浅埋厚煤层开采地表变形动态预测与排水设计.pdf

第 37 卷 增刊 2煤 炭 学 报Vol. 37 Supp. 2 2012 年10 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct. 2012 文章编号0253-99932012S2-0301-06 浅埋厚煤层开采地表变形动态预测与排水设计 张顺峰1,胡瑞林1,武 雄2 1． 中国科学院 地质与地球物理研究所 中国科学院工程地质力学重点实验室,北京 100029;2． 中国地质大学北京 水资源与环境工程北京 市重点实验室,北京 100083 摘 要以山西平朔井东矿浅埋厚煤层 4201,4301,4302,4303 及 4401 工作面开采为例,运用 FLAC3D数值模拟软件对各工作面依次开采后的地表沉降量、沉陷影响半径及导水断裂带发育高度 进行了动态预测,得出各工作面最大沉降量为 6． 4 10． 3 m,沉陷影响半径为 80． 5 106． 6 m,垮落 带与导水断裂带最大发育高度为 140． 5 m。 在此基础上,结合矿区地形地貌特征,进行了地表动态 填挖与截水排水设计,有效预防了地表径流汇聚于沉陷洼地,再经由断裂带进入矿井造成的矿坑突 水灾害,并为后期矿山环境修复治理提供依据。 关键词浅埋厚煤层;地表变形;动态预测;排水设计;FLAC3D;导水断裂带 中图分类号TD823． 25;TD325． 2 文献标志码A 收稿日期2011-11-24 责任编辑韩晋平 基金项目国家自然科学基金资助项目41072226 作者简介张顺峰1983,男,陕西富平人,博士。 Tel010-82998610,E-mailzsfcugb126． com Dynamic prediction of ground deation and drainage design for shallow thick coal seam mining ZHANG Shun-feng1,HU Rui-lin1,WU Xiong2 1． Key Laboratory of Engineering Geomechanics,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;2． Beijing Key La- boratory of Water Resources and Environment Engineering,China University of Geosciences Beijing,Beijing 100083,China AbstractTook the shallow thick coal seam 4201,4301,4302,4303 and 4401 workfaces of Jingdong mine area in Pingshuo for example,predicted the range of ground subsidence,settlement and the height of water flowing fracture zone dynamically after workface mining with the FLAC3Dnumerical modeling software. The calculation results are that the maximum settlement is 6． 4-10． 3 m,the average radium of ground subsidence is 80． 5-106． 6 m and the maximum height of the two zones is 140． 5 m. On the basis of the results above and combined with geomorphic characteristics of the mine area,come out the surface dynamical fill-cut and drainage design. It can effectively prevent water bursting disaster caused by the surface runoff which influxes to the subsidence area and then flows to roadway through fractured zone. It also can provide data for ecological environment restoration of the coal mine. Key wordsshallow thick coal seam;ground deation;dynamical prediction;drainage design;FLAC3D;water flow- ing fracture zone 煤炭作为我国第一能源,约占全国一次性能源消 费的 75,在国民经济中具有重要的战略地位[1]。 在业已开发建设的神东、华亭、灵武、黄陵等矿区,分 布着大面积的浅埋厚煤层。 近几十年来,国内外学者 对煤层覆岩破坏机理及模式进行了大量的研究,提出 了一些新的理论,对矿井的安全生产具有重要的指导 意义[2-3],尤其是浅埋厚煤层,其开采往往会造成严 重的覆岩破坏和地表塌陷,因此是该领域研究的热 点。 黄庆享[4]对浅埋厚煤层进行了定义,认为浅埋 煤层埋深不超过 150 m,基载比小于 1,且其顶板为单 一主关键层结构,浅埋煤层顶板破断特征表现为切落 式破断和台阶式下沉。 王金安[5]、张文军[6]、彭文 庆[7]、杜善周[8]等对浅埋煤层开采地表塌陷机理及 覆岩移动规律的研究表明,浅埋煤层开采往往会造成 严重的覆岩破坏和地表塌陷,形成贯通裂隙和地裂 缝。 当遇到强降雨时,地表径流就会汇聚于塌陷坑或 网络出版时间2012-12-10 1454 网络出版地址 煤 炭 学 报 2012 年第 37 卷 通过导水断裂带进入矿井,易造成矿井漏风、溃砂和 突水[9],还会对矿区水资源及生态环境造成严重破 坏[10],需对其“内外兼治”。 本文以平朔井东矿4201, 4301,4302,4303,4401 工作面开采为例,对其开采引 发的地表沉陷范围、沉降量及导水断裂带发育高度进 行了动态预测。 最后结合水文地质分析及矿区地形 地貌特征,制定适宜填挖及地表水截排措施,保障矿 山安全生产,并为矿区生态环境修复提供参考。 1 矿区概况 研究区所在矿区属于山西高原平朔台地之低山 丘陵,为第四系黄土覆盖,形成梁垣卯等黄土高原地 貌景观,沟壑纵横,植被稀少。 区内地形地势东南部 高西北部低。 井东矿区 4201,4301,4302,4303 及 4401 工作面位于矿区南部及东部,矿区中北部及西 部为已有采空区,如图 1 所示,地表已有 5 处面积较 大塌陷坑和多条地表裂缝。 图 1 矿区工作面位置 Fig． 1 Face position of mining area 矿区含煤地层为石炭系上统太原组,连续沉积于 本溪组地层之上。 由 K2 砂岩底至 4 号煤层顶板泥 岩,主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩、灰质泥岩、泥灰岩和 4 6 层煤组成。 其中 4 号、9 号、11 号煤层为稳定可 采煤层,6 号煤层为绝大部分可采的较为稳定煤层,8 号、10 号煤层为零星可采或局部可采的不稳定煤层。 8 号和 9 号煤层之间以砂质泥岩和泥岩为主,局部发 育灰色及浅灰色中细粒砂岩。 泥岩以 9 号、10 号煤 层之间的黑色泥岩或砂质泥岩发育较好,层位稳定。 11 号煤层顶板泥灰岩呈暗灰色,含大量分散状黄铁 矿颗粒。 底部的 K2 砂岩发育较好,为白色中细粒石 英砂岩,石英含量 90左右,长石 9左右,以钾长石 为主,胶结物多为硅质。 太原组地层,最大厚度为 108． 47 m,最小厚度为 83． 20 m,平均 96． 48 m。 与下 伏本溪组整合接触。 本次开采煤层为 4 号煤层,平均 厚度约 11． 41 m,顶板平均埋深约 150 m。 矿区构造形态基本为北西向的一个向斜和一个 背斜组成,地层走向大致为北西南东向,地层倾角 一般 3 5。 矿区内地表水主要来源于大气降水,基本可沿地 势自然下流向西北方向,无常年地表水体。 但由于采 空形成塌陷坑,会造成雨水汇集。 2 计算模型及参数 2． 1 模型的建立及边界条件 FLAC3D是基于有限差分原理研制推出的显式有 限差分程序,能有效模拟随时间演化的非线性系统的 大变形力学过程,可以模拟采矿过程中地表塌陷的形 成过程,模拟导水断裂带发育规律且计算结果较为可 靠,为实际工程提供了可以借鉴的理论基础[11-12]。 目前,基于各种图形软件平台的 FLAC3D复杂三 维模型建立的方法很多[13-14],文中模型的建立采用 了无缝建模系统 Rockmodel[15-16]。 这是一种基 于模型线框架的无缝工程地质建模方法,该系统包括 3 个部分原始数据转换工具、实体建模工具与辅助 工具,涉及剖分、插值、曲面求交等 8 个基本功能模 块。 在基本功能模块的基础上,提出并实现了形态复 杂曲面的创建、构建模型线框架、界面编辑与重构、 块体搜索、岩体质量三维分级等关键技术。 模型的地层组成为第四系、二叠系下石盒子组 与山西组、石炭系太原组与本溪组、奥陶系等。 其中 太原组被划分成 8 层4 号煤顶部与山西组底界之间 分为 1 层,4 号煤为 1 层,4 号煤与本溪组顶界分为 6 层。 4201 工作面东西向长 415 m,南北向宽 143 m; 4301 工作面为不规则图形,东西向最长为 894 m,南 北向宽最大为 200 m;4401 工作面南北向长 728 m, 东西向宽 240 m,4302 工作面东西向长 507 m,南北 向宽 200 m;4303 工作面东西向长1 197 m,南北向宽 193 m。 4 号煤层平均埋深约 150 m。 计算的加密区 范围确定如下以 4303 工作面西部边界向西延伸 150 m 为加密区的西部边界,以 4301 工作面东部边 界向东延伸150 m 为加密区的东部边界,以已有采空 区的北部边界向北延伸150 m 为加密区的北部边界, 以 4303 工作面的南部边界向南延伸 150 m 为南部边 界。 为了保证模拟计算的准确性,需要在加密区的基 础上向各个方向延伸,得到模型范围。 以加密区西部 边界向西延伸850 m 作为模型的西部边界,以加密区 东部边界向东延伸850 m 作为模型的东部边界,以加 密区的北部边界向北延伸 850 m 作为模型的北部边 界,以加密区的南部边界向南延伸850 m 作为模型南 203 增刊 2张顺峰等浅埋厚煤层开采地表变形动态预测与排水设计 部边界,沿深度方向由煤层最大埋深向下延伸 130 m 为底部计算边界。 模型宽度方向为东西向,即 X 轴 方向;长度方向南北向,即 Y 轴方向;高度方向为煤 层埋深方向,即 Z 轴方向。 利用 Rockmodel 建模与剖 分将模型剖分成三棱柱网格,共计 575 796 个单元, 319 719 个节点。 如图 2 所示。 图 2 矿区三维地质模型 Fig． 2 3D geology model of mining area 计算边界为位移约束边界条件,X 轴方向和 Y 轴 方向为法向位移约束,Z 轴方向底部为全约束,模型 中的重力加速度取值为 9． 80 m/ s2。 2． 2 计算参数的选取 根据所收集平朔地区大量的实验资料,采用室内 试验结果和工程类比相结合的方法对计算参数进行 确定,具体见表 1。 表 1 矿区岩层物理力学计算参数 Table 1 Strata physical and mechanical parameters of mining area 岩层 名称 弹性模量 E/ MPa 泊松比 μ 容重 γ/ kNm -3 内摩擦 角 φ/ 黏聚力 C/ MPa O213 5500． 312 700421． 200 C2b7 5700． 312 650351． 000 C3t7 5700． 312 650300． 325 P1s 7 1200． 322 600321． 020 P1x7 1200． 322 600321． 020 Q235000． 361 500200． 020 煤层1 9300． 362 350250． 100 3 计算结果及分析 根据矿山开采实际情况,将 4201,4301,4401, 4302 及 4303 工作面的开采分成 5 步。 每个工作面 都采用一次采完的办法,依次从 4201 开采至 4303 采 煤结束。 3． 1 地表变形计算结果 为简便起见,文中只列出第 1 步 4201 工作面和 第5 步4303 工作面开采后地表 Z 方向位移云图与地 表沉降等值线图,如图 3,4 所示。 综合各步计算结果,得到了 5 个计算步骤的地表 图 3 4201 工作面开采计算结果 Fig． 3 Caculation results of 4201 working face 图 4 4303 工作面开采计算结果 Fig． 4 Caculation results of 4303 working face 303 煤 炭 学 报 2012 年第 37 卷 最大沉降量和平均影响半径,见表 2。 表 2 计算结果统计 Table 2 Statistics table of calculation results 开挖步骤工作面 工作面尺 寸/ mm 最大沉 降量/ m 平均影响 半径/ m 142014151436． 4180． 5 243018942009． 7387． 1 344012407289． 7197． 5 443025072009． 53102． 0 543031 19719310． 30106． 6 3． 2 “两带”发育高度计算结果 煤层采出后,在采空区周围岩体发生了较为复杂 的移动和变形,移动稳定后的上覆岩层按其破坏的程 度,大致分为 3 个不同的开采影响带,即垮落带、断 裂带和弯曲带。 垮落带是指工作面回采后引起的煤层上覆岩体 完全垮落的那部分岩层。 垮落带以上是断裂带,断裂 带是采空区上覆岩层中产生裂隙、离层及断裂,但仍 能保持层状结构的那部分岩层。 垮落带和断裂带在 岩层与地表移动学科中称为“两带”,在解决水体下 采煤时,称两带为导水断裂带。 两带之间没有明显界 限,均属于破坏性影响区。 图 5 为 4201,4301,4401,4302,4303 工作面 5 个 不同开采阶段的东西方向应变增量剖面。 研究区煤 层开采后,上覆岩体普遍发育有一个由彩色组成的大 应变带,在该剪切带四周全部为蓝色,为极小应变区。 根据“两带”的概念和特征可知,煤层上方普遍发育 的彩色大应变带就是“两带”的发育范围,其最大发 育高度 140． 5 m。 图 5 不同开采阶段的东西方向应变增量剖面 Fig． 5 Strain increment profile in E-W direction in different mining stage 3． 3 地表水渗漏危险性分析 1区内地形地势东南部高西北部低,最大相对 高差为 147． 2 m。 开采工作面位于研究区南部及东 部,北部及西部为已有采空区,地表存在很多明显未 处理凹陷区,且面积较大。 根据地表变形计算结果, 可绘制出开采完后的矿区地形图,与开采前地形图对 比可知4301,4401,4302 工作面开采后总体地形依 然为东南部高西北部低,采动影响范围内基本保持东 高西低,坡度较缓,能够保持水流通畅,不会出现积水 区;4201 工作面开采后中部地势低于其北侧及南侧 地势,地表水容易汇集在地势较低处,沿裂隙灌入矿 井;4303 工作面开采后中部和东部有两处范围较大 塌陷坑,易造成地表水流不畅,沿裂隙灌入矿井。 2 4 号煤层埋藏深度不一,顶板埋深平均为 150 m。 根据“两带”发育高度计算结果,绘制导水断 裂带分布特征图图 6a,与 4 号煤顶板埋深等值 线图 6b对比可知在工作面范围内,导水断裂 带将沟通第四系含水层,因而地表水可以通过导水断 裂带渗入矿井,对矿井安全生产造成危害。 4 地表防排水设计 4． 1 地表水截排措施 根据以上计算和分析结果,制定了动态的地表水 防排措施,如图 7 所示。 1开采前,将矿区东南部排土场地势较高处的 土推至东侧及南侧,就近取土适时填筑已有凹陷区, 避免积水;在排土场上由北向西修筑一条排水沟,截 住排土场顶部来水,以免汇入北、西侧工作面;在 4201 工作面周围修筑一条截排水沟,尽可能避免流 水汇入工作面;沿原采空区东、南侧外围修筑一条截 排水沟,避免流水汇入原采空区内,造成水患。 2开采 4301 工作面时,将东部挖方区范围内 的土推至西部预测地势低洼填方区内。 3开采 4401 工作面时,将工作面东西两侧挖 方区范围内的土推至中间预测地势低洼填方区内。 4开采 4303 工作面时,就近取土适时填筑预 测凹陷区。 403 增刊 2张顺峰等浅埋厚煤层开采地表变形动态预测与排水设计 图 6 4 号煤顶板埋深与导水断裂带高度 Fig． 6 No． 4 roof depth and the depth of water flowing fractured zone 图 7 矿区地表排水设计 Fig． 7 Ground drainage design of coal area 4． 2 截排水沟工程设计 设置截排水沟的目的是为了拦截上游来水,截排 水沟的位置设置的要求① 应尽可能设置在采动影 响范围之外;② 应尽可能地拦截更多的汇水,避免流 入工作面或采空区内;③ 排水沟要有一定的坡度,保 证水流畅通。 排水沟断面按照排水量进行设计。 矿区所在区 域的年平均降水量 426． 7 mm,多集中在 7 9 月,占 全年降水量的 75 90。 为了保证安全,按照极 端情况进行设计,即一天降雨量为 100 mm。 地面径 流系数为 0． 8,水流速度为 2 m/ s。 排 1 排水沟沟长1 806 m,排2 沟长1 188 m,排3 沟长2 146 m,排水沟均为永久性排水沟,修筑在工作 面采动影响区之外。 1排 1 的断面设计。 排 1 汇集了东南侧排土 场顶部汇水,汇水面积为 174 840 m2,一天汇水量为 13 987． 2 m3,据此设计排 1 截面积 0． 27 m2,断面设 计为梯形高 0． 4 m,下底宽 0． 45 m,上底宽 0． 9 m。 2排2 的断面设计。 排2 截水沟修筑在4201 工 作面周围,要求能排泄汇集于 4201 周围的全部汇水, 汇水面积为323 008 m2,一天汇水量 25 840． 64 m3,据 此设计排2 截水沟截面积 0． 437 5 m2,断面设计为梯 形高0． 5 m,下底宽0． 5 m,上底宽1． 25 m。 3排 3 的断面设计。 排 3 要求能排泄汇集于 原采空区东南侧至排 1 区域的全部汇水,汇水面积为 644 640 m2,一天汇水量为 51 571． 2 m3,据此设计排 3 截水沟截面积1． 04 m2,断面设计为梯形高0． 8 m, 下底宽 0． 8 m,上底宽 1． 8 m。 5 结 论 1井东矿煤层厚,埋藏浅,开采后上覆岩体破 坏大,文中采用 FLAC3D软件对其开采后的地表沉降 范围、沉降量及导水断裂带高度进行了计算,得出各 工作面沉降量为 6． 41 10． 30 m,导水断裂带最大发 育高度为 140． 5 m。 2根据地表变形计算结果和导水断裂带分布 特征图,地表降水易汇集于塌陷坑,沿裂隙或导水断 裂带进入矿井,威胁生产安全。 3依据计算分析结果,制定了动态的地表防排 水措施,为矿山安全生产提供保障。 参考文献 [1] 魏 同. 中国煤炭工业可持续发展的系统分析[J]. 中国煤炭经 济学院学报,199613-10. 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