工程地质模型在防水煤岩柱研究中的应用.pdf

中国矿业大学学报990 50 2 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 工程地质模型在防水煤岩柱研究中的应用 隋旺华 董青红 狄乾生 马亿刚 马福祥 摘要 提出了煤矿工程地质模型的概念和基本构成. 论述了工程地质模型及其组成单元 的采动效应，建立了预测模型并成功应用于山东省横河煤矿厚松散含水层下放顶煤开 采防水煤岩柱的留设. 为进一步发展防水煤岩柱工程地质系统研究方法奠定了基础. 关键词 工程地质模型，放顶煤开采，厚松散含水层，防水煤岩柱 中图分类号 P 6 42 Application of Engineering Geological Model in Research of Safety Pillars Under Water Bodies Sui Wanghua Dong Qinghong Di Qiansheng （College of Mineral Resource and Enviroment Sciences, CUMT，Xuzhou, Jiangsu 221008） Ma Yigang ma Fuxiang （Henghe Coal Mine， Zoucheng， Shandong 273500 ） Abstract The concept and basic constitutions of coalmine engineering geological model is put forward. The mining-induced variations of engineering geological model and its components are discussed in detail. An engineering geological prediction model is establised and applied in determining safety pillars above sub-level caving face under thick unconsolidated aquifers in Henghe Coal Mine， Shandong Province. The research has laid a foundation for a further development of engineering geological in determining safety pillars above sub-level caving face under water bodies. Key words sub-level caving, thick unconsolidated aquifers, safety pillars under water bodies, engineering geological model 工程地质工作在煤矿设计、建井和开采过程中极为重要，但是煤田地质和工程地 质勘探的大量资料往往不能表示为设计和生产人员能够采用的形式，制约了工程地质 成果的应用. 工程地质模型概念的提出为解决这一问题提供了途径［1］. 1 煤矿工程地质模型的构成 工程地质模型是包括工程地质单元、岩体结构、地质构造、水文地质结构、地应 力、不良地质现象等地质环境和工程条件在内的综合模型. 煤矿工程地质模型可以按工 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 1／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 程应用目的分类，例如巷道工程地质模型、开采工程地质模型等；也可按模型研究的 深入程度和进展阶段分为预测模型、过程模型和结果模型. 模型可以用一系列图表或数 字化形式表示，可以根据需要建立三维或二维模型，其基本构成如图1所示，主要表示 以下内容 1）煤层上覆岩土层、底板岩层的工程地质类型及其特征、物理力学性质指标的统 计值； 2 ）岩体结构特征； 3）对采区充水有直接影响的含水层的地下水动力学参数，隔水层特性等； 4）模型的边界条件，重点研究原岩应力状态［2 ］； 5）开采条件. 图1 防水煤岩柱预测的工程地质模型 Fi g . 1 En g i n e e r i n g g e o l o g i c a l m o d e l f o r p r e d i c t i o n o f w a t e r -p r o o f p i l l a r s u n d e r w a t e r b o d i e s 2 应用实例 近年来，我们采用工程地质原理和方法，在兖州矿区开展的提高开采上限的研究 获得了成功. 现结合横河煤矿实例予以阐述. 横河煤矿位于兖州煤田鲍店矿西南部，井田面积约11. 3 k m 2，厚松散层下山西组倾 角平缓，3号煤层平均厚度9 m ，地质储量达31 m t . 原设计留设的防水煤岩柱为6 4～8 4 m ，提供的可采储量仅占地质储量的13. 因此，科学地留设防水煤岩柱，关系着该矿 的发展前景. 2 . 1 横河煤矿工程地质预测模型 图2 为建立的预测模型之一，它包括各主要工程地质类型的物理力学性质、结构 面特征等（表1）；主要含、隔水层的水文地质特征（本文2 . 2 ）；原岩应力场；开采方 法为预采顶分层后滑移顶梁液压支架放顶煤开采，顶分层为2 . 2 m ，底分层开采2 . 2 m ， 放顶煤为4. 6 m , 全部垮落法管理顶板. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 2 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 图2 横河煤矿沿倾向工程地质模型之一 Fi g . 2 O n e o f t h e e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l m o d e l s a l o n g t h e d i p p i n g d i r e c t i o n i n H e n g h e Co a l M i n e 表1 模型中工程地质类型的主要特征和参数 T a b l e 1 Ch a r a c t e r i s t i c s a n d p a r a m e t e r s o f e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l t y p e i n t h e m o d e l 序号 工 程 地 质 类 型 厚度/ m 重度/ k N.m -3E/ M Pa μ 粘聚 力/ M Pa 内摩擦角/ （） 抗拉强 度/ M Pa 抗压强 度/ M PaRQ D / 结构面 特征 ET 1 风 化 细 砂 岩 7 . 62 0 . 6 78 50 . 320 . 62 1. 00 . 6 90 . 978 1 波状层 理，风 化裂隙 ET 2 风 化 泥 岩 4. 22 1. 6 61 130 0 . 173. 22 6 . 00 . 3610 . 659 水平层 理，裂 隙发育 ET 3 砂 岩 17 . 32 3. 136 8 0 0 0 . 189. 536 . 50 . 992 4. 38 1～90 水平与 微波状 层理 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 3／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 ET 4 泥 岩 1. 92 2 . 567 8 0 0 0 . 2 512 . 52 6 . 01. 2 539. 12 4 裂隙发 育，岩 芯破碎 ET 5 泥 质 细 砂 岩 18 . 22 4. 5310 7 0 0 0 . 1812 . 640 . 31. 2 952 . 46 0 ～10 0 水平层 理，少 量裂隙 ET 6 泥 岩 夹2 煤 2 1. 82 4. 3311 2 0 0 0 . 2 813. 32 7 . 11. 7 942 . 77 9～8 6 水平层 理 ET 7 细 砂 岩 10 . 42 3. 2 530 6 0 0 0 . 112 3. 342 . 36 . 3010 9. 37 0 ～8 8 水平层 理，裂 隙发育 ET 8 粉 砂 质 泥 岩 4. 82 4. 8 215 0 0 0 0 . 2 416 . 32 7 . 81. 8 153. 87 8 高角度 裂隙发 育 ET 9 3号 煤 9. 017 . 6 62 8 10 0 0 . 2 01. 030 . 00 . 2 031. 02 0 裂隙发 育，岩 芯破碎 ET 10 细 砂 岩 10 . 32 3. 4034 2 0 0 0 . 132 6 . 636 . 44. 4710 5. 68 5 水平层 理，少 量裂隙 2 . 2 水文地质结构及采动效应 水文地质结构是预测模型的一个重要组成部分. 建模时应重点分析与开采有关的底 部含水层及其上下隔水层、风化带、顶板含水层的特征以及它们之间的水力联系. 横河煤矿主要含、隔水层的水文地质基本特征（表2 ）为1） 中组以多层粘土、 砂质粘土为主，分布稳定，粘土质砂层含水性微弱，且赋存不稳定，所以，该组基本 上为隔水层组，起到了阻隔上、下含水层组水力联系的作用；2 ） 厚松散层底部较普 通赋存有底粘土层（图3），它将起到阻隔松散层底部含水层与基岩风化带的水力联系 的作用；3） 由于矿井开采排水使底含水层水位呈大幅度下降趋势. 1990 年以来几次对 底部含水层抽水试验结果表明水位下降已达8 0 m 左右（表3）；4） 基岩风化带和3号煤 顶板砂岩均属微弱含水层带. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 4／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 图3 底部粘土层厚度等值线图 Fi g . 3 I s o l i n e o f t h i c k n e s s o f b o t t o m s o i l l a y e r 表2 含、隔水层组的水文地质特征 T a b l e 2 H y d r o g e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a q u i f e r s a n d a q u i f u g e s 含（隔）水层岩 性厚度/ m静止水位/ m 单位涌水量/ （L. s . m -1） 富水性 上组 黄褐色、棕黄色 粘土、粘土质砂 及砂层 7 4. 32 ～ 8 0 . 6 0 41. 0 5～ 42 . 8 40 . 42 2 ～1. 8 2 5 中等～强 中组 浅灰色、灰绿色 的粘土、砂质粘 土及砂层 55. 8 8 ～7 5. 39 43. 2 60 . 0 14 微弱，基本属隔 水层组 下组 浅灰白色、灰绿 色粘土、粘土质 砂以及中、粗砂 2 1. 97 ～38 . 8 6 -42 . 41～-36 . 12 0 . 0 16 l ～0 . 0 2 93 弱含水层组 基岩风化带 风化细砂岩、泥 岩，松软、风化 裂隙发育，多为 次生粘土矿物充 填 2 0 . 6 5～30 . 10-43. 300 . 0 12微弱 顶板砂岩 粉砂岩、中砂 岩，陡倾裂隙发 育 10 . 35～2 2 . 6 5 38 . 7 0 ～ 40 . 2 5 0 . 0 0 9～0 . 0 12 微弱 表3 不同时期底部含水层的特征 T a b l e 3 Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e b o t t o m a q u i f e r i n d i f f e r e n t p e r i o d s f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 5／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 孔号时期深度/ m层位水位标高/ m 单位涌水量/ （L. s . m -1 水质类型 矿化度/ g . L-1 科1 1990 . 9 134. 2 ～154. 0 底部含水层 40 . 16约为0未测未测 科2 1991. 4 135. 5～17 9. 4 底含和风化带 39. 6 80 . 12 H CO 3-Na Ca0 . 40 9 科3 1994. 7 149. 7 ～17 0 . 5底部含水层-42 . 410 . 0 16 H CO 3-Ca Na0 . 430 科41996 . 6 141. 9～17 5. 3底部含水层-36 . 120 . 0 2 9 H CO 3-Ca Na0 . 336 2 . 3 覆岩应力及破坏的采动效应 2 . 3. 1 覆岩应力分布 图4为预采顶分层过程中覆岩主应力分布，按最大、最小主应力的大小和性质可划 分为双向拉应力区、拉压应力区和双向压应力区［3，4］. 图5为预采顶分层后放顶煤开 采覆岩主应力分区示意图. 双向拉应力区主要位于采空区上方ET 8 至ET 6 ，煤柱上方ET 6 至ET 3中，拉压应力区位于上山方向较大范围内和强风化带岩层内. 与4个分层开采相比 ［5］，双向拉应力区在采空区上方和煤柱上方正曲率区岩层中的分布范围明显扩大， 拉压应力区的范围也更加扩展. 支承压力区剪应力集中程度增大，最大主应力增加，以 煤柱内的最大主应力为例，预采顶分层后放顶煤开采煤柱内最大主应力可达7 2 m Pa ， 第四分层开采结束时只为40 m Pa . 图4 顶分层开采引起的岩体主应力分布 Fi g . 4 Pr i n c i p a l s t r e s s e s d i s t r i b u t i o n i n r o c k m a s s d u e t o t h e f i r s t s l i c e m i n i n g f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 6 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 图5 放顶煤开采岩体主应力分布 Fi g . 5 Pr i n c i p a l s t r e s s e s d i s t r i b u t i o n i n r o c k m a s s a b o v e s u b -l e v e l c a v i n g f a c e 2 . 3. 2 覆岩破坏 与图4，5主应力状况相对应的覆岩破坏状况分别如图6 ，7 所示. 放顶煤后，采空区 上方双向拉应力区内的ET 8 至ET 6 岩层发生拉张破坏，采区边缘在拉压应力作用下形成 拉、剪破坏区，使岩层垮落充填采空区，冒落带高度可达2 9. 8 m ，煤柱上方双向拉应力 区岩层发生连续拉张破坏，与拉张裂隙和冒落带岩层贯通，形成导水裂隙带. 随着开采 上限的提高，强风化带软弱岩体将会抑制导水裂隙带的发展，在上山方向发育到50 m 左右. 预计和实测的主要结果见表4. 图6 顶分层开采引起的岩体破坏状况 Fi g . 6 Fa i l u r e i n r o c k m a s s d u e t o t h e f i r s t s l i c e m i n i n g f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 7 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 图7 放顶煤开采岩体破坏状况 Fi g . 7 Fa i l u r e i n r o c k m a s s a b o v e s u b -l e v e l c a v i n g f a c e 表4 预计导水裂隙带高度及与实测高度对比 T a b l e 4 Co m p a r i s o n o f h e i g h t s o f w a t e r f l o w i n g f r a c t u r e d z o n e b e t w e e n p r e d i c t i o n a n d m e a s u r e m e n t s 开采情况分层厚度/ m 累计采 厚/ m 预计高 度/ m 实际高 度/ m 预采顶分层2 . 22 . 22 7 . 82 4 顶分层后放顶煤6 . 89. 050 . 050 ～6 0 2 . 4 工程地质综合评价 工程地质综合评价是在对工程地质模型各个组成单元、预测结果和采动效应研究 的基础上，综合分析技术和经济因素，确定防水煤岩柱的高度. 从以上研究可见 1 3号煤上覆岩 土 层的工程地质类型、结构特征、物理力学性质等，可以定性地 反映开采后岩 土 体变形和破坏机理. 直接顶板ET 8 ，煤层开采后，垮落充填采空区. 其 上ET 7 ，ET 5，易于积聚应力，形成裂隙带，但由于其间有两层厚分别为2 1. 8 m 和1. 9 m 的泥岩类型，能在一定程度上缓和覆岩破坏和抑制导水裂隙带的发展. 2 上覆岩土层的水文地质结构较为有利，与3号煤开采有关的主要含水层均为弱含 水层. 第四系底部含水层下赋存较为稳定的粘土层，在一定程度上阻隔了上下含水层的 水力联系. 3） 采用预测模型计算的顶分层开采和预采顶分层后放顶煤开采导水裂隙带高度 分别为2 7 . 8 m 和50 . 0 m ，与实测结果相吻合. 按上述结果留设的防水煤岩柱已经成功地在横河煤矿多个工作面实施，增加可采 储量7 0 0 万吨，产生了巨大经济效益，证明了工程地质预测模型的可信性. 3 结 论 1） 工程地质模型在煤矿地质工作者和设计、施工人员之间架起了一座桥梁，为 地质人员表述工程地质工作成果、为设计、施工人员利用地质资料提供了便捷的途径. 2 ） 利用工程地质模型可以综合反映有关工程地质条件，方便地预测工程影响效 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 8 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6 中国矿业大学学报990 50 2 应. 3） 工程地质预测模型在横河煤矿防水煤岩柱研究中的成功应用表明了其可行性. 科学计算可视化和空间信息处理系统将会使工程地质模型的研究和应用跨上一个新的 台阶. *煤炭科学基金资助项目（94地10 10 6 ） 第一作者简介 隋旺华，男，196 4年生，工学博士，副教授 作者单位隋旺华 董青红 狄乾生（中国矿业大学资源与环境科学学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 ） 马亿刚 马福祥（山东省邹城市横河煤矿 山东邹城 2 7 350 0 ） 参 考 文 献 1 孙玉科. 矿山岩体工程的系统工程. 工程地质学报, 1996 , 4 4 7 2 彭向峰, 于双忠. 淮南矿区原岩应力场宏观类型工程地质研究. 中国矿业大学学 报, 1998 , 2 7 1 6 0 ～6 3 3 狄乾生, 隋旺华, 黄山民. 开采岩层移动工程地质研究. 北京 中国建筑工业出版 社, 1992 . 119～141 4 隋旺华. 开采覆岩破坏工程地质预测的理论与实践. 工程地质学报, 1994, 2 2 2 9～37 5 马福祥, 隋旺华. 山东横河煤矿分层开采防水煤岩柱留设. 中国地质灾害与防治学 报, 1994 增 144～146 收稿日期1999-0 3-31 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 2 . h t m （第 9／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 6