0 引 言
随着我国矿井开采深度、机械化程度和生产能力的增加，煤炭资源逐渐枯竭，矿井废弃的速度越来越快；另一方面，为深入贯彻落实煤炭行业供给侧结构性改革战略部署，2000年至2018年全国累计退出煤矿2.8万余处，未来还将有大量煤矿被关闭[1]。大量矿井的闭坑将导致一系列的“水文地质效应”[2]，如地下水位上升、水质变化等。当积水达到一定高度后由于侧向水压增大以及水的物理-化学软化作用，会影响边界防水煤柱的稳定性[3-4]；另一方面，闭坑后的井田边界导水通道也可能会发生变化，增加了相邻矿井的突水危险性。因此，进行闭坑条件下边界煤柱稳定性评价以及导水通道的分析对于相邻矿井的安全生产具有重大意义。
学者们对于闭坑水害问题进行了广泛的研究。黄炳香等[5]针对闭坑后矿井安全等问题提出了“矿井全生命周期”的概念；武强院士等[6]概括了闭坑矿山的环境负效应，主要包括煤柱浸泡后失稳，威胁相邻生产矿井安全等问题，并提出了相应防控治理方法；杨高峰等[7]分析了周边闭坑矿井采空区积水对凤凰山矿的水患威胁，提出并建立了闭坑矿井积水区域的地面直排系统，确保了凤凰山矿安全生产；崔洪庆等[8]以美国匹兹堡煤田为例，介绍了闭坑导致相邻生产矿井涌水量增大等问题，提出应基于GIS和GPS等技术进行长期水位水质监测；李伟等[9]以淮北闸河矿区闭坑矿井为研究对象，对矿界煤柱安全性进行了评价，并建立了闭坑矿井水害综合防控技术体系，实现了受闭坑水害威胁的相邻煤矿的安全生产；毕尧山等[10]以岱河煤矿为例，对闭坑矿井采空区积水过程进行了研究，分析了采空区积水体积及闭坑后水位回升的时空过程，为进行矿界隔水煤柱的安全性评价提供了可靠依据；翟晓荣等[11]利用Visual MODFLOW软件对矿井闭坑后水位动态回升过程进行了预测分析，得到了水位随时间动态变化过程；周建军[12]根据矿界隔水煤柱应力状态，建立了典型废弃矿井理论模型，并进行地下水位回升模拟计算，获得了煤柱破坏临界水位及时间。
从目前煤矿闭坑的相关研究来看，主要集中于闭坑后灾害防控、资源利用等方面，但其中对于多角度评价闭坑水对相邻矿井安全开采的影响研究不足，包括对井田边界煤(岩)柱安全性进行有效评价，边界导水通道分析等。笔者以三河尖煤矿闭坑为例，从平面对应关系、典型剖面法、数值模拟以及导水通道分析方法多角度评价闭坑水对姚桥矿西翼采区安全开采的影响。研究成果可为姚桥矿及类似条件下闭坑水害防治提供依据和参考。
1 地质概况
三河尖煤矿越过其井田边界开采至F19断层及其次生断层附近，闭坑前在三河尖-姚桥矿井田边界附近主采7煤；在F19断层的另一侧为即将开采7煤的姚桥矿西翼采区，姚桥矿规划距离F19断层留设平面距离160 m左右的边界隔水煤(岩)柱，姚桥矿7煤防水煤柱线位置如图1所示。天然状态下F19断层整体富水性差、导水性弱，但由于三河尖煤矿工作面局部直接采到F19断层，将导致断层局部充水；另外随着姚桥西翼7煤的开采，F19断层可能局部活化。因此，为了安全起见，将F19断层视为导水断层。
图1 三河尖-姚桥矿平面位置关系及典型剖面位置
Fig.1 Positional of relationship between Sanhejian-Yaoqiao Mine and position of typical section
2 边界煤(岩)柱防水性评价
2.1 按平面对应关系评价
平面对应关系是评价两矿开采相互影响程度的因素之一，从平面图中可以计算两矿井下空间的最小距离或最危险区域[13]。根据位置关系，计算抵抗顺煤层方向上的静水压力所需的煤(岩)柱宽度，并与两矿实际开采区域之间的最小距离对比，若实际距离大于计算值则表明隔水煤(岩)柱为安全状态，从而评价井田边界煤柱的可靠性。根据相关资料[14]，应用式(1)计算理论所需边界隔水煤(岩)柱宽度LP：
(1)
式中：K为安全系数，一般取4～10；M为平均煤层厚度，m；p为边界隔水煤(岩)柱所承受的静水压力，MPa；Kp为煤的抗拉强度，MPa。
三河尖煤矿最上部充水水源为第四系松散含水层，预计闭坑充满水后的水位与该含水层保持一致，即+34 m；姚桥7煤在边界附近最低开采标高为-966 m，故三河尖煤矿对边界煤柱产生的最大静水压力为10.0 MPa；考虑到边界煤柱长期被地下水浸泡，其抗拉强度可能会受到一定影响，参考姚桥矿相关研究报告和文献[15-16]，取煤的抗拉强度为0.60 MPa；F19断层为导水断层，综合考虑后取安全系数K=8，边界煤柱处7煤平均厚度为4.86 m，代入式(1)计算得LP=137.46 m。
测量三河尖煤矿采空区距姚桥矿7煤防水煤柱线的最短平面距离为270 m左右(即三河尖煤矿7413工作面到姚桥7煤防水煤柱线的平面最小距离)，且F19断层到7煤防水煤柱线的平面距离为160 m左右，均满足137.46 m的理论计算要求，因此，姚桥矿留设的边界隔水煤(岩)柱可抵抗由于三河尖煤矿闭坑造成的顺煤层方向的静水压力。
2.2 典型剖面法评价
选择三河尖-姚桥煤矿井田边界附近采掘工程间距较小而开采工作面较多的位置，确定5个典型剖面位置(图1)，对两矿开采工作面顶板破坏范围、断层切割后错位情况和垂直方向上的隔水层厚度等安全性进行更为细致的评价。考虑到三河尖煤矿部分工作面没有留设至少宽20 m的断层煤柱，为保障安全性，将实际的边界隔水煤(岩)柱宽度Ha计算方法[14]作适当调整后分为2种情况：①三河尖煤矿工作面未开采到F19断层(图2a)；②三河尖煤矿工作面开采到F19断层(图2b)。
L—实际留设煤柱宽度；δ—岩层塌陷角
图2 边界隔水煤(岩)柱留设示意
Fig.2 Schematic diagram for setting of coal (rock)pillar against water separation at boundary
根据文献[17]，用式(2)计算Ha理论值：
(2)
式中：Ts为临界突水系数，根据资料取0.06 MPa/m；A为保护层厚度，一般取10 m。
若各典型剖面位置的实际边界隔水煤(岩)柱宽度大于式(2)计算所得Ha，则表明通过典型剖面法评价，边界隔水煤(岩)柱为安全状态。
2.2.1 剖面Ⅰ煤柱评价
参照图2a对剖面Ⅰ进行评价。根据姚桥矿给出的7煤防水煤柱线位置，设定姚桥矿西翼采区布置7煤采煤工作面边界在姚桥矿7煤防水煤柱线处。姚桥矿覆岩类型为中硬，选取相应工作面开采覆岩“两带”发育高度经验公式[18]，利用式(3)计算姚桥西翼采区位于7煤防水煤柱线位置处的导水裂隙带发育高度Hli：
(3)
取姚桥矿规划布置7煤工作面平均煤厚为4.86 m，代入式(3)得Hli=77.75 m。
剖面Ⅰ位于三河尖煤矿7305工作面和76-22钻孔连接线上，三河尖煤矿的7305工作面煤厚为5.93 m，岩层塌陷角δ按照75°计算，测得剖面图中三河尖煤矿7305工作面外延处与姚桥矿的实际边界隔水煤(岩)柱宽度为227.1 m，如图3所示。
图3 剖面Ⅰ位置煤柱安全性分析
Fig.3 Safety analysis of coal pillar at section Ⅰ
姚桥矿7煤在剖面Ⅰ位置最低开采标高为-819 m，故三河尖煤矿对边界煤柱产生的最大静水压力为8.53 MPa。因此三河尖煤矿闭坑后在剖面Ⅰ位置Ha理论值为152.17 m。
实际测量Ha为227.1 m，大于理论计算值152.17 m，故剖面Ⅰ处留设的井田边界隔水煤(岩)柱满足要求。
2.2.2 剖面Ⅱ-剖面Ⅴ煤柱评价
类比剖面Ⅰ，根据典型剖面评价方法依次测量和计算剖面Ⅱ-剖面Ⅴ的Ha实际与理论值，汇总见表1。由表1可知，剖面位置之间的实际边界隔水煤(岩)柱宽度Ha均大于理论计算的Ha，煤柱安全。
表1 剖面Ⅱ-剖面Ⅴ煤柱评价
Table 1 Section II-Section V coal pillar evaluation
剖面编号姚桥矿煤厚及Hli三河尖煤矿煤厚静水压力p/MPaHa理论值/mHa实际值/m是否安全Ⅱ煤厚4.54 m7413工作面Hli=79.96 m煤厚5.30 m9.94175.67260.8安全Ⅲ煤厚5.00 m7409工作面Hli=79.38 m煤厚5.60 m9.63170.50222.0安全Ⅳ煤厚4.50 m7405工作面Hli=73.49 m煤厚5.50 m10.00176.67348.4安全Ⅴ煤厚5.10 m7407工作面Hli=80.89 m煤厚6.20 m9.87174.50504.6安全
2.3 数值模拟分析
为进一步验证2.2节中三河尖-姚桥矿典型剖面位置煤柱尺寸的安全性，以三河尖煤矿、姚桥矿采矿和水文地质条件为基础，利用FLAC3D数值模拟软件进行2次模拟。模拟1：计算5个典型剖面位置两矿工作面开采后的覆岩破坏及贯通情况，以评价边界隔水煤(岩)柱的安全性。模拟2：选择危险性最高(Ha实际值最小而承受水压较大)的剖面Ⅲ，研究在三河尖煤矿7409工作面充水加压后渗流场与姚桥矿工作面的覆岩塑性区是否贯通，以论证煤柱的安全性。其他剖面情况均较剖面Ⅲ有利，因此不再模拟。
2.3.1 模拟1分析
设计三河尖煤矿工作面推进方向垂直于井田边界沿剖面平行向右，5个剖面推进长度分别为200、160、160、190、140 m，且一次性推进完毕(当达到充分采动后，再进行姚桥矿7煤开采)；姚桥矿7煤工作面推进方向垂直于井田边界沿剖面平行向左，设计推进长度为200 m。覆岩塑性区模拟结果如图4所示。
图4 剖面Ⅰ—Ⅴ覆岩塑性区
Fig.4 Section Ⅰ—Ⅴ surrounding rock failure area
由模拟1结果可知，当导水裂隙带高度发育到最大后，两矿工作面的塑性破坏区并没有贯通，故可以判断在三河尖煤矿7煤采空区未积水的情况下，姚桥矿留设的边界煤柱可以满足姚桥矿7煤相应工作面的安全开采。
2.3.2 模拟2分析
剖面Ⅲ三河尖煤矿7409工作面开采之后充水加压至9.63 MPa，然后考察加压后渗流场与围岩塑性区的耦合情况，以论证姚桥矿相应工作面回采的安全性。如图5所示，三河尖煤矿7409工作面在渗流过程中沿导水断层F19有所延深，但范围有限；姚桥矿工作面采动塑性区并未与三河尖煤矿7409工作面的渗流场贯通，说明三河尖煤矿闭坑充满水后，在采动影响下，两矿边界隔水煤(岩)柱留设满足要求，姚桥矿7煤可实现安全开采。
图5 剖面Ⅲ采动塑性区与渗流场耦合示意
Fig.5 Coupling diagram of mining rupture field and seepage field in section Ⅲ
3 井田边界导水通道分析
考虑到两矿边界附近特殊的地质条件，除了采动导致煤柱破坏的突水通道外，封闭不良钻孔、特殊地质构造(陷落柱、断层等)也可能成为突水通道[19]。
1)封闭不良钻孔导水分析。矿井勘探施工过程中形成的未封或封闭不良钻孔，使上下含水层之间发生水力联系，当采掘工作面靠近或揭露这些钻孔时，含水层水通过钻孔涌入采场内，从而造成突水事故[20]。姚桥矿经核查共发现井田内需处理的封闭不良钻孔共76个，已启封或井下工作面采取措施已通过的封闭不良钻孔有43个，所有封闭不良钻孔均未发生导通上下含水层的情况。此外，在姚桥矿西翼采区井田边界附近并不存在封闭不良钻孔。因此判断封闭不良钻孔导致三河尖煤矿闭坑后采空区积水涌入姚桥矿的可能性低。
2)陷落柱导水分析。姚桥矿在中央Ⅱ采区回风巷施工过程中揭露1个陷落柱，未见淋水、涌水；三河尖煤矿7138工作面也揭露了1个导水性差的陷落柱。目前揭露的陷落柱均导水性差且离两矿边界距离较远，综合分析认为，三河尖煤矿闭坑后通过已发现的陷落柱对姚桥矿充水的可能性低。
3)断层导水分析。断层是发生突水事故的重要诱因，尤其是隐伏导水断层，对井下安全威胁极大[21]。根据所收集资料整理分析，姚桥矿西翼采区内有16条断层，两矿边界附近以张扭性、高角度正断层为主。从矿井揭露或探明的断层来看，姚桥矿西翼采区内的断层自然状态下含水性弱，总体上断层导水性不良，但应注意在采掘活动中断层导水性增强的可能性，在断层附近进行采掘活动时，应做好探查工作，并制定对策。
4 结 论
1)从平面对应关系来看，姚桥矿距F19断层留设平面距离160 m左右的边界隔水煤(岩)柱可抵抗由于三河尖煤矿闭坑造成的顺煤层方向上的水压。
2)5个典型剖面位置处的Ha实际值均大于理论值，并通过数值模拟的方法验证了未充水情况下Ha均满足安全要求，与理论计算结果相符；对最危险的剖面Ⅲ充水加压，模拟三河尖煤矿充满水后对姚桥矿开采的影响，模拟结果表明该剖面Ha满足要求，同时证明了其余剖面充水后Ha均安全。
3)三河尖-姚桥矿边界附近的封闭不良钻孔和已探明的陷落柱导致姚桥矿严重突水的可能性低；天然状态下断层导水性差，但应注意采动活化后导水性增强的可能性，因此，在断层附近进行采掘活动时，应加强探查并制定应急措施。
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