煤层开采对顶板含水层的破坏机理及影响研究.pdf

煤炭与化工 Co al an d Ch emical In dust ry 第43卷第9期 2020年9月 Vo l .43 No .9 Sept . 2020 地测与水害防治 煤层开采对顶板含水层的破坏机理及影响研究 宫萍萍1,吴涛2 （1.中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸056004 ； 2.中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘査院，河北邯郸056004） 摘要为了研究霍州矿区煤层开采对顶板含水层破坏机理，采用F-RFPA如软件建立数值模 型，对开采过程中煤层顶板的破坏过程进行动态模拟。经模拟分析认为，工作面回采过程中， 首先在切眼和煤壁支撑处应力集中现象比较明显，随着工作面进一步推进，应力开始逐步向 四周扩展，直接顶板随采垮落，基本顶岩层结构发生变化，上覆断裂、离层的岩块在自重和 开采扰动的综合影响下，部分产生了闭合，甚至部分地段影响到了地表。煤层开采后形成导 水裂缝带对顶板含水层结构造成了破坏，产生了地下水位下降、泉水干枯等环境负效应。 关键词数值模拟；顶板含水层；破坏机理；影响分析 中图分类号P641 文献标识码A 文章编号2095-5979 （ 2020 ） 09-0062-04 Study on the damage mechanism and effect of coal seam mining on the roof aquifer Go n g Pin gpin g1, Wu Tao2 1. Hydrogeological Bureau, CNACG, Handan 056000, China; 2. Hydrogeology Engineering Geological Environment Geology Prospecting Institute, CNA CG, Handan 056004, China Abst ract In o rder t o st udy t h e dest ruct io n mech an ism o f t h e t o p pl at e aquif er by co al seam min in g in Huo zh o u Min e, a n umerical mo del was est abl ish ed by FRFPA20 so f t ware t o dyn amical l y simul at e t h e dest ruct io n pro cess o f t h e t o p pl at e o f t h e co al seam durin g min in g. Af t er simul at io n an al ysis, it sh o wed t h at t h e st ress co n cen t rat io n ph en o men o n was o bvio us at t h e cut t in g eye an d co al wal l suppo rt in t h e pro cess o f wo rk in g f ace min in g, an d wit h t h e f urt h er advan cemen t o f t h e wo rk in g f ace, t h e st ress st art ed t o gradual l y ex pan d t o t h e surro un din g area, t h e direct t o p pl at e co l l apsed wit h min in g, t h e basic t o p ro ck st ruct ure ch an ged, an d t h e o verl yin g f ract ure an d separat ed ro ck bl o ck s part l y cl o sed un der t h e co mbin ed in f l uen ce o f sel f -weigh t an d min in g dist urban ce, an d even so me sect io n s af iect ed t h e surf ace. Th e f o n n at io n o f wat er-co n duct in g f ract ure zo n es af t er co al seam min in g caused damage t o t h e st ruct ure o f t h e t o p pl at e aquif er, resul t in g in n egat ive en viro n men t al ef iect s such as t h e decl in e o f t h e wat er l evel an d t h e dryin g up o f sprin gs. Key wo rds n umerical simul at io n ; ro o f aquif er; damage mech an ism; in f l uen ce an al ysis 1概 况 霍州矿区位于山西省霍西煤田的中部，矿区面 积约843.22 k m2,现有生产矿井7座。这些矿井主 要开采1、2、10、11号煤层。煤层的开采引起了 地应力的重新分布，稳定的岩体遭到破坏。煤层开 采后，在影响范围之内的地质体对煤层开采所引起 的不平衡引发回应，必然造成顶板和岩体发生破坏 与移动，直接破坏了顶板的含水层结构，从而形成 地下水流动的通道，并通过这些通道涌入矿井。霍 州矿区地貌特征以低山-丘陵为主，地下水资源匮 乏，随着煤矿的开采，已经出现了地下水位下降、 泉水枯竭的环境负效应。 针对煤层开采对地下含水层的破坏，我国学者 责任编辑张彤 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.09.016 基金项目中国地质调查局地质调査基金资助项目（DD20160296） 作者简介官萍萍（1983）,女，山东威海人，高级工程师。 引用格式宫萍萍，吴涛.煤层开采对顶板含水层的破坏机理及影响研究[J].煤炭与化工，2020 , 43（9） 62-65. 62 宫萍萍等煤层开采对顶板含水层的破坏机輙影响研究2020年第9期 及工作人员也做了大量研究。方向清等切对华北型 煤田下组煤的突水模式及特征进行了研究，归纳了 下组煤奥灰突水的5种模式，主要研究煤层底板含 水层；李七明等阿根据煤矿所处岩溶水系统的位置 关系、地下水类型等，对华北型煤田开采对含水层 的破坏类型和模式进行了研究；王新丰等冋从岩石 力学特征、采场应力变化等角度分析了采动应力与 开采进度的演变关系。由于华北型煤田主要受底板 岩溶水威胁，以往研究多偏重底板含水层，对顶板 含水层破坏研究的较少。而我国煤矿区多是富煤贫 水的状况，尤其中西部煤矿区浅层地下水资源匮 乏，且更容易遭到破坏。研究煤层开采对顶板含水 层的破坏机理，对含水层保护做到有的放矢，对贫 水煤矿区的经济发展和生态保护至关重要。 2煤层与顶板含层的叠置关系 霍州矿区内上组煤1号、2号煤层顶板主要含 水层由上往下依次为第四系孔隙含水层、二叠系砂 岩裂隙含水层。下组煤10号、11号煤层顶板主要 含水层主要为太原组灰岩裂隙含水层。煤层与顶板 含水层为上下叠置关系。 1第四系孔隙含水层。主要分布在汾河河 谷及其较为宽展、开阔的支流河谷的中下游地段， 其次是低山丘陵区的黄土塀、梁地区。含水层主要 以第四系全新统冲洪积砂砾卵石层为主，其次是上 更新统砂及砂砾石层。因受地形、岩性及含水层厚 度的制约，富水性不均一，河谷中下游地段富水性 较强，河谷上游富水性较弱。 2 二叠系砂岩裂隙含水层。从地层组合结 构看，二叠系为砂岩与泥质岩互层结构，这种地层 组合结构，不利于垂向上的入渗补给，加之砂岩、 泥岩难溶成分含量高，并且裂隙开启程度较差，地 下水交替缓慢。根据圣佛、回坡底、曹村、辛置、 白龙、团柏、李雅庄矿等矿井抽水试验资料， Pi*P”砂岩单位涌水量一般为0.000 47-0.021 L/s-m, 富水性弱。 3 石炭系太原组灰岩裂隙含水层。从地层 组合结构看，地层由泥岩、砂岩、砂质泥岩、炭 质泥岩及灰岩等组成。其中，含水层是以其二段 Cat2所夹几层瓦、Ks、K2石灰岩为主。三层 灰岩中，以灰岩厚度最大，发育稳定，富水性 相对较强。在2、K3、心石灰岩之间所夹的地 层，岩性主要为泥质岩及粉砂岩，一般视为相对 隔水层。太原组灰岩含水层富水性弱一中等，单 位涌水量一般为0.05 0.60 I7s・m,渗透系数一般 为 1.05.0m/do 3煤层开采对顶板含水层的破坏过程 为研究顶板含水层在煤层开采工作面推进过程 中的破坏机理，采用F-RFPA20软件，以霍州矿区 回坡底煤矿回采工作面的开采为例，建立数值模 型，对顶板含水层在煤层开采过程中，不同阶段的 破坏特征进行研究O 3.1建立数值模型 回坡底煤矿的东一采区10-102工作面，该工 作面走向长1 200 m,倾向长140 m,煤层倾角 2 6 ,平均4。，煤厚1.67 2.88 m,平均厚 度2.77 m0开采方法为走向长壁综采，垮落式， 步距40 mo 根据回坡底煤矿的地质、水文地质特征，简化 的数学模型长度为250 m,高为200 m,对物理性 质相近的岩层概化为单一岩层。设置好地质模型的 边界条件，通过开挖来模拟采动对顶板的影响，第 _步为自重计算过程，第二步开始开挖，开挖方向 是沿着工作面的推进方向进行，开挖步距设为6 m,累计开挖长度为120 m,开挖时左边留25 m宽 的煤柱。在模拟过程中，采用摩尔-库仑准则作为 破坏的判别准则。岩石力学参数见表1,力学模型 如图1所示。 松散层等效载荷5.0MPa r ”-------------------覆岩------------------------； I-. 图1数值模拟力学模型示意图 Fig. 1 Mech an ical mo del o f n umerical simul at io n 3.2顶板破坏过程分析 3.2.1 直接顶垮落 初次开挖时，由于开采步距小，原岩应力基本 没有受到干扰，只在煤壁的前方和后方很小的范围 内出现了应力集中现象。当工作面推进到12 m时, 原岩应力受到扰动较大，造成围岩应力重新分布, 在切眼和前方支撑煤壁处出现应力集中现象比较明 显，采空区顶板应力分布形成了一个“压力拱”， 拱的支撑点分别在工作面前、后方的煤体内。随着 63 2020年第9期 煤炭与化工 第43卷 岩层的进一步破坏，直接顶由于岩性较弱，岩梁悬 露面积达到一定跨度，在重力作用下弯曲、开裂、 离层。顶板岩梁随着破坏出现首次垮落，垮落高度 达2 m,可以判断出直接顶在步距约为12 m左右 初次垮落，说明在悬空距离达到一定跨度时，直接 顶会产生垮落。图2中的灰度是反映模型上应力分 布情况，灰度越亮表示应力越大，灰度越暗表示应 力越小。 表1岩石力学性质参数 Tabl e 1 Mech an ical pro pert y paramet ers o f ro ck 岩性描述 埋藏深度/m岩层厚度/m弹性模量/MPa抗压强度/MPa 摩擦角/ （。）泊松比 容重 / k g*m-3 覆盖层 200202 2003.2300.2525 000 粉砂岩 260604 57035.4350.212 650 中粒砂岩 290306 58039.638.50.212 630 粉砂岩 313234 57126.736.00.201973 泥岩 31526 00047.136.00.222 048 10号煤31833 95026.527.00.241420 粉砂岩 32133 54032.035.00.242 710 石灰岩 32826 12551.338.40.212 710 粉砂岩 33133 51029.036.00.252 700 铝质泥岩 33216 70051.3320.212 710 图2直接顶板破坏过程 Fig. 2 Fail ure pro cess o f direct ro o f 3.2.2 基本顶初次来压 随着工作面的进一步推进，直接顶随着开采而 垮落。采空区上方形成的“压力拱”的高度越来越 高，前方煤壁承受的压力也变得越来越大。当工作 面推进到24 m时，在开切眼侧的基本顶岩层下部 随着时空的变化产生了破坏。在塑性变形和破坏的 岩体周边，产生了一个“压力拱”，拱的一个支撑 点在工作面前方煤体内，另一个支撑点落在开切眼 侧的煤体内，在前、后拱角之间，无论顶、底板都 形成了一个减压区，如图3所示。 图3基本顶初次来压破坏过程 Fig. 3 Fail ure pro cess o f main ro o f un der in it ial pressure 当工作面推进到36 m时，基本顶悬露跨度进 一步加大，承受的荷载超出了它的抗拉强度，压力 拱内的基本顶岩层开始发生断裂、离层。导致工作 面前方压力增大，这时候出现了基本顶的初次来 压。因此，根据数值模拟分析结果，判断基本顶初 次断裂步距为36 m。 3.2.3 基本顶周期来压 基本顶初次来压之后，裂隙带岩层由原来完 整状态进入断裂状态。裂隙带岩层结构的断裂又 引起了顶板来压，这种顶板来压将随工作面的连 续推进呈现出周期性，即顶板周期性来压。当工 作面推进到78 m时，上覆岩层结构发生了很大的 变化，上覆的岩块在自重和开采扰动的综合影响 下，部分产生了闭合，如图4所示。覆岩破坏已 经发育到了地表。 图4顶板破坏演化过程 Fig. 4 Evo l ut io n pro cess o f ro o f f ail ure 4煤层开采对顶板含水层的影响 煤层开采对含水层结构的影响主要体现在开采 过程中造成含水层结构发生改变，破坏了含水层底 64 宫萍萍等煤层开采对顶板含水层的破坏机輙影响研究2020年第9 9期 板隔水性能，改变了含水介质等。煤层开采产生的 裂隙带，使裂隙带波及到的含水层结构产生破坏， 造成地下水漏失，地下水位下降等负效应。 霍州矿区属于华北型煤田，工作区主要开采 石炭-二叠系煤层，煤层顶板主要含水层为松散 岩类孔隙含水层和砂岩裂隙含水层。开采形成的 导水裂缝带能够导通煤层顶板直接充水含水层， 破坏含水层的结构。全矿区采煤水平投影面积为 39.3 k m2,采煤沉陷面积为81.9 k m2,地表最大下 沉值达5.84 m0在沉陷区内，由于采煤沉陷共导 致30多个村庄水源井枯竭，严重影响了矿区人民 的正常生活。 4.1第四系孔隙含水层的影响 在霍州矿区西部，由于煤层埋藏浅，受小煤矿 开采的影响，导水裂隙带发育至地表，引起地表塌 陷及地表建筑物的不均匀沉降等，形成地裂缝、塌 陷坑、房屋倾斜、裂缝等。由于采矿形成采空塌陷 区，一方面导致居民安全受到严重危险，另一方面 导致含水层受到破坏，周边浅层地下水水井干枯, 当地居民吃水严重困难，许多村庄出现整体或部分 搬迁现象。 4.2对二叠系砂岩裂隙含水层结构影响 据不完全统计，因矿井的长期疏干排水，以 及导水裂隙带发育影响等，对含水层影响破坏主 要表现在采区及周边水位降落漏斗范围内，尤其 是煤层顶板直接充水含水层，因采掘所形成的导 水裂缝带范围内裂隙水含水层水位下降、水量衰 减乃至被疏干等问题。在浅埋地段对裂隙含水层 的影响与破坏，一是矿区周围裂隙含水层水位大 幅度下降，基本呈疏干状态；二是水井干涸，泉 水断流。与此同时，加剧了水资源短缺，引起矿 区人畜吃水困难，严重影响了矿区居民的生产及 生活。 在深埋地段对裂隙含水层的影响与破坏主要 是煤矿长期排水，以煤矿为中心形成巨大的降落 漏斗。使漏斗范围内原有的含水层变为透水层， 原有的水井干枯，破坏了裂隙含水层的结构。 5结 语 我国华北地区煤层与地下水含水层关系复杂， 采煤与地下水资源的保护矛盾突出。随着煤层的开 采，环境问题日益突出，地下含水层破坏严重，地 下水位下降明显。尤其在地下水资源匮乏的矿区， 应选择合理开采工艺，最大限度的减少对地下含水 层的破坏；或者采用后期治理的方式，选择合理层 段对采后产生的裂隙进行注浆封堵，起到地下含水 层保护的目的。 参考文献 [1] 方向清，王红艳，万雪林，等.华1匕型煤田下组煤突涌 水模式及特征[J].中国煤炭地质，2015 , 278 39-42. 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