大型水库库区下压煤开采对其安全影响评价.pdf

第36卷 第6期 中国矿业大学学报 Vol. 36No. 6 2007年11月 Journal of China University of Mining 水利部科技创新项目Scxc20052 11 作者简介武 雄19732 , 男,内蒙古清水河县人,副教授,工学博士,从事岩土工程、 地质灾害研究. E2mail wuxiong cugb. Tel 010282320675 文章编号10002196420070620723205 大型水库库区下压煤开采对其安全影响评价 武 雄1,汪小刚2,段庆伟2,李新强2, 于青春1,杨 健2,张莉丽1 1. 中国地质大学 水资源与环境工程北京市重点实验室,北京 100083 ; 2.中国水利水电科学研究院,北京 100044 摘要在前人研究成果的基础上,采用现场调研、 室内试验、 数值计算相结合的综合方法,研究了 开采沉陷对大坝安全的影响、 压煤开采引发库区渗漏及库水位骤降的可能性及对库区渗流场的 影响.结果表明压煤开采引发的最大地面塌陷范围距离大坝约5 km ,不会影响大坝的安全运 行;“两带” 发育高度最大为85 m ,防水安全煤岩柱留设合理,不会引发库区水体渗漏;压煤开 采引发的库区渗流场变化很小,不会对大坝安全造成影响. 关键词压煤开采;大型水库;安全评价;地表塌陷;渗流 中图分类号 TD 807文献标识码 A uation of Safety of Mining Underlarge Reservoir Area WU Xiong1, WANG Xiao2gang2, DUAN Qing2wei2, LI Xin2qiang2, YU Qing2chun1, YANGJian2, ZHANG Li2li1 1. Beijing Key Laboratory of Water Resources and Environment Engineering ,China University of Geosciences , Beijing 100083 ,China ; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research ,Beijing 100044 ,China Abstract Based on the previous achievements , the effect of mining subsidence on the safety of the dam , the possibility of leakage and rapid drawdown of water level in the reservoir by min2 ing pressed coal and the influence of mining pressed coal on the seepage field were investigated by the synthesis combined with field2survey , indoor2test and numerical simulation. The results show that the distance is about 5 km from the maximum surface subsidence bound2 ary to the dam by mining and it can not affect the safe operation of the dam ; the maximum de2 velopmental height of“two belts”is 85 m and it is reasonable to remain the waterproof coal rock pillar which can not generate the leakage of water body in the reservoir area ; the move2 ment of the seepage field is little in the reservoir by mining which can not affect the safety of the dam. Key words mining pressed coal ; large reservoir ; safety uation ; surface subsidence ; seepage 近年来,随着经济平稳、 快速的发展,我国能源 问题正面临着巨大的压力.已探明的易采煤炭资源 日益枯竭,为了提高资源回收率,解决生产持续问 题,实现能源的可持续发展,就必须对一些开采难 度大、 影响面广的煤炭资源进行开采,其中,大型水 库库区下就积压了大量的优质煤炭资源,如小浪底 水利枢纽库区压煤量达3141108t [1] ,南四湖下 压煤92108t等[2].这些大型水库在国民经济发 中国矿业大学学报 第36卷 展中起着重要的作用,而煤炭资源的充足供应也是 我国经济健康发展必不可少的重要条件.作者认 为,如果煤炭资源开采对大型水库的安全运行影响 甚微或通过采取先进生产工艺和防护措施足可保 证大型水库的安全运行的话,就可以对其进行开 采,这样既能保证水库的安全运行,又能合理地开 采煤炭资源,实现水利、 煤炭系统 “双赢” 的局面[3]. 本文以磁县六合工业有限公司以下简称 “六合公 司”在岳城水库库区下进行煤炭资源开采为例,对 在大型水库库区下进行矿产开采对其安全的影响 进行评价,为相关部门进行决策提供重要科学依 据. 1工程地质条件 六合公司是磁县经济的支柱企业,利税占磁县 总利税的40 以上.岳城水库是国家大I型水库, 库容1131010m3,是邯郸和安阳生活用水的水源 地.二者相对位置见图1. 图1 六合公司井田范围与岳城水库位置 Fig. 1Location relationship between mine field of Liuhe Company and Yuecheng Reservoir 六合公司采区边界距岳城水库大坝约6120 km.井田岩层呈一单斜构造,倾向大坝一侧,开采 深度274～730 m ,倾角约为17,具体地层结构见 图2.矿井只开采2号煤层,平均厚度4146 m ,区内 发育有多条大断层,与煤层呈大角度斜交.这些断 层走向均为NNZ向,且都是张性断层,断层带宽 而结构复杂,既有无性泥又有似糜棱岩,还有张性 角砾岩. 图2 六合公司综合地层柱状图 Fig. 2Synthetical stratum histogram of Liuhe Company 2开采沉陷对大坝安全的影响 2003年5月,六合公司委托唐山开滦勘查设 计有限公司对煤层开采引发的地表塌陷规律进行 了研究,计算参数来自 建筑物、 水体、 铁路及主要 井巷煤柱留设与压煤开采规程以下简称 三下规 程 [4] 中峰峰矿区的沉陷参数,下沉系数 η 0178 ,下山方向边界角β058-013α5219α 为煤层倾角 , 则地表下沉最大值和下山方向边界 影响范围分别为31479 m和55212 m. 数值模拟程序采用FLAC3D,计算范围一直延 伸到大坝下游,模型尺寸为1013 km515 km 113 km长 宽 高 , 共划分了48 400个单元,计 算中考虑了水库最高洪水位时的水体荷载,具体计 算结果见图3.可以看出,煤层开采后地面塌陷最 大值为31594 m ,最大塌陷范围距煤层右边界1117 km ,距离大坝约5 km.从上述计算结果可以看出, 六合公司煤层开采引发的地表沉陷范围是有限的, 距离岳城水库大坝很远,煤层开采引发的地表移动 不会影响大坝的安全运行.另外,为安全起见,在数 值模拟过程中,对井田范围内的大断层没有留设保 427 第6期 武 雄等大型水库库区下压煤开采对其安全影响评价 护媒柱,导致数值模拟结果比概率积分法计算结果 稍大一些. 图3 煤层开采后地表塌陷深度及范围 Fig. 3Depth and scope of surface collapse after mining 3引发库区渗漏的可能性 根据 三下规程,岳城水库水体采动等级为I 级,必须留设顶板防水安全煤岩柱. 工程实践表明,当煤层顶板类型为坚硬 坚硬 型时,“两带” 发育高度约为采厚的18～28倍.根据 矿井工程地质条件可知,六合公司煤层顶板类型为 顶板类型为中硬 中硬型,因此,其 “两带” 发育高 度最大应为坚硬 坚硬型顶板发育高度的下限值, 即18倍的采厚,约为80128 m. 采用 三下规程 推荐的经验公式,六合公司煤 层开采后 “两带” 最大发育高度为5815 m. 水文地质资料表明,2号煤层顶板发育有VII , VIII1和VIII2等含水层,其中VII ,VIII1含水层水 质类型为HCO3Na型,VIII2含水层水质类型为 HCO3CaNa型,井 下 涌 水 水 质 类 型 为 HCO3Na型,说明井下涌水只能来源于VII和 VIII1含水层,“两带” 发育高度未波及VIII2含水 层. VIII1,VIII2含水层距2号煤顶板的距离分别 为4715 , 8412m ,且VIII1含水层厚度约为5 m ,因 此可以判定 “两带” 发育高度为5216～8412 m. 1998年9月,六合公司委托峰峰矿务局地质 勘探工程处采用钻孔洗液的方法对 “两带” 发育高 度进行了实测,实测结果为54 m. 数值模拟结果见图4 ,其计算模型、 边界条件、 荷载条件及计算参数同模拟地表塌陷一样.由图4 可知,煤层开采后,采场上覆岩体中发育有一大应 变增量带,应变增量其实就是曲率,曲率愈大,表明 岩土体变形破坏愈严重,根据导水裂隙带和整体下 沉带的概念和特征可知,导水裂隙带内岩层的曲率 要远远大于整体下沉带内的岩土体,因此,该大应 变增量带应该就是导水裂隙带的发育范围,其最大 发育高度为85 m. 图4 六合公司煤层开采后 “两带” 发育高度预测结果 Fig. 4Developing height forecasts of“fractured and caving zones”in Liuhe Company 根据上述各类方法的分析结果,为保守起见, 确定六合公司 “两带” 最大发育高度为85 m.按照 三下规程 规定,防水安全煤岩柱尺寸Hsh必须 大于等于 “两带” 发育高度和保护层厚度之和,保护 层厚度选取最大值即7倍采厚,则六合公司防水安 全煤岩柱高度应为 Hsh≥8541467116122 m.1 也就是说,六合公司防水安全煤岩柱高度只 要大于116122 m就满足安全要求,根据矿井地质 条件可知,六合公司煤层上覆煤岩柱厚度最小为 184 m ,最大为640 m.完全满足规程要求. 断裂构造本身往往就是导水通道[526].六合公 司在井田主要有3条大断层,即FB58,F32和FB53, 均为张扭性正断层,其位置见图5 ,断层带宽而结 构复杂,既有压性泥又有似糜棱岩,还有张性角砾 岩.勘探时证实,FB58断层呈弱导水,而F32和FB53 断层基本不导水.有些断层在煤层开采前原始状态 为非导水构造,在煤层开采后因矿山压力作用,也 有可能会发生活化而成为导水构造[7]. FB58断层是 六合公司煤田西北部边界,留设保护煤柱,对开采 无大的影响. 图5 井田断层位置示意 Fig. 5Location of the faults in the mine field 六合公司所开采的煤层主要位于F32和FB53 断层之间地垒地段,两断层呈 “八字型”,落差约20 m ,开采块段间的岩体呈倒楔型,这对煤层开采极 为不利,需留设保护煤柱.断层保护煤柱留设的原 则是煤层采动后的 “两带” 发育高度不进入断层破 碎带,在此高度以上和相应破碎带位置之间有一定 527 中国矿业大学学报 第36卷 厚度的保护岩柱,此外还应考虑煤柱屈服宽度及确 定断层界面的误差. 当断层面倾向和煤层倾向相反时,见图6a ,断 层保护煤柱的水平投影长度l反为 l反 H柱[cot γ ″ -α cot ′α ] cosα, 2 式中H柱为防水安全煤岩柱尺寸,m;γ ″ 为煤层 上山方向岩石裂缝角 , ; ′ 为沿煤层倾斜方向剖 面的断层面的伪倾斜角 , ; α为煤层倾角 , . 煤柱单侧屈服层宽度计算公式为 Y201005M H2,3 式中Y2为煤柱单侧屈服层宽度,m; M为煤层厚 度,m; H2为断层下盘与煤层交界线处平均开采最 低标高位置的采深,m. 确定断层位置的地质测量误差m ,一般取 5 m.综上所述,保护断层留设煤柱总尺寸L反为 L反 l反 Y25.4 当断层面倾向和煤层倾向相同时,见图6b ,断 层保护煤柱的水平投影长度l同为 l同 H柱[cot β ″ α cot β ″ -α ] cosα, 5 式中 β ″ 为煤层上山方向岩石裂缝角 , . 图6 断层保护煤柱留设尺寸计算示意 Fig. 6Size of safety pillar in the case of the fault 煤柱单侧屈服层宽度计算公式为 Y101005M H1,6 式中Y1为煤柱单侧屈服层宽度,m; H1为断层下 盘与煤层交界线处平均开采最低标高处的采深, m. 确定断层位置的地质测量误差m ,一般取 5 m.综上所述,保护断层留设煤柱总尺寸l同为 L同 l同 Y25.7 根据以上计算公式.对F32和FB53断层保护煤 柱留设尺寸进行了计算,其中, γ ″ 80; β ″ 68; ′65; α ′ 17; M 4146 m; H2274 m ;H1 404 m.则F32和FB53断层保护煤柱留设尺寸分 别为68和101 m. 另外,成分测试结果表明,断层两盘岩石的黏 土矿物含量都极高,最少的含量达到4917 ,最高 的达到7116 ,且黏土矿物中主要以具有强膨胀 性的伊/蒙混层矿物为主,说明该岩层遇水后会发 生强烈膨胀,体积增大,堵塞水力联系的通道.综合 上述两方面原因认为,六合公司煤层开采过程中发 生断层导水的可能性极小. 根据多年资料,绘制出库区1991～2001年最 高蓄水位与六合公司矿井最大涌水量的关系曲线, 见图7 ,可以看出,二者之间没有必然的联系. 图7 岳城水库历年最高蓄水位与六合公司矿井 涌水量之间的关系 Fig. 7Relationship of the highest impounded level of Yuecheng Resevoir in post years and water inflow of mine of Liuhe Company 本区地貌形态为剥蚀的丘陵地形,比较平坦, 又没有发育顺河谷方向的断层,因此,煤层开采引 发的地表移动不会造成库岸发生滑坡、 坍塌等次生 地质灾害. 4对库区渗流场、 大坝安全及环境的影响 为研究煤层开采对岳城水库大坝和坝基的渗 流影响,考虑在上游建立一安全限,当开采破坏边 界在此限以远的区域,对大坝的渗流控制基本无影 响,当超越了该限就会对大坝的渗流控制有明显影 响.通过控制大坝和坝基的安全限来控制开采对地 表造成的影响深度和远度,再结合应力、 应变分析 来研究开采造成对大坝和坝基渗流方面的影响. 岳城水库大坝位置距煤矿开采区域较远,考虑 到未知因素可能使开采影响范围扩大,设定不同的 开采沉陷影响范围分别计算对坝体坝基渗流的影 响,具体计算工况见表1 ,其中A4工况考虑到开采 后,变形范围向坝体推进到大坝坝基的防渗设施的 前沿.计算软件采用3D2FLOW. 各方案计算结果见表1.由此可知,A1工况与 A0相比,采动影响范围扩大了014 km 采动影响 范围距主坝坝轴线116 km ,渗透流量几乎没有变 化;A2工况与A1相比,采动影响范围又扩大了 016 km采动影响范围距主坝坝轴线1 km ,渗透 流量增大了01001 m3/ s;A3工况与A2相比,开采 影响向坝体方向再推进015 km采动影响范围距 主坝坝轴线015 km ,渗透流量又增大了01001 627 第6期 武 雄等大型水库库区下压煤开采对其安全影响评价 m3/ s ;A4工况与A3相比,开采影响向坝体方向再 推进013 km 采动影响范围距主坝坝轴线012 km ,渗透流量增大01002 m3/ s. 表1 六合公司渗流计算各种工况 Table 1Parameters of seepage property of various calculation cases for sandstone 工况 上游水位/ m 下游水位/ m 采动影响范围距 主坝坝轴线距离/ km 区域流量/ m 3 s- 1 A0145105201683 A114510511601683 A2145105101684 A314510501501685 A414510501201687 各工况总起来看,只要开采影响范围距离岳城 水库大坝2 km ,开采影响不会对大坝和坝基的渗 透性变化产生影响;同时,也不会对坝肩的渗透性 产生影响.而煤层开采引发的地表移动影响范围距 离大坝约5 km ,远远大于2 km的界限.煤层开采 不会对库区渗流及大坝安全造成影响. 另外,在计算中为偏于安全起见,假设扰动影 响区地层渗透系数增大100倍,而实际上仅在局部 区域渗透系数增大.还有,在本次计算中没有考虑 最近岳城水库副坝进行加固增设防渗墙的情况,增 设的防渗墙将大大改善副坝的防渗作用,提高副坝 的安全性[8]. 5采矿安全防治技术措施 在上述研究的基础上,本文提出在岳城水库库 区下进行煤炭开采的5条安全防治技术措施 1 留设顶板防水安全煤岩柱 ;2 在构造复杂地段 坚持超前钻探与防护 ;3 对大断层留设集保护煤 柱 ;4 开展地表移动、 覆岩破坏、 矿井涌水量及水 质分析工作 ;5 加强采掘技术管理. 6结论 1 采用煤炭系统常用的概率积分法和数值模 拟相互印证的方法预测了六合公司库区下压煤引 发的地表移动规律,结果表明,压煤开采引发的地 面塌陷范围最大为1117 km ,距离大坝约5 km ,不 会影响大坝的安全运行. 2 用工程类比、 经验公式、 水质分析、 现场实 测和数值模拟相结合的方法确定采场上覆 “两带” 的最大发育高度为85 m ,防水安全煤岩柱高度 留设合理,压煤开采不会引发岳城水库库区渗漏. 3 用数值模拟方法预测到压煤开采对库区渗 流场变化影响很小,不会对大坝安全造成影响. 4 上述研究成果于2005年11月通过专家鉴 定,并于2006年1月得到水利部海河水利委员会 对六合公司恢复正常生产的批复. 参考文献 [1] 王恩营.小浪底水库蓄水后对煤炭资源开发的影响 [J ].中国矿业, 2002 , 113 40242. WANG En2ying.Influence of Xiaolangdi Reservior water storage on mining activity of adjacent coal mine [J ]. China Mining Magazine , 2002 , 113 40242. [2] 鲁孟胜,孔凡顺,庄学厚.山东西南部南四湖流域环 境地质综合调查[J ].中国地质, 2003 , 30 4 4242 428. LU Meng2sheng , KONG Fan2shun , ZHUANG Xue2 hou. Comprehensive environmental2geological survy of Nansi Lake drainage area , southwestern Shandong [J ]. Geology in China , 2003 , 304 4242428. [3] 武雄,杨健,段庆伟,等.煤层开采对岳城水库 安全运行的影响[J ].水利学报, 20049 1002104. WU Xiong , YANGJian ,DUAN Qing2wei ,et al. Im2 pact of coal mining on safety of reservoir[J ]. Shuili Xuebao , 20049 1002104. [4] 国家煤炭工业局.建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规程[S].煤炭工业出版社,2000. [5] 景继东,施龙青,李子林,等.华丰煤矿顶板突水机 理研究[J ].中国矿业大学学报, 2006 , 35 5 6422 647. J INGJi2dong , Shi Long2qing , Li Zi2lin , et al. Mech2 anism of water2inrush from roof in Huafeng Mine [J ]. Journal of China University of Mining Tech2 nology , 2006 , 355 6422647. [6] 施龙青,韩进.开采煤层底板 “四带” 划分理论与 实践[J ].中国矿业大学学报, 2005 ,34 1 16223. SHI Long2qing , HAN Jin. Theory and practice of di2 viding coal mining area floor into four2zone [J ]. Jour2 nal of China University of Mining Technology , 2005 ,34 1 16223. [7] SHI Long2qing , SINGH R N. Study of mine water inrush from floor strata through faults[J ]. Mine Wa2 ter and the Environment , 2001 , 120 3 1402147. [8] 李培基.岳城水库大副坝防渗墙设计[J ].水利水电 工程设计, 2001 , 202 429. LI Pei2ji. Design of diaphragm wall for the Yuecheng Reservoir Dafuba auxiliary dam[J ]. Design of Water Resources and Hydroelectric Engineering , 2001 , 20 2 429. 责任编辑王继红 727