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跃进煤矿龙水湖水库下采煤可行性研究 第六图书馆 综合现场工程地质调查结果、现场测试、理论计算以及数值模拟得出了跃进煤矿在龙水湖水库库区下采煤是可行的结论,同时通 过离散单元法UDEC软件数字模拟了跃进煤矿龙水湖下开采对地表沉陷的影响和煤层上覆岩层的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的 分布,确定合理开采方案,为进一步试采研究奠定了基础。综合现场工程地质调查结果、现场测试、理论计算以及数值模拟得出 了跃进煤矿在龙水湖水库库区下采煤是可行的结论,同时通过离散单元法UDEC软件数字模拟了跃进煤矿龙水湖下开采对地表沉陷 的影响和煤层上覆岩层的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的分布,确定合理开采方案,为进一步试采研究奠定了基础。龙水湖 水 库下采煤 可行性煤炭科学技术蒲毅中煤国际工程集团重庆设计研究院 重庆2007第六图书馆 第六图书馆 跃 进 煤 矿 龙 水 湖 水 库 下 采 煤 可 行 性 研 究 蒲 毅 中煤国际工程集团 重庆设计研究院,重庆 400016 摘 要综合现场工程地质调查结果、现场测试、理论计算以及数值模拟得出了跃进煤矿在龙水湖 水库库区下采煤是可行的结论,同时通过离散单元法UDEC软件数字模拟了跃进煤矿龙水湖下开采 对地表沉陷的影响和煤层上覆岩层的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的分布,确定合理开采方案,为 进一步试采研究奠定了基础。 关键词龙水湖;水库下采煤;可行性 中图分类号TD823183 文献标志码 A 文章编号0253 - 2336 2007 03 - 0098 - 05 Feasibility study of coa lm i n i ng under L ongshuiLake Reservoir i n Yueji n M i ne PU Yi Chongqing Design Research Institute, Sino2Coa l Internationa l Engineering Group, Chongqing 400016, China Ab stract W ith the geological investigation results, the sitemeasurement, theoreticalcalculation and numerical si mulation of the site pro2 ject, the papermade a feasible conclusion on the coalmin ing under theLongshuiLake Reservoir in Yuejin Mine. W ith theUDEC soft ware of the dispersed element, the paper si mulated the ground subsidence influenced by the coalmining under theLongshuiLake Res2 ervoir in Yuejin Mine and simulated the distribution of the falling zone, cracking zone and bending subsidence zone in the overburden a2 bove the seam.The paper hasmade a rationalmining p lan which could set up a base for the furthermining research. Key words LongshuiLake; coalmining under reservoir; feasibitity 龙水湖水库位于重庆市大足县玉龙镇,是 1958年修建的人工湖,水域面积达353135万m 2 , 是重庆市中型骨干水利工程之一。大足县跃进煤矿 位于龙水湖水库东南侧,是一个已经生产经营多年 的县属地方国营煤矿,上部水平煤炭已接近枯竭, 而拟延深的125 m水平的煤炭资源约有1 /2以上 赋存于龙水湖水库覆盖影响范围内。跃进煤矿与龙 水湖水库的相对位置如图1所示。究竟煤层开采对 龙水湖水库的安全运行有无影响,煤层是否能继续 开采等问题是本文研究的主要内容。 图1 跃进煤矿与龙水湖水库位置关系 1 基本地质条件 根据矿区综合柱状图及13号、14号勘探线地 质剖面图揭示矿区的地质条件及相关地层见表1。 龙水湖湖床地层为珍珠冲组上部泥岩、粉砂质泥 岩。矿井主采煤层猪肠炭K2和外连K3位 于须家河组地层第五段T3xj 5 ,煤层倾角23～ 25 。 2 导水裂隙带高度的确定 211 采场上覆岩体变形破坏垂直分带特征 在煤层采出后,采空区周围岩体发生了较为复 杂的移动和变形,稳定后的上覆岩体按其破坏的程 度,大致可分为3个不同的开采影响带,即垮落 带、裂隙带和弯曲带,如图2所示。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。该层岩石具有的不规则性、碎胀性和密实度 差的特征,是影响顶板再生和垮落岩块不能隔水的 重要原因。垮落带以上是裂隙带。裂隙带是采空区 8 第35卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2007年3月 9 第六图书馆 第六图书馆 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。裂隙带内岩石裂缝的形式及 分布有一定的规律性,且具有明显的分带性。垮落 带和裂隙带合称为导水裂隙带,在解决水体下采煤 的可行性问题当中,该带具有重要意义。只有采场 上覆岩层的厚度至少大于导水裂隙带时,才能保证 地表水体不会向采场渗漏。弯曲带又称整体移动 带,指的是自裂隙带顶界到地表的整个岩体。弯曲 带内的岩层具有较好的隔水能力,是水体下采煤的 良好保护层。 表1 矿区地质条件及相关地层 岩层名称岩性及分布厚度/m 第四系坡残积层Q4el dl 黏土、粉质黏土,全区分布015～5 中侏罗统新田沟组 J1x 砂质岩夹泥质粉砂岩,含钙质结核底部有层状细至中粒石英砂岩30 下侏罗统自流井组 J1ZL 大安寨段J1Z L3 马鞍山段J1Z L2 东岳庙段 J1Z L1 泥岩,泥灰岩,灰岩 泥岩夹砂质页岩及薄细砂岩,下部有10 m细粒石英砂岩 页岩及砂岩 61～74 110～172 15～17 下侏罗统珍珠冲组 J1Z 泥岩夹细粒石英砂岩90～123 三叠系须家河组 T3xj 第六段T3xj6 第五段 T3xj5 K2煤层 第五段T3xj5 K3煤层 第五段T3xj5 砂岩 细砂岩,含泥砂岩 煤层 细砂岩,粉砂岩 煤层 细砂岩,泥岩 38～52 15～25 016 4～5 013 31～40 1 不规则垮落带;2 规则垮落带;3 严重断裂带;4 一般断裂 带;5 微小断裂带;6 冒落带;7 导水裂隙带;8 弯 曲带;9 破坏性影响区; 10 非破坏性影响区 图2 煤层开采后覆岩破坏特征示意 212 导水裂隙带高度确定 龙水湖水库水体采动等级为 Ⅰ 级,即不允许导 水裂隙带波及到水体,必须留设顶板防水安全煤岩 柱。因此,煤矿采场上覆岩体变形破坏的垂直分带 特征及各带的高度是关系到在水体下采煤是否可行 的一个重要依据。如果采场导水裂隙带的顶部波及 到地表水和地下含水层,地表水和地下水就会涌入 采区,如果水量较大,将会发生淹矿的重大工程事 故。因此,准确确定导水裂隙带在一定开采方式和 规模下的发育高度是关系到跃进煤矿在龙水湖水库 水体下采煤能否导致库区水体渗漏的重要依据。 21211 测试法 导水裂隙带高度的测试一般有钻孔测试方法和 水质分析测试方法。钻孔测试方法及采用井下仰斜 钻孔双端堵水器导高观测技术,根据洗液消耗量的 多少来确定导水裂隙带高度。 水质分析测试方法是根据煤层开采后对采面的 涌水进行水质测试分析与煤层上覆岩体含水层水质 类型对比,确定采面涌水只能来源于含水层,从而 根据岩层高度确定导水裂隙带高度。本次对跃进煤 矿上部开采的导水裂隙带高度的测试主要是根据矿 井煤层开采的实例进行归纳。 实例1矿井初采K3煤层后,再采K2煤层时 K2煤层顶底板完好。 实例2矿井在勘探中煤组时沿180 m水平 做石门曾穿过已采区上部影响带,岩层完好。 实例3在矿井已采区有一泉水井,根据水质 来源于三叠系须家河组第六段,须家河第六段富水 性较弱,开采后应很快会疏干,但煤层开采后,泉 水井的水量水位没有变化。因此推断导水裂隙带发 育高度在20～50 m。 1 1 理论计算方法 采用文献[6 ]规定的计算公式对地表移动与 第35卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2007年3月 2 2 2 99 第六图书馆 第六图书馆 变形采用 “ 三下 ”采煤规程相关公式计算,矿山 采煤后,其地表移动与变形值计算结果为斜率 imax4161 mm /m,曲率kmax017610 - 3 m - 1 ,水 平变形ε m ax 2152 mm /m,影响半径121 m,垮落 带高度为2198 m,导水裂隙带高度为38123 m。 21213 数值计算方法 1离散单元法及UDEC简介。UDECUni2 versal Distinct Element Code是一种基于非连续体 模拟的离散单元法二维数值计算程序。它主要模拟 静载或动载条件下非连续介质如节理块体的 力学行为特征,非连续介质是通过离散块体的组合 来反映的,节理被当作块体间的边界条件来处理, 允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现 为刚体也可以表现为可变形体。UDEC3110提供了 适合岩土的7种材料本构模型和5种节理本构模 型,能够较好地适应不同岩性和不同开挖状态条件 下的岩层运动的需要,是目前模拟岩层破断后移动 过程较为理想的数值模拟软件。UDEC离散单元法 数值计算工具主要应用于地下岩体采动过程中岩体 节理、断层、沉积面等对岩体逐步破坏的影响评 价。UDEC能够理想地分析研究直接和不连续特征 相关的潜在的岩体破坏方式及煤层开挖后顶板垮 落、离层的过程,可以较准确地分析条带开采后覆 岩的移动和地表的沉陷。 2模型的建立及方案的设计。该模拟是为 了解跃进煤矿湖下开采对地表沉陷的影响和煤层上 覆岩层的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带的分布状 况,确定开采是否会影响到地面的湖水。计算模型 为沿煤层倾向和走向的剖面,模型尺寸的选取考虑 到煤层开采影响范围的大小,模型宽度600 m即 沿煤层倾向的剖面宽度为600 m,模型高度为280 m即最大采深为280 m,从地面至85 m标高, 如图3所示。根据现场实际情况确定模拟计算模型 中下部回采条带的开采下边界为 85 m标高。模 型顶底板岩层划分中和柱状图由13号、14号勘探 线资料确定。计算中材料本构关系采用摩尔-库仑 模型。 该模拟的开采方案设计了3种条带方案① 条带宽度为30 m ,全部开采;②条带宽度30 m, 留煤柱15 m;③条带宽度30 m,留煤柱30 m。 根据原始地质资料中各层岩层的不同岩性,查 相关的资料可以得到各层岩体物理力学参数。最终 得到各层岩体物理力学参数,见表,各岩层之间 的结构面的物理力学参数见表3。 图3 数值模拟的物理模型 表2 岩层的物理力学参数 岩 层 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 容 重/ kNm- 3 内摩擦 角/ 黏聚力/ MPa 抗拉强 度/MPa T3xj4岩层 10105102531216218 T3xj5岩层7154102530216214 K3煤层5102151323116115 T3xj5岩层6103122527210117 K2煤层5102151323116115 T3xj5岩层7154102530216214 T3xj6岩层7154102530216214 J1zh岩层 7154102530216214 J1zL1岩层7154102530216214 J1zL2岩层7154102530216214 表土层2151152018016015 3数值计算结果。3种煤层开采方案模拟后 沿走向和倾向采空区上覆岩层垂直位移等值线如图 4所示。根据模拟的情况可以看出在这3种不同的 开采方案下,采空区上覆岩层的垂直位移有很大的 变化,其三带分布范围变化也是很大。各方案在走 向和倾向模拟计算的地表移动变形最大值及三带范 围见表。 第35卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2007年3月 2 4 001 第六图书馆 第六图书馆 表3 各岩层之间结构面的物理力学参数 岩 层 法向刚 度/ GPa 切向刚 度/GPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 抗拉强 度/MPa T3xj4岩层9106100290 T3xj5岩层 7106100290 K3煤层 5103150180 T3xj5岩层5154150200 K2煤层5103150180 T3xj5岩层 6105100250 T3xj6岩层9106100300 J1zh岩层 9106100300 J1zL1岩层9106100300 J1zL2岩层 9106100300 表土层3102150300 311 防水安全煤岩柱尺寸留设 留设防水安全煤岩柱的目的是不允许导 水裂隙带波及到地面水体。按照文献[6 ]规定, 防水安全煤岩柱的垂高Hsh应大于或等于 导水 裂隙带最大 高度Hli加上 保护层 厚度 Hb ,保护层厚度按照文献[6 ]规定选取最大值 即7倍累计采厚。 取跃进煤矿上覆岩体导水裂隙带 最大高度为100 m,综合采厚115 m,跃进煤矿防 水安全煤岩柱高度为Hsh≥10515 m。即跃进 煤矿防水安全煤岩柱高度只要大于10515 m 就满足安全要求,而已采、正在开采和即将开采的 回采工作面岩体岩柱高度为190～270 m,完全满 足安全要求。 表4 地表移动变形最大值 项目 下沉值/ mm 水平移动/ mm 倾斜/ mmm - 1 水平变形/ mmm- 1 曲率/ 10- 3m - 1 弯曲下 沉带/m 冒落带 高度/m 导水裂隙带 高度/m 方案13511504810321470169801059 5到达地表10100 走向方案21831703917101790146701011 01001020～30 方案3711591515101250120101002 9501020 倾向25515012011021061115001048 8 图 沿走向采空区上覆岩层垂直位移等值线 第35卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 2007年3月 4 101 第六图书馆 第六图书馆 312 上覆岩体含水层与龙水湖水库间的水力联系 根据跃进煤矿地层条件,地表裂隙一般不会发 育到煤层上覆岩体顶界面,更不会与开采形成的导 水裂隙带连通。侏罗系中统新田沟组的砂质泥岩, 侏罗系下统自流井组的泥岩、泥灰岩、泥岩夹砂质 页岩属于隔水层,处于弯曲下沉带,属于很好的隔 水层,不会造成地表水体向下渗漏。 313 煤层开采对大坝安全的影响 龙水湖水库库坝修建于1958年,位于跃进井 田西北部的谭家柏树院子,坝堤采用条石、碎石、 泥土堆积修筑。由于采煤区离龙水湖水库大坝较 远,在采矿影响半径r 121 m范围外。煤层 开采不会影响坝体安全。 4 结 语 鉴于龙水湖水库的重要性和跃进煤矿在地方经 济中的重要地位,本文综合现场工程地质调查结 果、现场测试、理论计算以及数值模拟结果,结论 是跃进煤矿在龙水湖水库库区水体下采煤引起的地 表塌陷范围不会波及到大坝,也不会使龙水湖水库 库区水体发生渗漏,造成淹井事故,库区下采煤是 可行的。 参考文献 [ 1] 中煤国际工程集团重庆设计研究院 1大足县跃进煤矿龙水 湖水体下开采可行性论证报告[ R ].重庆中煤国际工程 集团重庆设计研究院, 2005. 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