安全影响评价

三河尖煤矿闭坑矿井积水对相邻龙东煤矿的安全影响评价摘要：为了研究临近煤矿闭坑后采空区积水对临近矿井安全生产的影响，针对性制定安全措施，保障矿井安全，以三河尖煤矿关闭为背景，全面分析了矿井闭坑后诱发的水文地质效应，从理论煤柱计算、数值模拟等多角度评价了两矿之间防隔水煤（岩）柱安全性；并通过排查、分析井田边界可能存在的封闭不良钻孔、断层、陷落柱等导水通道，研究了三河尖煤矿闭坑积水对龙东煤矿安全开采的影响。

研究表明龙东煤矿留设的7煤防隔水煤（岩）柱安全可靠，研究成果可为龙东煤矿及类似条件下闭坑水害安全性评价提供技术参考[[1]]。

关键词：煤矿闭坑；矿井突水；煤柱评价；安全措施近年来，随着我国煤矿开采强度的增大，以及煤炭供给侧结构性改革深入推进，大量灾害严重、资源枯竭的煤矿陆续关闭退出，全国煤矿数量已由本世纪初的3.7万处减至2021年的4500处[[2]]。

矿山关闭后由于停电和停止排水系统运行，井下水位逐渐抬升，改变了矿井不同充水含水层原有的地下水补、径、排条件[[3]]，导致闭坑矿井积水水位、水量、水质等均会发生一系列的变化，当积水到一定高度时也会对周围矿井的安全产生不利影响。

广东大兴煤矿、河南寺沟煤矿、新疆丰源煤矿等重特大透水事故等就是例证；即使防隔水煤(岩)柱未被彻底破坏，但由于采掘工程扰动后失去了完整的防隔水能力，采空区积水通过破损煤柱向相邻矿井充水，2010年初江苏徐州矿区夏桥、韩桥煤矿关闭并停止排水，矿井水位迅速回升，强大的水头压力导致废弃煤矿的矿井水通过断层和弱含水层涌入旗山煤矿，导致旗山煤矿发生重大突水灾害，排水量逾20万m3/天[[4]]；2011年，陕西禹昌煤矿（乡镇资源整合矿）11号煤层底板发生突水，通过采空区进入桑树坪煤矿北二采区，造成全矿井被淹，由此可见矿井闭坑后的水文地质效应波及范围远远超出矿井边界。

目前对于煤矿闭坑水灾害防治，在闭坑后水位回升时空过程、诱发相邻生产矿井涌水量变化、防控治理方法等当面做了大量研究，但在防隔水煤（岩）柱安全性评价方面，大多只是在平面上按照规范要求计算隔水煤（岩）柱宽度，方法较为单一。

本文以三河尖煤矿为例，从多角度评价闭坑矿井水对相邻龙东煤矿安全开采的影响（图1），研究成果可为龙东煤矿及类似条件下闭坑水害防治提供技术参考。

图1三河尖—龙东煤矿井田边界区域及4个典型剖面位置1.矿区区域水文地质概况矿区位于半封闭的滕县背斜储水构造水文地质单元的西南侧，是一个四周为阻水边界断层所切割的独立的奥灰水文地质单元，该储水构造除三河尖煤矿、龙东煤矿外，还包括姚桥煤矿、龙固煤矿、柴里煤矿[[5]]。

龙东煤矿位于三河尖煤矿东北部，两矿以F孙（孙氏店）断层为界，F孙断层为张扭性正断层，倾角一般为60°~64°，落差介于20m~260m，三河尖煤矿位于断层上盘、龙东煤矿位于下盘，天然状态下F孙断层整体导（含）水性弱，但考虑三河尖、龙东边界工作面开采后采空区积水可能导致F孙断层局部充水，因此为了安全起见，在三河尖——龙东边界煤柱的计算时将F孙断层视为含（导）水断层。

两矿在边界附近只开采7煤层，三河尖煤矿在边界附近共开采了8个工作面，龙东煤矿在边界附近共开采13个工作面。

1.三河尖煤矿闭坑后诱发水文地质效应分析2.1地下水位变化分析矿井排水停止后，高水位含水层向矿井充水首先充填水流畅通的巷道系统和采空区，由于空间体积有限，且矿井关闭初期涌水量较大，所以这一阶段矿井水位上升速度很快。

当矿井巷道系统及其采空区被水淹没，水位持续上升到一定标高，积水在压差作用下，开始向矿井生产阶段已经疏降的上覆地层中的含水层回灌，由于第四系松散含水层的水位是所有含水层中最高的，预计成为各主要含水层的补给水源，达到最高恢复水位，使矿井水位逐渐恢复到采前状态，本区内第四系含水层水位为+34.17m，三河尖煤矿闭坑后，采空区最大积水理论高度将达到+34.17m。

因此，三河尖—龙东煤矿井田边界附近的闭坑稳定水位取+34m标高。

2.2积水空间计算根据三河尖煤矿停采后采掘工程平面图中标注的采空区和巷道范围，按照《煤矿防治水手册》最终确定采空区积水空间体积计算公式：式中：Q——采空区积水空间体积，m3；M——煤层采高，m；S——采空区面积，m2；V——采空区初始积水空间体积，m3；K——充水系数，采空区取0.35，巷道取0.8。

经计算总的井下积水空间体积约1238万m3，扣除已有积水区域后剩余积水空间体积约1197万m³。

2.3采空区积水充满时间预测三河尖煤矿于2019年7月23日停止排水，当时矿井平均涌水量为196.8m3/h，由于三河尖煤矿井田为一个独立的补给不良、排泄不畅、封闭~半封闭的水文地质块段。

井田范围内揭露的断层导水性均较差或不导水，揭露的1个陷落柱也未出现导水现象。

故认为三河尖矿井闭坑后，采空区平均积水速度基本等同于矿井平均涌水量。

经计算三河尖煤矿采空区积水空间充满水需要耗费时2534.5天，即2026年7月左右，三河尖煤矿7号及9号煤层中所有采空区积水空间均充满水。

1.边界煤（岩）柱安全性评价3.1按平面位置关系评价三河尖煤矿闭坑后，采空区最大积水理论高度将与第四系松散含水层水位一致，第四系松散含水层的最高水位为+34m，7号煤层最大采深-312m，故三河尖煤矿闭坑充满水后对边界煤柱产生的最大水压为P=3.46MPa，选取煤的抗拉强度Kp=0.6MPa，边界处7煤平均厚度为M=5.72m，依据《煤矿防治水细则》（2018年）[[6]]，选取安全系数K=5，代入公式：计算得出龙东矿一侧7煤所需的防隔水煤（岩）柱最小宽度为59.47m，龙东煤矿7煤回采工作面采空区距边界F孙断层的最小平面距离为89.32m左右，远大于59.47m的计算结果，因此龙东矿一侧留设的边界煤柱满足安全要求。

3.2典型剖面分析边界防隔水煤（岩）柱安全性由于F孙等断层的影响，导致两矿采掘区域存在着垂直方向的错位和对应关系，所以在三河尖和龙东矿间距较小的位置，选择4个典型剖面，对开采工作面顶板扰动破坏、断层切割后错位情况和垂直方向上的隔水层厚度等可靠性进行更为细致的评价。

剖面1位于三河尖煤矿622钻孔和龙东煤矿08-1钻孔连线上，剖面呈现三河尖煤矿7415工作面采空区和龙东煤矿7133工作面。

三河尖煤矿覆岩类型为中硬，采煤方法为综放，平均煤厚5.0米，选取相应工作面开采覆岩“两带”发育高度经验公式：根据“两带”高度计算结果，岩层塌陷角取75°，绘制典型剖面（图2），测量剖面图中龙东煤矿一侧的实际安全防隔水煤（岩）柱Ha 值为311.52m 。

龙东煤矿在1#切面位置最低开采标高－216米，所以三河尖煤矿采空区积水对龙东煤矿采空区的静水压力最大为2.5MPa ，计算得出三河尖煤矿闭坑后在1#切面位置安全防隔水煤（岩）柱理论值为51.67米，实际值远大于计算的理论值，故留设的井田边界防隔水煤（岩）柱满足要求。

图2剖面1位置煤柱安全性分析图 方法与剖面Ⅰ相同，剖面Ⅱ至剖面Ⅳ煤柱实际防隔水煤（岩）柱宽度均大于理论计算值，计算结果见下表1。

表1龙东矿距边界的防隔水煤（岩）柱计算及测量值汇总表类型 理论计算值 实际测量值 差值 安全评价平面对应 223 127.835 安全关系评价剖面Ⅰ评价:311.52259.85安全剖面II评价6.48安全剖面III 评价84.52安全剖面IV评价18.81安全3.3数值模拟分析为多角度综合验证三河尖和龙东煤矿煤柱尺寸是否安全，以以上相邻两矿采矿和水文地质条件为基础，应用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析。

选择危险性最高（实际与理论Ha值相差最小）的剖面Ⅱ（图3），对三河尖煤矿7419工作面回采过后进行充水加压，加压为2.96MPa，将F孙断层视为导水断层，然后模拟加压后渗流场与围岩破坏场的耦合情况。

如图所示，三河尖煤矿7419工作面采空区渗流场沿F 孙断层有所延伸，但是范围有限；龙东煤矿工作面塑性破坏场并未与三河尖矿工作面的渗流场贯通，说明两矿边界防隔水煤（岩）柱安全可靠。

图3剖面Ⅱ采动塑性区与渗流场耦合示意图4.边界附近导水通道分析根据两矿地质资料和长期生产揭露情况分析，两处矿井边界附近存在着天然导水通道和工程类导水通道，分别是断层、陷落柱和封闭不良钻孔。

4.1断层导水通道分析通过上述分析，三河尖—龙东煤矿F孙边界断层已留有足够宽的防隔水煤（岩）柱，在后期不破坏煤柱的情况下，发生边界断层活化导致突水的危险性较低。

龙东煤矿井田内落差≥1m的断层共有300条，其中正断层294条，占98％；其中大中型断层10余条，均为正断。

矿井生产水平较浅，井下揭露的中小断层，富水性弱，仅见局部断裂带附近有少量出水现象。

但大型断层所形成的次生裂隙属于张性裂隙，是地下水富存的有利场所，并具有一定的导水能力，如井田内进行的L12灰放水试验过程中，发现底部强含水层间接补给上部煤系地层内，其补给通道断层裂隙就是其中的一部分。

因此在掘进回采中，仍需加强断层含（导）水性的超前探查。

4.2陷落柱导水通道分析龙东煤矿7煤采掘过程中并未揭露陷落柱，三河尖煤矿在7号煤采掘过程中共发现1个陷落柱，长轴70m，陷落柱充填密实，泥质胶结良好，为不导水陷落柱。

而且陷落柱位置距离两矿井田边界较远，陷落柱导致三河尖煤矿闭坑后老空水涌入龙东煤矿的可能性低。

4.3封闭不良钻孔导水通道分析龙东井田内存在封闭不良钻孔有98个，三河尖井田内存在封闭不良钻孔30个，两矿对于部分影响采掘安全的封闭不良钻孔进行了重新启封。

因龙东煤矿封闭不良钻孔距离公共井田边界较远，以及两矿之间留设的正常边界防隔水煤（岩）柱以及开采标高龙东大于三河尖的事实，因此封闭不良钻孔将三河尖煤矿闭坑后老空水导入龙东煤矿的可能性低。

5.结语（1）从平面关系和典型剖面分析，龙东煤矿距F孙断层实际留设的边界防隔水煤（岩）柱大于理论计算值，煤柱可抵抗三河尖煤矿闭坑矿井达最高积水水位后产生的静水压力。

（2）运用FLAC3D数值模拟软件，模拟了断层导水情况下典型剖面Ⅱ（实际与理论Ha值相差最小），得出了加压后东煤矿工作面塑性破坏场并未与三河尖矿工作面的渗流场贯通，说明两矿边界防隔水煤（岩）柱安全可靠。

（3）断层、陷落柱、封闭不良钻孔等可能存在的导水通道导致边界突水的可能性低，但不能完全排除采掘活动导致通道活化的可能性，所以采掘活动临近边界时需加强断层的超前探查。

（4）建立井下水文自动监测系统，加强井下涌水量的数据监测；定期分析井下涌水量变化趋势，编制针对性的水害应急预案，异常涌水时采取针对性安全措施。

参考文献[[1]]许延春，盖秋凯，黄磊，等.闭坑矿井积水对相邻生产矿井防治水的影响[J].煤炭科学技术，2020，48(9)：96-101.[[2]]中国煤炭工业协会发布《2021煤炭行业发展年度报告》.[[3]]武强，李松营.闭坑矿山的正负生态环境效应与对策[J].煤炭学报，2018,43(1):21-32.[[4]]高波.贾汪矿区煤矿关闭后地下水化学特征[D].1.[[5]]上海大屯能源股份有限公司，龙东煤矿水文地质类型划分报告[M]，2019.[[6]]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水细则[M].北京：煤炭工业出版社，2018.作者简介：史朝阳(1990年11月)，男，上海大屯能源股份有限公司，工程师，2012年毕业于西安科技大学地质工程专业，本科学历，学士学位，多年来一直从事矿井地质及防治水工作。