主焦煤矿新采区开采对邻近岳城水库的影响研究.pdf

煤炭工程 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6第52卷第6期 do i 10. 11799/c e202006026 主焦煤矿新采区开采对邻近岳城水库的影响研究 杨长德I,杨磊2,李金波-王鹏I 1.新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆乌鲁木齐830091； 2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京100120 摘要为了研究主焦煤矿新采区开采后对邻近岳城水库的影响，采用概率积分法和数值模拟 确定新采区开采后对地表的主要影响范围，通过数值模拟研究开采后作用在大坝不同位置作用力。 结果表明通过确定地表的基本移动参数，采用概率积分法预测的新采区采空后最大影响范围为 336m,数值模拟新采区开采东边界、北边界向外，地表发生下沉和移动区域的宽度分别约为260m、 350m,与概率积分法预测结果接近。此外主焦煤矿新采区主要影响范围边缘，距离岳城水库大坝尚 有5.1km,且岳城水库大坝未因主焦煤矿开采产生明显位移和应力变化，因此主焦煤矿新釆区开采 对岳城水库大坝基本无影响。 关键词采区开采；地表沉陷；水库大坝；概率积分法；数值模拟 中图分类号中图分类号TD823. 83 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1671-0959202006-0121-05 Influence of new mining district of Zhujiao Coal Mine on nearby Yuecheng Reservoir YANG Ch ang-d e1 , YANG Lei2, LI Jin-bo1 , WANG Peng1 1. Sc h ool of Mining Engineer ing and Geologic al, Xinjiang Institute of Engineer ing, Ur umqi 830091 , Ch ina； 2. Beijing Huayu Engineer ing Co. , Ltd . , Ch ina Coal Tec h nolgoy and Engineer ing Gr oup, B and ac c or d ing to th e numer ic al simulation, outwar d th e east and nor th bound ar ies of th e new mining d istr ic t, th e wid th of sur fac e subsid enc e ar ea and movement ar ea is about 260m and 350m r espec tively, wh ic h is c lose to th e r esult of pr obability integr al meth od . In ad d ition, th e ed ge of main influenc e ar ea of th e new mining d istr ic t is 5. lkm away fr om th e Yuec h eng Reser voir Dam, wh ic h h as no obvious d isplac ement and str ess c h anges d ue to th e mining, th e mining influenc e c an be ignor ed . Keywords ex ploitation of mining d istr ic t; sur fac e subsid enc e； r eser voir d am； pr obability integr al meth od； numer ic al simulation 矿井开采后上覆岩层会发生弯曲变形断裂进而 使地表岩层岀现沉降、移动、垮塌等问题，对采空 区沉陷范围内的建筑物造成不同程度的影响⑴。郁 文峰等⑵为了准确反演受到邻近采空区影响的地表 沉陷预计参数，提出了邻近采空区影响的地表沉陷 概率积分法参数反演方法。王正帅等⑶运用概率积 分法评价老采空区上方建筑地基稳定性，其评价结 果顾及了充分活化时的极限沉降变形，能够满足建 筑物对安全性的要求。王磊等⑷提出利用变采高的 小工作面开采预计边界“活化”引起的地表残余移 收稿日期2019-06-17 基金项目新疆维吾尔自治区高校科研计划项目XJEDU2018Y052；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目2018D01B04 作者简介杨长德 1984,男，吉林白城人，硕士，讲师，现从事采矿技术与灾害防治方面的研究，E-mail 525837411 qq. c omo 引用格式杨长德，杨 磊，李金波，等.主焦煤矿新采区开采对邻近岳城水库的影响研究[J].煤炭工程，2020, 52 6 121-125. 121 研究探讨煤炭工程 2020年第6期 动变形，并建立相应的预计模型。陈明星⑴针对采 区开采时间跨度大、回采率低的特点，地表移动变 形预测采用概率积分法预测模型。易四海⑹根据数 值模拟及现场实测数据，确定了长壁开采条件下地 表残余沉陷变形的概率积分法预计参数。杨玉龙“I 通过概率积分法对研究区地表沉降进行预计，运用 反分析的方法，在数值模拟实验中综合确定老采空 区的实际地质力学参数。杨逾⑻等采用FLAC“软件 模拟了条带开采上覆岩层长期变形特征。段伟强⑼ 通过应用解析法计算了煤矿采空区覆岩稳定性和采 空区的残余变形，对地表稳定性进行了评价，同时， 利用数值模拟法就煤矿采空区对地表变形的影响程 度进行了计算。在上述研究基础上，本文根据主焦 煤矿采空区地表移动的监测数据和相邻矿区监测的 参数，通过概率积分法预测采空区的影响范围，采 用数值模拟对采空区沉陷范围进行验证，从而确定 对岳城水库产生位移和应力的影响3-⑶。 1工程概况 1.1主焦煤矿地质情况主焦煤矿地质情况 矿井主要可采煤层二「煤赋存于山西组下部，上 距砂锅窑砂岩75m,下距L*石灰岩39m。煤层顶板 多为泥岩或砂质泥岩；底板多为砂质泥岩、粉砂岩。 煤层厚度5. 7308m,平均6. 56m,为全区可采厚 煤层，埋深在700m左右。矿井正常涌水量为65m/ h ,最大涌水量为100n/h,瓦斯相对涌出量为 29.51m3/d ,绝对涌岀量为23.29m/min,为高瓦斯 矿井。煤层煤尘爆炸指数为17. 89,为爆炸危险性 煤层。 1.2新采区概况新采区概况 新采区并未开采，拟布置1个采煤工作面和2 个掘进工作面进行回采。工作面采用综合机械化放 顶煤开采。井下采用带式输送机运煤，辅助矿车运 输歼石、材料和人员。 1.3主焦煤矿与岳城水库关系主焦煤矿与岳城水库关系 主焦煤矿及相邻煤矿与岳城水库位置关系如图 1所示。为确保岳城水库和大坝安全，划定岳城水 库库区及周边地区煤矿禁采区和限采区。禁采区的 范围为自主坝坝脚向上游外延3900m、下游外延 3100m,自副坝坝脚向上游外延3800m、下游外延 3000m,两坝头自坝脚向外延3000m。限采区的范围 为大坝上游禁采线以上水库保护范围内，大坝两端 从图1可见，主焦煤矿位于岳城水库禁采区之 外，主焦煤矿边界东边界距离禁采区边界的最小 距离约1260m,主焦煤矿边界北距离水库汹］水线 的最小距离约1050m,主焦煤矿东边界距离水库汹 水线、大坝的距离分别约2200m、5400m。但是，主 焦煤矿的新采区已进入限采区，因此，需要对新采 区采煤对水库的影响进行分析研究，论证邻近水库 的新采区采煤的可行性。 2预测影响范围 为研究新采区开采后对水库和大坝的影响，通 过综合评价系数、岩性影响系数、煤层倾角、埋深 等参数推算预计地表沉降范围所需的几个参数下 沉系数g、主要影响角正切t an/3、水平移动系数b,、 拐点偏移距s和开采影响传播角0,并通过概率积分 法计算地表沉降范围。 2. 1地表基本移动参数的确定地表基本移动参数的确定 1 下沉系数g g 0.50.9P,根据主焦煤 矿采空区上覆岩层岩性特征，覆岩综合评价系数P 0. 76,求得 g 0. 83。 2 主要影响角正切t ar 3 t a昭00.0032〃 1-0. 0038a,岩性影响系数D 0.76,采深H 700m,煤层倾角a为15。,求得t ar 0 2.83。 3 水平移动系数山 10. 00866,煤层 倾角a 15。，水平煤层水平移动系数6 0.28,则 60. 32。 4 拐点偏移距s新采区开采后拐点偏移距S 可取为 0. 07/7H 为 700m,求得 S 49m。 122 2020年第6期 煤炭工程研究探讨 5）开采影响传播角e开采影响传播角0与煤 层倾角a有关，当aW45。时， 90。-0. 68a,由于 煤层倾角a 15。，故0 79.80。 2.2影响范围的确定影响范围的确定 新采区经过充分采动后，由于岩体破裂后的碎 胀性和采空区边界顶板垮落不均匀，采用概率积分 法计算实际下沉表达式为 qm T iWx 式中，“（％）为实际下沉值，m； g为已完成下 沉系数；m为开采厚度，m；厂为最大影响半径，m； s为拐点偏移距，mo 根据覆岩综合评价系数推算得到主焦煤矿新采 区地表移动和变形预计参数如下g 0. 83； m 6. 56m； t anj S 2. 83 ； r - ///t an/3 700/2. 83 247. 35m； s 0.07H 49m。将上述参数代入式1 可得最大影响范围x 336m。 3数值模拟 为研究主焦煤矿开采造成的地层、地表变形和 其对水库和大坝的影响，采用三维有限元法作为计 算分析手段。 3.1数值模型数值模型 建立主焦煤矿、岳城水库及大坝的位置关系模 型，如图2所示，三维模型中坐标轴的规定X轴 指向漳河下游，即自主焦煤矿向岳城水库大坝方向， 大体为由西向东；Y轴指向岳城水库北岸，即由主 焦煤矿指向岳城水库，大体为由南向北；Z轴垂直 指向上。模型沿X轴向（西一东）总长度为11560m, 西端至主焦煤矿西边界1600m,东端延伸到岳城水 库大坝下游1130m；模型沿Y轴向（南一北）总长度 为7950m,北端至岳城水库中心，南端距离主焦煤 矿南边界2400m；模型在垂直向上取至地表，向下 取至煤层底板以下700m。 3.2计算参数及应力平衡计算参数及应力平衡 根据主焦煤矿所在区域的地质勘查成果、申家 岳城水库大坝 图2主焦煤矿、岳城水库及大坝的位置关系模型 庄煤矿和六合煤矿的研究经验、岳城水库设计等资 料，确定各类岩层、地层的物理力学参数，见表1。 表1主焦煤矿岩体物理力学参数 岩层弹性模密度/内摩擦粘聚力 名称量 /MPa 但松比 kg m3 角/（。）/MPa QN400.32500 P2sh 30000.32550280.4 Plx 35000. 292600330.6 Pish 33000. 292650400.9 C3l90000. 282600351.0 2b 90000. 282600351.0 2m 160000. 272700421.2 煤层23500. 332300250. 1 断层8000. 342200200. 007 坝体 150.32000240. 002 各岩层符号代表的名称分别为。2„,为奥陶系 中统马家沟组、c2b为石炭系上统本溪组、c3[为石 炭系上统太原组、p18h为二叠系下统山西组、p]s为 二叠系下统下石盒子组、P“为二叠系上统上石盒子 组、P2曲为二叠系上统石千峰组、N为新近系、Q为 第四系岩土体。采用弹塑性本构模型，屈服准则为 摩尔-库伦准则。 地层垂直应力分布如图3所示，在有围压的情 况下，二|煤层埋深在600-800m左右，受到的垂直 应力约1519MPa。 ■ -3.l40 x|07 I-3.477x| 07 Pa2.358x10* -4.393x10“ --1.114107 --1.789*107 二-2.465x0 图3地层垂直应力 3.3新采区开采引起的地层变形及影响范围分析新采区开采引起的地层变形及影响范围分析 新采区开采后，一定范围内的地表出现了下沉 变形。中部的东西向地层及地表下沉如图4所示， 由图4可知，自煤田东边界向外，地表发生下沉和 移动区域的宽度约约260m；在此区域之外，地层、 地表变形逐渐减少，从图4（b）还可以看出由于距离 岳城水库库岸和大坝尚有约2000m、5100m,地表无 变形。 中部的南北向地层及地表下沉如图5所示，由 图5可知，自煤田北边界向外，地表发生下沉和移 动区域的宽度约350m ；此区域的外边界向北，从图 5（b）还可以看出距离岳城水库库岸约700m,地表无 123 研究探讨煤炭工程2020年第6期 | 7.797 I 5.848 I 3.899 I 1.949 m ■ 11.70 L 9.746 a剖面位置 m ■ 11.70 □ 9.746 7.797 5.848 3.899 1.949 水库岩 b位移矢量 大坝 图4中部的东西向剖面地层及地表下沉 变形。新采区开采，东部的影响半径比北部的略小。 这是因为三条近南北走向的断层把煤田分割成了南 北长、东西窄的三个区域，南北向的采动比东西向 更充分。地表明显移动区域等值线如图6所示，由 图6可知，地表移动区域的宽度为300-400mo a剖面位遭 ■ 11.70 巴 9.746 17.797 「5.848 13.899 ■ 1.949 库岸 图5中部的南北向剖面地层及地表下沉 综合以上判断，新采区开采的主要影响范围最 大约350m,其影响范围有限，距离岳城水库库岸的 距离较远，对水库安全无影响。 3.4对岳城水库大坝的影响分析对岳城水库大坝的影响分析 由新采区开采引起的地层变形及影响范围分析 结果表明，主焦煤矿新采区开采完成后，岳城水库 大坝无变形。进一步跟踪了坝横剖面上游坝脚、坝 轴线处的坝底、下游坝脚、坝顶等4个部位如图7 所示的垂直应力、水平应力及剪应力随煤矿开采过 程的变化情况，如图8所示。由图8可见，在主焦 煤矿现在开采和新采区开采的过程中，岳城水库大 坝应力无变化。 综合分析表明，在主焦煤矿新采区开采后，岳 m 6.747 5.997 5.247 4.123 3.373 2.624 1.874 1」25 0.375 a地表移动等值线 □ 6.747 □ 5.997 5.247 14.123 J 3.373 □ 2.624 □ 1.874 ；；1.125 J 0.375 b地表移动等值线和采区的关系 图6地表明显移动区域等值线 图7岳城水库大坝坝体应力关注部位 aA处的应力变化情况 bB处的应力变化情况 开采过程 cC处的应力变化情况 dD处的应力变化情况 平面剪应力 水平方向应力 * 垂直方向应力 图8坝体关键部位应力变化情况 城水库大坝未产生位移和应力变化，主焦煤矿新采 区开采对岳城水库大坝无影响。 4结论 1概率积分法预测新采区地表下沉主要影响范 围约为336m；数值模拟主焦煤矿新采区自开采至完 成，东边界、北边界向外，地表发生明显下沉和移 124 2020年第6期煤炭工程 研究探讨 动的区域的宽度分别约为260m、350mo 2 数值模拟主焦煤矿新采区自开采至完成，主 要影响范围边缘向东距离库岸尚有约2000m,向北 距离岳城水库库岸尚有700m,对库岸稳定无影响。 3 岳城水库大坝不同部位未因主焦煤矿开采产 生明显位移和应力变化，主焦煤矿新采区开采对岳 城水库大坝基本无影响。 参考文献参考文献 [1] 姚 康，王翊虹，冒 建，等.概率积分法在采空区地面沉 降预测中的应用[J].中国水运下半月，2017, 172 234-236. [2] 郁文峰，陈元非，孟彦杰，等.邻近采空区影响的地表沉陷 概率积分参数反演[J].煤矿安全，2019, 505 231- 234, 238. [3] 王正帅，邓喀中.老采空区地表残余变形分析与建筑地基稳 定性评价[J]煤炭科学技术，2015, 43 10 133- 137, 102. [4] 王磊，郭广礼，查剑锋，等.老采空区地表残余沉降预计与 应用[J].采矿与安全工程学报，2011, 282 283-287. [5] 段伟强煤矿采空区对地表稳定性影响分析研究[J].矿业 安全与环保.2015, 423 81-85. [6] 陈明星.某采空区沉陷现状及残余沉降预测研究[J].铁道 工程学报,2018, 356 16-20, 76. [7] 易四海.地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析 [J].煤矿开采，2016, 212 29-32. [8] 杨玉龙.概率积分法在老采空区地表残余沉降预计中的应用 研究[J].水力采煤与管道运输，20181 23-26. [9] 杨逾，于洁瑜，王宇.条带开采采空区覆岩移动规律数 值模拟分析〔J].中国地质灾害与防治学报，2017, 28 1 96-101. [10] 张兆江，张涛，张安兵，等.超高水材料充填条带开采地 表沉陷规律研究[J].煤炭工程，2016. 487 97-99. [11] 邓喀中，谭志祥，姜 岩，等.变形监测及沉陷工程学 [M].徐州中国矿业大学岀版社，2014. [12] 熊祖强，马三振.厚煤层大采高长工作面地表岩层移动规律 分析[J].煤炭工程,2014, 469 83-85. [13] 许家林，尤 琪，朱卫兵，等.条带充填控制开采沉陷的理 论研究[J].煤炭学报,2007, 322 119-122. [14] 郭广礼，邓喀中，谭志祥，等.深部老采区残余沉降预计方 法及其应用[J].辽宁工程技术大学学报自然科学版， 20021 1-3. [15] 谭保华，薛凯喜，郑志洪.煤矿老采空区场地残余沉降的预 测研究[J].路基工程，20182 37-41. 责任编辑张宝优 125