0 引言

近年来，受煤炭需求不振、过剩产能持续释放、开采难度不断加大、国家宏观政策调整等影响，中国每年都有大量煤矿被迫停产关闭。随着矿井停采闭坑，可能会出现一系列地质灾害和环境问题，如地面沉降、地面塌陷、土地破坏、水体污染、采空区积水等[1]。由于缺乏足够重视，很多矿井在关闭时没有采取相应措施来防治可能会发生的问题，其中采空区积水问题会严重威胁仍处于正常生产状态的相邻煤矿的安全。对闭坑矿井采空区积水过程进行分析，对正确认识矿井闭坑诱发的安全问题、实现绿色闭坑有重要意义。

国内外学者对废弃矿井和采空区积水过程进行了大量研究。P.L.Younger等[2]考虑了废弃矿井中的独特含水介质场和水动力场，将井巷系统中的高渗透性含水空间作为紊流管道区，而采空区和裂隙发育区含水介质作为高渗透性层流区，将其他围岩含水空间作为中低渗透性层流区，建立了3种适用于不同面积的废弃矿井系统模型：VSS-NET(Variably Saturated Subsurface-Network),CDGWFM (Conventional Darcian Ground Water Flow Model)，GRAM(Groundwater Rebound in Abandoned Mineworkings)；D. Banks等[3-4]认为GRAM模型存在基础版本不易适应矿井体积随深度的变化和假设补给水流不随水位变化的缺点，引入有效面积概念，建立了矿井体积可变、水头依赖型地下水回灌模型——MIFIM(Mine-water Filling Model)，通过实际应用成功预测了煤矿观测井中的水位首次出现及随后上升的情况；周建军等[5]根据地下水系统的水文地质条件, 建立了废弃矿井地下水回灌模拟模型, 分析了废弃矿井地下含水介质的空间特性，为地下水模拟计算提供了依据；张壮路[6]分析了唐村煤矿水文地质条件和矿井废弃后地下水动力模式，对水位回升过程中矿井的积水空间、分布特点及废弃矿井水位回升的时空过程与最终到达的动态平衡模式进行了计算和分析。本文在综合考虑国内外研究现状的基础上，以岱河煤矿为研究背景，结合其矿井地质与水文地质条件，根据该矿区已有采空区探放水资料，选用回采空间法分析了岱河煤矿闭坑后采空区积水过程。

1 矿区地质概况

岱河煤矿处于淮北煤田濉萧矿区闸河向斜中部西翼，矿区面积约为19.186 9 km2[7]，含煤地层为石炭系、二叠系。石炭系煤层太薄，不可采。煤矿主要含煤地层为二叠系下石盒子组，山西组次之，含煤地层总厚度约为588.17 m，可采煤层有3，4，5，6煤层。采区-250 m水平以上的煤层走向变化较小，基本上为单斜构造，倾角为8～30°，平均约为15°，南部三采区倾角多为25°。采区内共发现3个褶皱，由北向南依次为官庄向斜、吕庄背斜、马庄向斜。矿井断层较为发育，共发现16条落差超过10 m的断层，一般情况下富水性弱，导水性较差。

矿区地层中有多个含水层，受多个隔水性良好的隔水层阻隔，其对矿井充水产生不同影响。地表水、第四系全新统孔隙水受第四系更新统阻隔，一般对矿井充水无影响。矿区主要充水水源包括主采煤层砂岩裂隙水，太灰、奥灰岩溶溶隙含水层，采空区积水，断层及构造裂隙水。

2 闭坑矿井采空区积水体积计算

2.1 计算公式选择

矿井积水过程是指矿井闭坑后，矿井水达到水动力平衡、矿井最终积水标高形成及积水形成要素随时间变化的动态过程。闭坑矿井相关含水层的充水情况比较复杂，在整个区域地下水动力场作用下，原有的含水层在矿井停止排水后水位回升，而矿井积水又会对含水层进行补给[8]。岱河煤矿闭坑后，其涌水量构成主要为开采煤层顶底板砂岩裂隙水、新生界含水层孔隙水等。目前中国对采空区积水量的预测方法主要包括回采空间法与积水空间法[9-10]。其中回采空间法适用于采空区积水高度大于5M(M为采高)，尤其是整个回采工作面积水的情况，对采空区积水量预测较准确；积水空间法适用于最大水头高度小于5M，即水头高度在垮落带内的积水量预测。矿井闭坑积水符合第一种情况，因此选用回采空间法计算采空区积水量。闭坑矿井采空区积水体积一般采用《煤矿防治水规定》[11]中的老窑水公式(式(1))计算。

Q=Q1+Q2=C1Am/cosα+C2SL

(1)

式中：Q为老窑水体积，m3；Q1为采空区积水体积，m3；Q2为巷道积水体积，m3；C1为采空区积水系数；A为淹没采空区面积的水平投影，m2；m为已采煤层厚度，m；α为煤层倾角，(°)；C2为巷道积水系数；S为巷道断面面积，m2；L为巷道累计长度，m。

2.2 计算参数选取

2.2.1 积水系数

根据具体情况选取积水系数，是准确估算采空区积水体积的关键。熊崇山等[12]认为积水系数取决于采空区物质的质量和由矿山压力引起的压缩程度；李思标等[13]对采矿“三带”的形成机理进行了分析，认为积水系数与采煤方法、煤层倾角、煤层顶底板岩性及采后间隔时间等因素有关，而上述因素综合作用的结果都集中且直观地表现在地表下沉上；李雪[14]通过预计工作面采空区积水量并统计实际放水量，反算出采空区积水系数，计算结果较准确。

积水系数与局部地质条件、采矿条件等因素有关，受采空区充填方式和顶板垮落程度影响最大[15-16]。充填方式取决于采煤方法、采出率、顶板管理方法等，顶板垮落程度取决于顶板岩性、煤层倾角、开采深度、开采时间等[17]。岱河煤矿大部分工作面回采时间均在10 a以上，工作面全部采用走向长壁垮落开采方式，采用全部垮落法管理顶板，因此闭坑矿井采空区积水系数较小。综合考虑影响采空区积水系数的因素，并通过分析矿区已有采空区探放水资料，确定岱河煤矿采空区积水系数的经验取值：开采年限小于5 a的采空区积水系数取0.3，5～10 a的取0.2，超过10 a的取0.1。巷道积水系数主要与断面变化有关，煤巷一般取0.5～0.8，岩巷取0.8～1.0。考虑到岱河煤矿开采时间较长，巷道围岩多以泥质类为主，存在巷道坍塌现象，巷道积水体积有所缩小，其积水系数应小于1，本文取0.8。

2.2.2 采空区面积

根据煤层底板等高线及储量计算图，分别对3，4，5煤层的采空区面积进行圈定。在CGIS软件中打开各煤层储量图，根据煤层底板等高线求取块段倾角，对倾角划分块段，将倾角大致相等的划分为同一块段。在每一块段中以等高距50 m分别圈定采空区面积，然后按照相同水平进行合并，圈定面积时记录工作面开采年限。各煤层采空区面积统计结果见表1。

2.2.3 已采煤层厚度

根据不同煤层分水平圈定采空区面积时，采用所圈矿井采空区内的平均煤层厚度作为所圈面积区块的已采煤层厚度。

2.2.4 煤层倾角

根据各煤层底板等高线，测得该煤层在各处的倾角，并根据所测的各煤层倾角对煤层划分大致块段，将倾角大致相等的划分为同一块段，并求得每一块段的平均倾角。以3煤层为例，在3煤层中根据所测煤层倾角，将煤层大致划分为6个块段，其平均倾角依次为7.6，11.2，17.73，28.1，20，24.24°。

表1 各煤层采空区面积
Table 1 Goaf area of each coal seam

水平/m采空区面积/m23煤层4煤层5煤层总计-400～-45020 83154 455113 124188 410-350～-400998 7231 169 031774 6202 942 374-300～-3501 390 5041 606 106387 9483 384 558-250～-3001 525 4771 079 359488 5393 093 375-200～-250552 669769 717295 2541 617 640-150～-200695 646538 916332 6081 567 170-100～-150519 553466 206258 8741 244 633-50～-100363 459254 682135 362753 503总计6 066 8625 938 4722 786 32914 791 663

2.3 积水体积计算

2.3.1 巷道体积

根据储量图上标注的岩巷，分水平对巷道长度进行量取。取巷道宽度为4 m，高度为3 m，则巷道断面面积为12 m2。在测量各水平巷道长度基础上，求取巷道体积，结果见表2。

表2 巷道长度、体积计算结果
Table 2 Calculation result of roadway length and volume

水平/m巷道长度/m巷道体积/m3-400～-4504 576.99154 923.892-350～-40010 705.143128 461.716-300～-35027 958.328335 499.936-250～-30029 784.048357 408.576-200～-25033 688.487404 261.844-150～-20015 372.223184 466.676-100～-15010 646.209127 754.508-50～-10013 033.531156 402.372总计14 5764.961 749 179.52

2.3.2 采空区积水体积

分煤层、分水平按式(1)计算采空区积水体积，包括工作面采空区积水体积和废弃巷道积水体积，计算结果见表3。

3 采空区积水过程预测

根据式(1)计算出的老窑水体积即为采空区储水量。积水所需时间：

t=Q/q

(2)

表3 采空区积水体积计算结果
Table 3 Calculation result of water-filling volume in goaf

水平/m积水体积/m33煤层4煤层5煤层巷道总计-400～-45039 152.08317 059.17896 305.90643 939.11196 456.28-350～-400508 130.489477 319.963337 606.835102 769.371 425 826.66-300～-350580 879.911267 163.143138 636.551268 399.951 255 079.56-250～-300646 442.747187 302.391187 082.465285 926.861 306 754.46-200～-250211 302.240194 811.67596 533.641323 409.48826 057.04-150～-200209 903.007125 545.84394 224.777147 573.34577 246.97-100～-150108 508.81778 837.07470 821.411102 203.61360 370.91-50～-10046 127.72451 307.47337 918.234125 121.90260 475.33总计2 350 4471 399 346.741 059 129.821 399 343.626 208 267.20

式中q为单位涌水量，m3/h。

根据岱河煤矿地质报告及台账，q取80 m3/h。采空区积水时间计算结果见表4。

表4 采空区积水时间计算结果
Table 4 Calculation result of water-filling time in goaf

水平/m时间/d时间累加/d-400～-450102.32102.32-350～-400742.62844.94-300～-350653.691 498.63-250～-300680.602 179.23-200～-250430.242 609.47-150～-200300.652 910.12-100～-150187.693 097.81-50～-100135.663 233.47

根据表4得出岱河煤矿闭坑后积水高度与时间的关系曲线，如图1所示。

图1 岱河煤矿闭坑后积水高度与时间关系曲线
Fig.1 Relationship curve of water-filling height and time after Daihe Coal Mine being closed

由图1可知，岱河煤矿闭坑后积水高度随时间增加先上升，之后较为平缓，最后快速上升，二者关系表达式为

(3)

式中:H为采空区积水高度,m;td为采空区积水时间,d;R为相关系数。

因矿井深部采空区面积较小，容积较小，积水后很快淹没底部；随着积水过程持续进行，由于采空区面积较大，容积较大，在积水速度一定的情况下，积水高度上升速度较慢；当矿井积水淹没矿井下部、中部到达浅部时，由于采空区面积较小，积水速度较快，表现为积水高度随时间增加快速上升。

4 结论

根据岱河煤矿矿井地质与水文地质条件，选用回采空间法计算矿井闭坑后采空区积水过程，得到以下结论。

(1) 在计算采空区积水体积时，不能忽略废弃巷道积水体积。经计算，岱河煤矿闭坑后采空区积水体积共6 208 267.20 m3，包括4 808 923.58 m3工作面采空区积水体积和1 399 343.62 m3废弃巷道积水体积。若选取单位涌水量80 m3/h计算充水时间，则预计3 233.47 d后积水充满矿井。

(2) 岱河煤矿闭坑后积水高度H与时间td关系表达式为415.29(R2=0.996 6)。

(3) 准确计算采空区积水体积，分析矿井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。

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