矿井闭坑充水对邻矿水害的影响研究_沈星宇.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 矿井闭坑充水对邻矿水害的影响研究 沈星宇 1，黄 磊 1，盖秋凯1，庞 龙 1，禹云雷2，张 弛 1 （1.中国矿业大学 （北京） 能源与矿业学院， 北京 100083； 2.上海大屯能源股份有限公司 江苏分公司， 江苏 沛县 221611） 摘要 为研究矿井闭坑后边界煤柱的稳定性和隔水性， 运用 FLAC3D数值模拟软件， 通过研究 三河尖矿井闭坑后地下水的运移及水位回升规律以及断层导水性的变化情况， 对围岩破坏场和 渗流场进行数值模拟， 分析采空区充水后高水压下的渗流规律， 考察围岩破坏场和渗流场的耦 合情况。结果表明 三河尖矿与姚桥矿工作面开采的破坏区域均未出现重叠导通的现象， 满足对 煤柱安全性的要求； 采动岩体渗流通道的发展明显受煤层开采的影响， 相对于不导水断层， 导水 断层渗流场波及范围明显增大； F19断层不导水与导水情况时，姚桥煤矿工作面塑性破坏场均未 与三河尖煤矿工作面的渗流场贯通， 边界煤柱的隔水性良好。 关键词 闭坑矿井； 采空区积水； 隔水煤柱； 断层导水性； 渗流应力耦合 中图分类号 P641文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0221-06 Study on the Influence of Water Filling for Mine Closed Pit on Adjacent Mine Water Disaster SHEN Xingyu1, HUANG Lei1, GE Qiukai1, PANG Long1, YU Yunlei2, ZHANG Chi1 （1.School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology（Beijing） , Beijing 100083, China; 2.Jiangsu Branch of Shanghai Datun Energy Co., Ltd., Peixian 221611, China） Abstract In order to study the stability and water isolation property of the boundary coal pillars after the mine is closed, FLAC3D numerical simulation software is used to the regularity of groundwater migration and water level rise as well as the variation of fault conductivity after the closure of the pit in Sanhejian Mine. The damage field and seepage field are numerically simulated, the seepage law under high water pressure is analyzed after the goaf is filled with water, the coupling between the surrounding rock damage field and the seepage field is uated. The results show that there is no overlapping conduction for the damage area of working face mining between Sanhejian Mine and Yaoqiao Mine, which meets the requirements for the safety of coal pillars. The development of seepage channels in mining rock masses is obviously affected by the mining of coal seams. Compared with non- conductive faults, the seepage field of water -conducting faults has a significantly larger scope. When the F19fault is non - conductive and water-conducting, none of the plastic failure fields in the working face of Yaoqiao Coal Mine has penetrated the seepage field in the working face of Sanhejian Coal Mine, and the water isolation property of boundary coal pillars is good. Key words closed pit mine; goaf ponding; waterproof coal pillar; water conductivity of fault; hydromechanical coupling 随着众多小型矿山浅部资源逐渐枯竭、国家淘 汰落后产能政策实施以及矿山准入门槛提高等， 大 量不符合国家安全与生态环境标准、效益差的矿山 企业关闭[1]。大量煤矿关闭， 必然会导致矿井井下和 地面及周围区域地质环境的变化。其中，矿井闭坑 后，由于水位升高，侧向水压增大以及水的物理或 化学软化作用，破坏了井田边界防水煤柱的隔水稳 定性；或者有导水构造的情况下，可导致邻近生产 矿井发生突水事故， 威胁相邻矿井的安全生产。 针对闭坑矿井水害问题， 黄炳香等[2]探讨了闭 坑矿井采空区水、气与污染物质的多场耦合与迁移 规律、地下空间长期稳定性评价标准等理论问题； 孙亚军等 [3] 应用模糊聚类分析得到的含水层背景 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.046 沈星宇， 黄磊， 盖秋凯， 等. 矿井闭坑充水对邻矿水害的影响研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 221-226. SHEN Xingyu, HUANG Lei, GE Qiukai, et al. Study on the Influence of Water Filling for Mine Closed Pit on Adjacent Mine Water Disaster ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 221-226.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 （51504095） 221 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 1井田边界煤柱留设情况剖面图 Fig.1Sectional view of coal pillars in the field boundary 值，建立模糊综合评判模型，进行矿井突水水源判 别。针对防隔水煤 （岩） 柱稳定性分析， 许延春[4-5]基 于当时已有防水安全煤柱保护层留设方法的分析， 阐明了 “有效隔水厚度” 概念和相应的计算方法。杨 建等[6]认为留设的老空水防隔水煤 （岩） 柱应该既有 抵抗老空水从煤层方向突水，又有防止其从煤柱上 方岩柱侵入另一侧工作面顶板的能力。此外，还有 学者利用经验公式法、数值模拟方法和原位探测等 手段确定其断层防隔水煤 （岩） 柱的安全宽度， 认为 其宽度主要受矿压、 构造及水力作用影响[7-11]。 研究较为特殊之处在于两矿相邻且以大断层为 界， 原始断层的导、 含水性差。闭坑矿工作面已开采 至断层处，采空区向边界断层充水，并且闭坑水压 按井田含水层最大水位考虑，邻矿受闭坑矿井充水 影响较大。为此以三河尖煤矿和姚桥煤矿西翼采区 采矿、水文地质条件为基础，采用非线性三维数值 计算软件 FLAC3D对围岩破坏场和渗流场进行模拟， 评估姚桥三河尖煤矿井田边界煤柱留设尺寸的安 全性，避免由于三河尖煤矿闭坑后井田边界煤柱垮 塌和大量渗流造成水灾事故。 1井田概况 1.1水文地质和采矿条件 以三河尖矿 7 煤 7409 工作面所处位置的典型 剖面为研究背景。目前姚桥煤矿西翼采区与三河尖 煤矿井田以 F19断层以及其次生断层为界，分割两 矿井田内各煤、岩层，影响各自采区及工作面的布 置。姚桥煤矿以 F19断层为界留设断层防隔水煤 （岩） 柱， 作为井田边界。姚桥煤矿西翼采区居上盘， 主采 7 号煤层； 三河尖煤矿居下盘， 主采 7 号煤层。 主要含水层为煤层顶底板砂岩含水层和灰岩含水 层。综上可知， 两矿井田边界处各地层交错、 煤层及 主要含水层对接情况复杂，姚桥煤矿西翼采区工作 面安全开采可能受到相邻矿井三河尖煤矿闭坑充水 的影响。 1.2井田边界煤柱留设情况及导水通道 目前三河尖煤矿越过其原井田边界开采至断层 F19以及其次生断层附近。在 F19断层的另一侧为未 开采的姚桥矿西翼采区。姚桥煤矿计划距离 F19断 层留设平距 160 m 左右的断层、边界防水安全煤 （岩） 柱。由于断层落差及倾角的影响， 两矿实际采 掘工程的间距均在 160 m 以上， 有利于抵抗静水压 力。三河尖煤矿 7409 工作面长度为 147 m， 平均采 厚为 5.6 m。同样考虑姚桥煤矿 7 号煤防水煤柱线 处工作面开采，取开采厚度 5 m。三河尖煤矿 7409 工作面外延处与预设的 7 号煤防水煤柱线处的工作 面最近的水平距离为 192.3 m，垂直距离 135.2 m， 井田边界煤柱留设情况剖面图如图 1。 根据矿井的地质概况以及工作面开采过程中引 起的围岩变形情况综合分析认为，两矿工作面开采 的围岩破坏是否连通；三河尖矿采空区积水后渗流 场是否与姚桥矿工作面破坏场连通。 2数值模拟 2.1模拟方案 针对三河尖煤矿闭坑后，该矿 7 煤工作面与姚 222 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 5姚桥矿 7 煤推进 200 m 破坏区 Fig.5200 m propulsion damage area of No.7 coal in Yaoqiao Coal Mine 表 2姚桥煤矿数值模拟岩体力学参数 Table 2Mechanical parameters of rock mass in numerical simulation of Yaoqiao Coal Mine 岩层 名称 密度/ （kg m-3） 弹性 模量 /GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩 擦角 / （ ） 抗拉 强度 /MPa 渗透 系数 / （m d-1） 7 号煤 中粒砂岩 砂质泥岩 粉砂岩 细粒砂岩 泥岩 1 350 2 470 2 540 2 540 2 620 2 660 1.34 2.45 12.68 7.29 2.85 4.36 0.31 0.22 0.21 0.22 0.30 0.26 1.22 2.42 2.58 1.74 2.68 1.68 28 37 40 36 42 37 0.71 2.11 2.50 1.77 2.44 1.68 0.100 1.000 0.100 0.100 1.000 0.001 桥矿 7 煤工作面间隔煤柱的安全性问题。模拟两矿 7 号煤相邻两面开采引起的覆岩破坏情况为方案 1； 在采空区充水加压后渗流场与破坏场耦合云图的贯 通情况为方案 2。方案简介及具体步骤如下所述 1） 方案 1。 根据钻孔的揭露情况， 模拟三河尖矿 7 煤与相邻姚桥矿 7 煤工作面开采，并观察围岩塑 性破坏区发育及贯通情况。 三河尖煤矿 7 煤 7409 工 作面推进方向基本垂直于井田边界沿剖面平行向 右， 其工作面长度为 147 m， 推进 160 m， 且一次性 推进完毕； 姚桥煤矿 7 煤 1103 工作面推进方向基本 垂直于井田边界沿剖面平行向左，其工作面长度设 置为 120 m， 设计推进长度依次为 100、 150、 200 m。 2） 方案 2。 在确定导水断裂带发育到最高后， 分 别考虑不导水断层和导水断层 2 种情况下，对三河 尖煤矿工作面采空区充水加压，而姚桥煤矿一侧由 于矿井排水， 则没有大范围积水， 相对水位为 “0” 。 三河尖煤矿最高充水水源为第四系松散层含水层， 故井田最终平衡水位将与第四系松散层水位一致， 经现场实测资料可知，本区内第四系松散含水层最 高水位为34 m， 7409 工作面相对姚桥工作面采深 为-929 m，计算可得三河尖 7409 工作面闭坑后的 水压为 9.63 MPa， 由其渗流场与姚桥煤矿相应工作 面破坏场的耦合云图论证煤柱的安全性。 2.2FLAC3D模型 基于 FLAC3D建模原理，主要根据钻孔柱状图、 剖面图揭露的地层及岩性结构信息，并结合三河尖 矿矿井闭坑报告、姚桥矿矿井生产地质报告以及姚 桥矿工作面作业规程等资料，作出适当简化后的该 位置地层及断层剖面图， 再应用 FLAC3D软件分别建 立典型剖面的网格模型。典型剖面的数值模拟计算 网格剖分图如图 2。 模型长 1 000 m， 宽 200 m， 高 700 m， 整个模型 共划分为 168 480 个单元， 共有 183 015 个节点； 并 且使用接触面模拟 F19断层， 接触面上共有 2 866 个 单元， 5 475 个节点， 断层倾角为 73。所建模型前后 和左右边界施加水平约束， 即边界水平位移为 0； 模 型底部边界施加竖直约束， 即垂直位移为 0； 上边界 施加等效荷载。选择本构模型为库伦-摩尔准则， 所 选择的各岩层力学参数见表 1、 表 2。 3模拟结果 3.1覆岩变形破坏 3.1.1塑性区分布特征 三河尖煤矿 7 煤 7409 工作面采空区对应姚桥 煤矿 7 煤工作面的推进长度为 100、 150、 200 m， 开 切眼距 F19断层 160 m 时，工作面围岩破坏场模拟 结果如图 3。 1） 在姚桥煤矿 7 煤工作面推进过程中， 对应垮 落带和导水断裂带不断发育。垮落带高度随着工作 面推进长度的增加，在工作面推进 100 m 时，其垮 落带高度基本上已经发育到最大高度。导水断裂带 高度发育过程为， 当工作面推进到 100 m 时其值较 图 2数值模拟计算网格剖分图 Fig.2Grid division diagram of numerical simulation calculation 表 1三河尖煤矿数值模拟岩体力学参数 Table 1Mechanical parameters of rock mass in numerical simulation of Sanhejian Coal Mine 岩层 名称 密度/ （kg m-3） 弹性 模量 /GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩 擦角 / （ ） 抗拉 强度 /MPa 渗透 系数 / （m d-1） 7 号煤 中粒砂岩 砂质泥岩 粉砂岩 细粒砂岩 泥岩 1 390 2 430 2 470 2 570 2 630 2 640 1.22 2.16 14.71 36.07 2.28 8.97 0.36 0.28 0.31 0.30 0.30 0.31 1.42 2.32 2.46 3.95 2.55 2.27 29 32 36 33 38 34 0.85 2.07 1.59 4.29 2.42 2.41 0.100 1.000 0.100 0.100 1.000 0.001 223 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 3工作面围岩破坏场模拟结果 Fig.3Simulation results of surrounding rock failure field in working face 图 4两矿对应工作面竖直应力等值线图 Fig.4Contour map of vertical stresses in the corresponding working faces of the two mines 小；当推进到 150 m 时其值有较大程度的增加； 当 推进到 200 m 时， 破坏区域虽有所增大， 但高度的 变化不大，这时候可以基本确定导水断裂带发育到 最大高度。经过测量得出河尖矿 7 煤充分采动时 “两带” 高度分别为 36.17、 79.53 m， 姚桥矿 7 煤分别 为 34.58、 77.37 m。 2 ） 在破坏高度发育到最大时， 各个剖面的相对 两面的塑性破坏区并没有贯通，故可以断定在三河 尖煤矿 7 煤采空区未积水的情况下，两矿各自所留 设的煤柱尺寸，可以满足姚桥煤矿 7 煤相应工作面 的回采要求。 3.1.2竖直应力分布特征 姚桥煤矿 7 煤工作面推进 200 m 时，选取剖面 y100 上的竖直应力云图来分析两对应工作面煤柱 留设尺寸的安全性。在此剖面位置上，两对应工作 面垮落充分，采空区边缘应力集中明显，具有针对 性。两矿对应工作面竖直应力等值线图如图 4。 1） 三河尖姚桥两工作面采空区上部出现应力降 低区域，覆岩应力主要由采空区围岩及周围煤柱承 担， 引起采空区四周竖直应力升高， 出现应力集中现 象。集中最大值位于煤柱距离采空区边缘约 10～40 m 之间， 压应力最大达到 5.7 MPa， 该处应力集中区 大致与对应采空区导水断裂带发育高度相一致， 并 且底板应力降低， 也向煤柱内部转移， 其应力集中区 大致与底板破坏深度相一致。随着所处位置与采空 区范围距离的增大， 其应力集中程度逐步减弱。 2） 在邻近煤层顶板 “0” 等值线内的区域主要是 拉应力区域，最大拉应力为 1.2 MPa 当拉应力区域 有微裂隙时，在裂隙的端部产生应力集中，顶板岩 层中的拉应力集中系数变得更大，由于岩石抗拉强 度很低， 出现拉应力区时， 该区域岩石极易垮落。因 而， 该区域与垮落带高度相对应。 3） 两矿对应工作面间隔煤柱上的应力集中主要 出现在采空区边缘，相距较远的区域未出现应力集 中现象；并且在间隔煤柱周围，除过在其上方较远 处， 受断层影响， 出现应力突变外， 其余区域没有出 现以上应力异常情况； 此外， 在断层附近围岩受压应 力，故在该区域岩体中不易生成裂隙而降低岩体稳 定性和整体性。综上可知，两矿对应工作面间隔煤 柱在应力上是安全的。 3.2渗流场变化 3.2.1F19断层不导水情况 通过采掘工程揭露表明， F19断层导、 含水性差， 首先研究将 F19断层视为不导水断层的情况。对三 河尖煤矿 7409 工作面回采过后进行充水加压。 考虑 到井田内直接和间接含水层均被疏降，不是闭坑后 （a） 姚桥矿 7 煤推进 100 m 破坏区 （b） 姚桥矿 7 煤推进 150 m 破坏区 （c） 姚桥矿 7 煤推进 200 m 破坏区 224 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 7孔隙水压力变化曲线图 Fig.7Variation curve of pore water pressure 的最高水位，因此选择井田受采动影响小的第四系 含水层初始水位为闭坑水位，经过换算采空区加水 压为 9.63 MPa， 模拟计算表明， 采动岩体渗流通道 的发展明显受煤层开采的影响，并具有明显的特征 和规律。然后考察加压后渗流场与围岩破坏场的耦 合云图，以便论证姚桥矿相应工作面回采的安全 性。不导水断层渗流矢量图如图 5， F19断层不导水， 渗流场与围岩破坏场的耦合云图如图 6。 1 ） 从图 5 可以看出， 工作面两端头围岩的渗流 速度大于中部围岩的渗流速度，在距工作面两端头 20 m 左右的工作面范围内的渗流速度大。 靠近断层 处，沿断层方向的渗流速度大于其余方向的渗流速 度，且随着距工作面的距离逐渐增大，渗流速度逐 渐减小。 2 ） 孔隙水压力由工作面向四周逐步扩散， 并不 断减小， 在某个临界面变为 0， 将此临界面视为渗流 场的临时边界。 孔隙水压力变化曲线图如图 7。 从图 7 可以看出，随着模拟监测点与煤层顶板竖直方向 上的距离不断增加， 孔隙水压力逐渐减小， 从 60 m 开始孔隙水压力开始急剧下降，与导水断裂带的发 育高度相符合。 3） 在围岩塑性破坏场与渗流场耦合的过程中， 塑性破坏区渗透系数急剧变化，渗流场边缘为不连 续状态，塑性破坏区对其产生导向作用。在扩散至 断层时，有沿着断层向下移动的趋势，最大向下扩 散距离为 106 m。 4） 三河尖煤矿工作面在渗流扩散过程中沿 F19 断层有所延深，但范围有限。姚桥煤矿工作面塑性 破坏场并未与三河尖矿工作面的渗流场贯通，说明 三河尖煤矿工作面在充水加压的情况下，后姚桥煤 矿工作面充水量小， 工作面可安全回采。 3.2.2F19断层导水情况 由于 F19断层导、 含水性差， 因此三河尖采掘工 程揭露了 F19断层， 并向其充水， 考虑断层导水的的 情况。同理， 对三河尖煤矿 7409 工作面回采过后进 行充水加压， 加压为 9.63 MPa， 然后考察加压后的 导水断层渗流矢量图 （图 8） 和渗流场与围岩破坏场 的耦合云图 （图 9） ， 以便论证姚桥矿相应工作面回 采的安全性。 1） 从图 8 可以看出， 工作面两端头围岩的渗流 速度大于中部围岩的渗流速度，在距工作面两端头 20 m 左右的工作面范围内的渗流速度大。 靠近断层 处， 沿断层方向出现了明显的渗流通道， 且相比于不 导水断层渗流速度更大。随着距工作面的距离逐渐 图 6F19断层不导水， 渗流场与围岩破坏场的耦合云图 Fig.6Coupling cloud diagram of seepage field and surrounding rock failure field due to non-conducting water of fault F19 图 8导水断层渗流矢量图 Fig.8Seepage vector diagram of water conductive fault 图 5不导水断层渗流矢量图 Fig.5Seepage vector diagram of non-conductive faults 225 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 9F19断层导水， 渗流场与围岩破坏场的耦合云图 Fig.9Coupling cloud diagram of seepage field and surrounding rock failure field due to conducting water of fault F19 增大， 渗流速度逐渐减小。 2） 导水断层孔隙水压力场整体与断层的地质特 征一致；沿着断层上下盘形成一定的渗流场。断层 的横断面积非常大，在相同水力条件下，渗透区域 远大于其它特殊的导水构造。 3） 孔隙水压力由断层向四周扩散， 并不断减小， 在某个临界面变为 0；将此临界面视为渗流场的临 时边界。沿断层最大向下扩散距离为 322 m。 4） 当渗流场靠近围岩塑性破坏场时， 塑性破坏 区渗透系数急剧变化，渗流场边缘为不连续状态， 塑性破坏区对其产生导向作用。 5 ） 相对于不导水断层， 渗流场沿断层面向下延 伸，波及范围明显增大。但姚桥煤矿工作面塑性破 坏场并未与三河尖矿工作面的渗流场贯通，说明三 河尖煤矿工作面在充水加压的情况下，姚桥煤矿工 作面充水量小， 工作面可安全回采。 4结论 1） 三河尖矿 7 煤为 36.17、 79.53 m， 姚桥矿 7 煤 开采 “两带” 高度为 34.58、 77.37 m， 两矿工作面开采 的破坏区域均未出现重叠导通的现象，并且间距较 大， 满足对煤柱安全性的要求。 2） 采动岩体渗流通道的发展及其渗流矢量、 渗 流速度、孔隙水压力及导水边界线的变化明显受煤 层开采的影响，与断层导水性紧密相关。相对于不 导水断层， 导水断层渗流场波及范围明显增大。 3） 考虑 F19断层不导水与导水情况时， 姚桥煤矿 工作面塑性破坏场均未与三河尖煤矿工作面的渗流 场贯通，说明三河尖煤矿闭坑后工作面充水高水压 的情况下，边界煤柱的隔水性良好，姚桥煤矿工作 面充水量小， 工作面可安全回采。 参考文献 ［1］ 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. ［2］ 黄炳香， 刘江伟， 李楠， 等.矿井闭坑的理论与技术框 架 ［J］ .中国矿业大学学报， 2017， 46 （4） 715-729. ［3］ 孙亚军， 杨国勇， 郑琳.基于 GIS 的矿井突水水源判别 系统研究 ［J］ .煤田地质与勘探， 2007， 35 （2） 34-37. ［4］ 许延春.综放开采防水煤 （岩） 柱保护层的 “有效隔水 厚度” 留设方法 ［J］ .煤炭学报， 2005， 30 （3） 305-308. ［5］ 许延春， 杜明泽， 李江华， 等.水压作用下防砂安全煤 岩柱失稳机理及留设方法 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （2） 328-334. ［6］ 杨健， 张永国， 陈存粮.老空水防隔水煤 （岩） 柱留设探 讨 ［J］ .煤矿现代化， 2015 （4） 114-116. ［7］ 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