露天矿坑积水对边界煤岩柱稳定性的影响

《Water》：The Influence of Water Accumulation in Open Pits on the Stability of Boundary Coal–Rock Pillars

　　

为揭示露天矿坑积水对边界煤岩柱稳定性的影响，研究人员以中国西部某地下煤矿与相邻露天矿坑之间的边界煤岩柱为研究对象。开展了煤岩物理性质试验、水化学分析、渗透性试验及防水煤岩柱理论计算，以探究长期积水条件下渗流通道形成、物理性质变化及稳定性演化过程。结果表明：煤岩试样在饱和状态下力学强度降低；岩石试样的单轴抗压强度（UCS）降低8.75%~50.64%，2_?2号煤和3_?1号煤试样分别降低17.72%和25.01%；抗拉强度降低24.59%~59.11%；抗剪强度降低4.36%~45.96%。完整试样的渗透系数（hydraulic conductivity）主要为10^?4~10^?3 m/d，而含裂隙试样增至10^?3~10^?2 m/d。长期积水条件下防水煤柱的理论计算宽度增加19.7%~21.9%。露天矿坑长期积水改变了边界煤岩柱的外部水力边界，使水沿层理面、节理、原生裂隙、采动裂隙及煤层孔隙向内部迁移，促进既有孔-裂隙结构的连接及渗流通道形成，弱化颗粒胶结与结构面抗剪能力，降低煤岩柱的结构完整性、承载能力及防水能力。因此，边界煤岩柱的稳定性劣化是一个涉及通道形成、持续渗流、强度退化、孔-裂隙连通性增强、渗透性提高及稳定性进一步降低的连续过程。

**论文解读：露天矿坑积水对边界煤岩柱稳定性的影响**

**研究背景与问题**

煤炭资源在中国能源结构中占据主导地位。随着开采深度与强度增加，水文地质条件日益复杂，矿井水害成为制约安全高效生产的关键因素之一。其中，突水事故因其突发性和严重性长期受到关注。在煤矿开采过程中，相邻露天矿坑或废弃采空区形成的侧向水体可能对邻近工作面和边界煤岩柱施加持续水压并诱发水-岩相互作用。水通过孔隙、节理、层理面及采动裂隙向边界煤岩柱内部迁移，改变其力学性质、渗流特征及结构完整性，最终导致强度退化。长期积水作用下，防水煤岩柱的承载能力和防水能力可能逐渐降低，严重时可能诱发煤岩柱失稳甚至突水事故。例如，2013年5月内蒙古胡赫乌苏露天煤矿因开采与乌兰木伦河相邻的边界煤柱，导致河水涌入采坑并灌入地下矿井，致使相邻补连塔煤矿2_?2煤二盘区采空区受影响而停产。

尽管已有研究在理论分析、试验模拟和数值方法方面取得重要进展，但仍存在不足：多数研究聚焦于地下矿井采空区积水，而对露天矿坑侧向积水条件下边界煤岩柱稳定性的关注相对有限；以往研究通常侧重于单一机制（如应力或渗流），而对应力-渗流相互作用下煤岩柱物理性质变化、渗流通道发育及稳定性演化机制的认识尚不充分。尽管历史上存在露天矿坑积水导致矿井突水淹井的案例，但此前基本缺乏露天矿坑积水与地下开采相关的研究。基于此，本研究以中国西部某矿区地下煤矿与相邻露天矿坑之间的边界煤岩柱为研究对象，开展煤岩物理性质试验、水化学分析、渗透性试验及理论计算，以揭示露天矿坑积水对边界煤岩柱稳定性的影响机制。

**研究内容与结论**

研究人员通过现场取样、室内试验与理论分析，系统研究了长期积水条件下边界煤岩柱的强度变化、渗流特征及稳定性演化。主要结论包括：饱和状态下煤岩试样力学强度普遍降低，岩石单轴抗压强度（UCS）下降幅度为8.75%~50.64%，2_?2号煤和3_?1号煤分别下降17.72%和25.01%；抗拉强度下降24.59%~59.11%；抗剪强度下降4.36%~45.96%。完整试样渗透系数（hydraulic conductivity）主要为10^?4~10^?3 m/d，含裂隙试样增至10^?3~10^?2 m/d。考虑水作用后，防水煤柱理论计算宽度增加19.7%~21.9%。水化学分析表明，露天矿坑积水与地下采掘空间（31112工作面回风巷）水样具有高度相似性，指示存在水力联系。研究揭示了边界煤岩柱稳定性劣化是一个“通道形成-持续渗流-强度退化-孔-裂隙连通性增强-渗透性提高-稳定性进一步降低”的连续过程。该研究成果发表在《Water》。

**关键技术方法**

研究人员在边界煤岩柱区域（中国西部某矿区，邻近露天矿坑积水体）于2024年底通过巷道地质钻孔取芯获取煤岩样品，采样深度90~270 m，涵盖2_?2煤、3_?1煤及其顶底板岩层（砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩）。主要技术方法包括：（1）煤岩物理力学性质试验，采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统进行单轴压缩、巴西劈裂（抗拉强度）及变角剪切试验；（2）渗透性试验，采用LDY-1高温高压流动实验仪，依据达西定律（Darcy's law）测定完整试样与人工预制裂隙试样的渗透系数；（3）水化学分析，采集露天矿坑积水、31112工作面回风巷及31106工作面排水巷水样，检测主要离子、pH、总溶解固体（TDS）等指标，绘制Piper三线图；（4）理论计算，采用防水煤岩柱宽度公式（考虑水软化系数）计算自然状态与浸水后所需煤柱宽度。

**研究结果**

**4.1 煤岩物理性质试验结果**

研究人员对自然状态与饱和状态下的不同岩性试样进行了单轴抗压、抗拉、抗剪及渗透性试验。结果表明：饱和状态下所有煤岩试样的力学强度均低于自然状态，但不同岩性及试验类型的劣化程度存在差异。单轴抗压强度劣化率：岩石试样为?8.75%~?50.64%，其中中砂岩、粉砂岩、砂质泥岩降幅较大（分别为?45.80%、?46.96%、?50.64%）；2_?2煤和3_?1煤分别下降?17.72%和?25.01%。抗拉强度劣化率：所有试样均下降，范围为?24.59%~?59.11%，粉砂岩最显著（?59.11%）。抗剪强度劣化率：范围为?4.36%~?45.96%，砂质泥岩最大，3_?1煤最小。渗透性试验：完整试样渗透系数较低，主要为10^?4~10^?3 m/d；含裂隙试样显著增加至10^?3~10^?2 m/d，表明裂隙结构对渗透性具有重要控制作用。

**4.2 水化学测试结果**

研究人员对三组水样（31112工作面回风巷水样、露天矿坑积水水样、31106工作面排水巷水样）进行水化学测试并绘制Piper图。结果显示，31112工作面回风巷水样与露天矿坑积水水样在主要离子组成、pH值（分别为8.08和8.18）及可溶性固体含量（分别为970 mg/L和908 mg/L）上高度相似，均为弱碱性水，而31106工作面排水巷水样差异显著（pH=7.30，可溶性固体含量1552 mg/L）。这表明露天矿坑积水与相邻地下采掘空间之间存在较强的水力联系。

**4.3 防水煤柱计算结**

研究人员采用考虑水软化系数的修正公式计算了防水煤柱宽度。结果表明，在相同煤层条件下，修正结果（考虑水作用后抗拉强度降低）均大于常规公式计算值。对于2_?2煤，当水位标高从+1110 m升至+1140 m时，修正宽度从10.17 m增至19.47 m；对于3_?1煤，修正宽度从13.33 m增至18.32 m。与常规计算宽度相比，积水修正宽度增加约19.74%~21.94%，表明长期积水或高水位条件下若仍采用常规公式，可能低估煤岩强度降低对防水稳定性的影响。实测2_?2煤最小煤柱距离为84.9 m，3_?1煤为74 m，均大于极端水位所需宽度（取20 m），说明现有煤柱设计满足防水需求。

**讨论与结论**

讨论部分指出，露天矿坑长期积水改变了边界煤岩柱的外部水力边界，使其持续承受侧向水压。水沿层理面、节理、原生裂隙、采动裂隙及煤层孔隙向内部迁移，促进既有孔-裂隙结构连接，形成优先渗流通道。水化学分析结果进一步证实了水力联系。渗透性试验表明裂隙发育显著增强导水能力，因此水更易沿连通裂隙、层理及弱胶结带迁移。研究人员提出了“水源-渗流通道-工作面”的连续模型，强调渗流通道是渐进形成的。水进入煤岩柱后，弱化颗粒胶结与结构面抗剪能力，导致强度降低，同时裂隙扩展、渗透性增强，形成正反馈过程。稳定性演化机制归纳为“通道形成-持续渗流-强度退化-孔-裂隙连通性增强-渗透性提高-稳定性进一步降低”的连续过程。研究还指出，由于条件限制，未进行数值模拟和相似材料模型试验，未来需结合这些方法进一步验证。

**结论翻译**：露天矿坑长期积水改变了边界煤岩柱的外部水力边界，使其持续承受侧向水压。水可沿层理面、原生裂隙、采动裂隙及煤层裂隙向煤岩柱内部迁移，促进既有孔隙和裂隙的扩展与连接，并逐渐在局部区域形成优先渗流通道。因此，露天矿坑积水与地下采掘空间之间可能通过煤岩柱内的渗流通道建立起水力联系。长期积水改变了煤岩柱的物理性质和内部结构，导致强度降低、整体稳定性下降及渗透性增强。具体而言，岩石试样的单轴抗压强度劣化率为?8.75%~?50.64%，2_?2号煤和3_?1号煤试样分别为?17.72%和?25.01%；煤岩试样的抗拉强度劣化率为?24.59%~?59.11%，抗剪强度下降?7.53%~?50.79%；完整试样的渗透系数较低，主要为10^?4~10^?3 m/d，而含裂隙试样显著增加至10^?3~10^?2 m/d。在露天矿坑积水影响下，边界煤岩柱的稳定性演化是渗流通道发育与物理性质变化相互促进的耦合过程。长期积水诱导了“通道形成-持续渗流-强度退化-孔-裂隙连通性增强-渗透性提高-稳定性进一步降低”的连续过程，该过程逐步扩大水影响区和塑性破坏区，持续减小有效防水区和承载区，最终降低边界煤岩柱的防水能力和稳定性。考虑长期积水影响，2_?2号煤和3_?1号煤所需煤柱宽度分别增加21.84%~21.94%和19.74%~19.77%。