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科学技术创新 2020.18 废弃煤矿积水对相邻煤矿的威胁分析 Threat Analysis of Abandoned Coal Mine Water to Adjacent Coal Mine 吴玉川 1 李 磊 2 （1、 河南理工大学资源环境学院， 河南 焦作4541502、 河南焦煤能源公司九里山矿， 河南 焦作454150） 近年来， 煤炭资源逐渐枯竭， 全国各地煤矿都面临着关闭 的问题， 从而可能会引发一系列的难题。矿井闭坑后不仅使周 围环境发生变化， 还对邻近矿井造成很大的影响。不少学者对 闭坑进行了大量的研究， 包括了隔水煤柱[1]、 水位回升过程[2]等。 由于矿井的闭坑， 井下不在排水， 地下水位逐渐恢复， 原来的水 流场会发生变化， 可能会使周围矿井发生突水。因此， 进行废弃 煤矿积水的研究对邻近煤矿的安全生产有很大帮助。 大量学者在闭坑矿井水害分析上进行了广泛的研究。杨高 峰等[3]以晋城矿区凤凰山矿为研究对象， 借助 suffer 软件绘制了 周围矿区的水流趋势图， 对矿井的积水过程进行了分析， 并提 出了治理方案； 周建军等[4]基于 FEFLOW 软件进行了废弃煤矿 水位回升过程的数值模拟， 得到了不同介质在充水淹没过程中 的水流和水位回弹特征。本文以九里山矿为研究对象， 研究演 马矿积水量对两矿之间的隔水煤柱的影响。 1 研究区概况 1.1 地理概况 演马矿位于焦作的东北部， 北部以九里山断层为界， 南部 以凤凰岭断层为界， 东部以方庄断层为界， 井田面积约 15km2， 主要开采煤层为二1煤层。根据资料显示， 演马矿于 2018 年 10 月份关闭， 闭坑后矿井不排水， 水位开始上升， 采空区的积水会 对与九里山矿 14142 工作面之间的隔水煤柱造成影响。14142 工作面位于 14 采区西翼下部， 走向长 756m， 倾向宽 150m。 地面 标高在 92.5m 左右， 西部为两矿井之间的边界煤柱。 1.2 构造 14142 工作面所在区域地层整体呈单斜构造，工作面回采 区域二1煤层多以粒状及块状为主， 煤层结构简单， 属较稳定煤 层。另外在该工作面揭露 4 条正断层，揭露断层落差在 0.4～ 2.0m 之间， 断层倾角在 55～65之间 （断层产状见表 1） 。 表 1 断层产状一览表 2 废弃矿井积水情况 根据演马矿的水文地质条件分析， 演马矿积水水源主要包 括几个方面 ①地表水； ②大气降水； ③松散含水层水； ④灰岩 裂隙水； ⑤岩溶水。如果两矿之间留设的隔水煤柱宽度抵抗不 住积水的水压， 煤岩柱破坏， 演马矿积水将大量涌入 14142 工作 面， 就会发生突水事故。因此分析闭坑矿井积水情况对邻近矿 井是至关重要的。 2.1 废弃矿井积水计算 根据资料显示， 演马庄矿 27 采区的积水对隔水煤柱影响很 大， 因此对 27 采区的积水量进行计算， 从而可以定量的计算留 设的防隔水煤柱是否能抵抗住 27 采区积水区的水压。本文回 采空间法计算公式[5]， 有水力联系的煤层采空区积水量之和 （1） （2） （3） 摘要 定量分析废弃煤矿积水对防止废弃煤矿积水对相邻煤矿造成危害具有重要意义。本文以闭坑矿井和邻近矿井九里 山矿为研究对象， 利用回采空间法计算了闭坑矿井27采区的积水量， 得到闭坑后采空区积水量为235572.555m2， 并利用数理统计 方法对闭坑矿井的水位和水量变化进行分析， 发现矿井水位回升速度与水量相关； 并对邻近14142工作面的防隔水煤柱进行安 全评价， 结合两种计算方法对需留设的隔水煤柱宽度进行计算， 判断出隔水目前煤柱可以抵挡住27采区的积水水压。 关键词 废弃矿井； 积水量； 水位回升； 防隔水煤柱； 积水水压 Abstract Quantitative analysis of the accumulated water in the abandoned coal mine is of great significance to prevent the harmfulness of the abandoned coal mine water to the adjacent coal mines.In this paper, the closed pit mine and the adjacent mine Jiulishan Mine are used as research objects. The water volume of the 27 closed pit mines is calculated by using the mining space . Total water-filling volume in goaf after coal mine being closed is 235572.555m2.The mathematical level and statistical s are used to analyze the water level and water volume change of the closed pit mine. The water level recovery speed is related to the amount of water; the safety uation of the water-proof coal pillars adjacent to the 14142 working face is pered, and it is judged that the current coal pillars can withstand the water pressure in the 27 mining area. Key words abandoned mines； water accumulation； water recovery;waterproof coal pillar;water pressure 中图分类号 TD741文献标识码A文章编号2096-4390（2020）18-0154-03 作者简介 吴玉川 （1992-） ， 男， 河南焦作人， 在读研究生， 主要从事水文地质与工程地质方面的研究。 断层名称 走向（） 倾向（） 倾角（） 性质 落差（m） F14-8 240 150 55 正断层 0-1.6 F14-15 236 326 60 正断层 1.0 F14-11 65 335 65 正断层 0-0.9 F14-12 75 165 65 正断层 0-0.6  JCH QQQ   1 cos C K MF Q  2H QWLK 154-- 2020.18 科学技术创新 （转下页） 式中 K－充水系数， 采空区一般取 K10.25～0.5， 煤巷一般取 K20.5-0.8， 岩巷一般取 K20.8-1.0； M－采空区的平均采高线或煤厚， m； F－采空积水区的水平投影面积， m； α－煤层倾角，（） ； W－积水巷道原有断面面积， m； L－不同断面的巷道长度， m。 为了确定不同水平的采空积水区面积，以二1煤层底板等 高线作为底面， 以 50m 为等高距， 本次计算中充水系数取 K1取 0.25， 采空区的平均采高为 6.6m， 煤层平均倾角为 11， 巷道充 水系数取 0.6， 巷道宽度和高度都为 4m。 根据公式 （2） 和公式 （3） 可分别计算采空区面积、 采空区积水体积和巷道的体积， 从而 可得到采空区积水体积即采空区积水量为 235572.555m2（见表 2） 。 表 2 采空区积水体积 2.2 废弃煤矿地下水动态分析 根据演马庄矿 27 采区的涌水量与地下水位的观测数据对 比分析可发现， 其涌水量与水位存在一定的相关性， 可以得到 水位、 水量与时间的关系曲线 （如图 1） ， 根据图 1 中曲线的上升 趋势可知， 演马庄矿在刚关闭时， 水位和水量总体上都是上升 的趋势。 表 3 涌水量 - 水位数据表 图 1 闭坑煤矿水位回升曲线 由图 1 中水位和水量变化可知，矿井涌水量与水位具有一 定相关关系。从而可分析 27 采区充水过程， 水位由于闭坑矿井 底部采空区面积较小，原来的积水很快就淹没整个矿井底部， 因此前期水位上升快； 随着水位的上升， 矿井中部采空区面积 变大， 其积水补给速度也基本处于一定的情况下， 水位回升变 慢； 当矿井中的水淹没下部和中部的时候， 由于上部采空区面 积变小， 其积水速度较快， 水位回升也较快， 最终当闭坑矿井的 补给量等于对相邻矿井的排泄量， 水位上升至最大高度。根据 最近的 27 采区东部水位观测孔观测数据显示，现 27 采区采空 区水位上涨幅度约 0.15m/d，预计该采区水位将最终上涨至 72m 左右， 该采区等高线值最大为 -200m， 因此 27 采区的最大 水头高度为 272m。 3 隔水煤柱留设宽度研究 3.1 经验公式计算的隔水煤柱 按照探放水安全距离计算经验公式[6]计算如下 （4） 式中 L- 煤柱留设宽度 （m） K- 安全系数； 一般取 2-5 M- 煤厚或采高 （m） P- 水头压力； MP Kp- 矿柱平均抗张强度 （Pa） 将 pρgh 代入公式，其中 ρ 为水的密度， g 为重力加速 度， h 为最大水头高度 272m， M5.5m， Kp1.3106Pa，则取 K5 时 取 K2 时 结合该矿实测资料， 当演马庄矿 27 采区积水最大水头高度 为 272m 时， 与之邻近的 14 采区安全开采需要留设的最小隔水 煤柱宽度为 13.78m， 安全煤柱宽度为 34.4m。 依据实测与计算结 果， 九里山矿 14142 工作面与演马庄矿 27 采区间隔水煤柱最小 宽度为 65m， 远大于理论计算需要留设的防隔水煤柱宽度， 由此 可判断， 目前留设的煤柱无溃决危险。 3.2 极限平衡下的隔水煤柱计算 由于经验公式中并没有考虑矿山压力对隔水煤柱的影响， 导致理论计算的隔水煤柱留设宽度与实际情况存在一定的误 差。 通常受采动影响， 会引起应力的重新分布， 一般煤 标高 （m） 采空区面积 F（m 2） 老空区积水体积 QC（m 3） 巷道体积 QH（m 3） 采空区积水体积 QJm 3 -250～-200 12152 20418.33 12824.255 33242.585 -200～-150 45665 76728.36 35654.52 112382.88 -150～-100 25620 43047.862 10120.462 53168.324 -100～-50 19326 32472.403 4306.363 36778.766 总计 102764 172666.955 62905.6 235572.555 时间/d 水位/m 涌水量（m 3/d） 0 -185.6 1.8 20 -179.3 3.56 40 -166.2 3.3 60 -154.6 4.23 80 -135.5 3.92 100 -127.3 3.96 120 -116.9 3.59 140 -108.6 3.53 160 -105.5 3.6 180 -95.3 3.55 200 -89.7 3.49 220 -86.3 3.26 240 -82.7 3.3 260 -81.7 3.56 280 -80.6 3.55 300 -80.3 3.62 320 -80.7 3.78 340 -80.5 3.68 360 -80.3 3.66  3 0.5 P LKM Kp  3 0.534.4m P LKM Kp  3 0.513.78m P LKM Kp 155-- 科学技术创新 2020.18 （转下页） 柱两侧会形成一定宽度的极限平衡区， 使整个煤柱在不同区域 呈现不同的物性状态。隔水煤柱的留设宽度被划分为两侧的极 限平衡区和中心弹性区长度， 根据极限平衡理论[7]，可以计算出 一侧极限平衡区的宽度 x0 （5） 其中 M， c，渍分别为煤层厚度、 粘结力和内摩擦角； f 为煤层顶、 底板之间的摩擦因数； H， γ 分别为煤层埋深和上覆岩层的平均容重； K 为受采动影响时两区交界处的峰值应力集中系数； σx0 为两区交界 x0 处的水平应力； λ 为侧压系数， λ （1sin渍） / （1-sin渍） 。 根据矿区的地质资料和物理力学性质可知，各参数值煤厚 M5.5m， c1Mpa，渍30 ， ftan渍/40.144， H230m， γ2.6g/cm3 根据公式 （5） 可以计算出两侧极限平衡区的宽度为 45.6m， 弹性 区的临界宽度为 5.64m，即计算隔水煤柱留设宽度为 51.24m， 因 此目前留设的煤柱宽度合理。 4 结论 4.1 采用回采空间法计算闭坑矿井 27 采区的积水量， 并预 计 27 采区可能达到的最大水压；对 27 采区水位和水量变化过 程进行了分析，发现矿井涌水量与地下水变化具有一定相关 性。 4.2 利用经验公式和极限平衡理论公式分别对两矿之间的 留设宽度进行了计算， 两种计算结果得出的隔水煤柱留设的宽 度都可以抵挡住演马庄矿的水压。 参考文献 [1]周建军.废弃煤矿水位回升诱致邻矿突水威胁分析[J].煤矿安 全，2013，44（7） 166-168. [2]翟晓荣， 吴基文， 王广涛， 等.基于MODFLOW的闭坑矿井水位 回升预测[J].煤田地质与勘探，2018，46（S1） 27-32. [3]杨高峰， 卫金善， 杨新亮， 等.晋城矿区凤凰山矿周边闭坑矿井 水害分析及治理[J].煤田地质与勘探，2019，47（S1） 14-19. [4]周建军， 虎维岳， 侯大勇.废弃矿井地下水淹没过程的水流与 水位数值模拟[J].煤田地质与勘探，2011，39（4） 28-31. [5]毕尧山， 吴基文， 王广涛， 等.闭坑矿井采空区积水过程分析[J]. 工矿自动化，2018，44（6） 52-56. [6]阴静慧， 李文平， 郭启明， 等.济宁二号煤矿十采区隔水煤柱安 全性评价[J].煤炭技术，2017，36（4） 169-171. [7]刘磊.三元煤矿1312工作面水文地质条件评价[J].煤炭技术， 2019，38（8） 64-66.            0 f kc xln 2f-1 fccotc MH 城乡景观的生态化设计理论与方法探究 李亮瑶 （西安科技大学， 陕西 西安710600） 在绿色发展理念下， 人们对城乡景观设计的关注度在不断 提高。通过开展生态化、 集约化设计， 让城乡景观实现一体化、 协调化。同时， 还要在生态化设计中体现人文关怀， 坚持生态设 计为人服务的根本原则， 满足城乡居民的人性化需求。除了要 引导公众参与城乡景观的生态化设计外，还应当引进反馈机 制， 通过开展社会调查、 收集反馈信息， 了解城乡景观生态化设 计方案在实施中存在的问题， 在不断改进、 持续优化的过程中， 真正塑造优美的城乡生态景观。 1 城乡景观生态化设计理论 1.1 生态控制论 生态控制论不同于传统控制论的一大特点就是对“事” 和 “情” 的调理,强调方案的可行性， 即合理、 合法、 合情、 合意。合 理， 指符合一般的物理规律； 合法， 指符合当时当地的法令、 法 规； 合情， 指为人们的行为观念并为习俗所能接受； 合意， 指符 合系统决策者及与系统利益相关者的意向。生态控制论通过设 置限定条件， 保证了在整个城乡景观设计过程中， 尽量的减少 人为因素对复杂城乡生态系统的干扰和破坏， 从而能够以更少 的资源消耗、 更低的资金投入， 取得更优的景观设计效果。 1.2 城乡景观协调论 城市和乡村由于在经济条件、 社会风貌、 基础设施等方面 存在较大差异， 导致城乡原始景观不协调。以往的城乡景观设 计中， 刻意的突出城市景观的 “现代化” 和乡村景观的 “自然化” ， 这种设计理念将城市和乡村景观割裂开来， 不符合城乡一体化 发展的需求。 因此， 在城乡景观的生态化设计理念中， 摘要 城乡景观的一体化和生态化设计， 是破解城乡二元结构壁垒的重要组成部分。近年来， 在城镇化持续、 深入推进下， 城乡经济发展迅速， 但是由此也带来了一些不容忽视的生态破坏问题。不仅对当地居民的生活、 工作造成了负面影响， 而且也制 约了城乡经济的可持续发展。在这一背景下， 探索城乡景观的生态化设计方法， 通过改善城乡景观面貌和塑造城乡生态环境， 才 能实现经济效益、 社会效益、 生态效益的有机融合。从城乡景观生态化设计理论、 原则和方法三个方面展开了简要论述。 关键词 城乡景观设计； 生态化； 人文关怀； 反馈机制 中图分类号 TU984.115文献标识码A文章编号2096-4390（2020）18-0156-02 156--