水库下采煤的安全性分析.pdf

第23卷 第3期 2006年9月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 2.郑煤集团 米村煤矿,河南 新密 452300 摘要水库下采煤一方面要确保煤矿井下安全,同时还要保护地表水资源和水库坝体的安全.根 据水体下采煤的技术理论,在现场调研的基础上,结合煤矿具体的地质采矿条件,进行了上覆岩 层破坏高度的计算、 地表移动和变形的预计,从而对水库水体下采煤的安全性进行分析、 评价和 论证.结果表明各工作面开采以后,上覆岩层中导水裂缝带发育的最大标高与基岩顶部边界之 间有较厚的基岩岩柱,即导水裂缝带不会波及到地表水水库.同时,根据地表移动和变形预计结 果,分析了各工作面开采对水库坝体的影响.最后提出了相应的技术措施,确保水库下安全采煤. 关键词水库;堤坝;水体下采煤;采动损害 中图分类号 TD 823 文献标识码 A Analysis of the Security of Mining Under a Reservoir GUO Wen2bing1, SHAO Qiang1, YIN Shi2xian1, SHAO Hong2fu2 1. School of Energy Science and Engineering , Henan Polytechnic University , Jiaozuo , Henan 454000 , China ; 2. Micun Coalmine , Zhengzhou Coal dam ; mining under water bodies; mining damage 国内外水体下采煤已有100多年的历史,各主 要产煤国家在海下、 河流下、 湖泊下、 含水的松散层 和含水的岩层下、 人工修建的蓄水工业建筑物下、 充水的巷道与采场下进行了大量的试验开采工作. 英国、 日本、 加拿大、 智利和澳大利亚还成功地进行 了海下采煤;美国则非常重视长壁开采对地表河流 甚至小溪的影响.我国煤炭资源分布广,不仅平原 地区、 丘陵和山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源, 而且各类水体下压煤量也很大[122].长期以来,我 国积累了丰富的水体下、 湖泊下及河下的采煤经 验[324],水体下采煤技术已处于领先地位.据统计我 国在各类水体下,已安全采出超过2亿t煤炭,如 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期郭文兵等水库下采煤的安全性分析 我国已在淮河堤下采煤取得了巨大成功[5],龙口矿 区已经成功地进行海底下采煤等. 水体下采煤技术是涉及到采矿、 地质、 岩石力 学等多学科领域[627].研究水体下采煤技术的目的 是实现水体下的安全采煤.根据地质采矿条件及开 采方案设计,进行综合计算、 分析和评价,可以为实 现水体下安全采煤提供技术保证.因此,正确评价 和分析水体下采煤的安全性,实现水体下的安全采 煤,对于确保煤矿安全生产,提高煤炭资源采出率, 缓解矿井采掘接替紧张的矛盾、 保护地表水和地下 水资源等都具有十分重要的现实意义. 郑州煤电集团公司米村煤矿26扩大区地表 有一水库,该水库是影响26扩大区安全开采的主 要水体.水库下采煤一方面要确保煤矿井下安全, 同时还要保护地表水资源.为确保在此水体下安全 采煤,采前必须对水库下采煤的安全性进行分析研 究,以便根据实际情况采取相应的技术措施.本文 在收集现场地质采矿资料和有关观测资料的基础 上,结合米村煤矿具体的地质采矿条件,对水库水 体下采煤的安全性进行了研究和论证. 1 地质采矿条件及水库情况 1. 1 地质采矿条件 米村煤矿26扩大区地面标高为 272. 5～ 280.6 m.走向长200～1 050 m ,倾向长340～590 m , 地质储量约2. 58 Mt ,可采储量约2. 19 Mt.该采区 地面西北高,东南低,沟谷发育,黄土覆盖层较厚.采 区整体为一单斜构造,无大的断裂构造,地质条件简 单.含煤地层为石炭纪、 二迭系含煤岩系.开采煤层 为二1煤,上限标高- 20. 0 m ,下限标高- 118.0 m , 煤层厚度为1. 7～12. 31 m ,平均为6. 25 m ,倾角为 8 ～12.上覆岩层主要由中、 细粒砂岩,粉砂岩,砂 质泥岩,泥岩等岩层组成,煤层顶底板的赋存情况 见表1. 表1 顶底板岩性特征 Table 1 Roof and floor characteristics of coal seam 类别岩石名称厚度/ m主要岩性特征 直接顶砂质泥岩11. 52灰黑,含植物化石 基本顶大占砂岩6. 45 灰色,中粒,主要由石 英、 长石组成,含水较弱 直接底砂质泥岩10. 50深灰色,含植物化石 老底L8灰岩2. 40 深灰色,隐晶质结构, 致密,坚硬,含水丰富 采区已开采工作面距离水库和坝体较远,待开 采工作面分别为26071 ,260071 ,260061 ,260051和 260041等,坝体位于260071 ,260061工作面之上, 目前正在开采26071工作面,采用放顶煤采煤法. 开采方案布置平面图见图1. 图1 工作面布置及煤层等厚线 Fig. 1 Working face arrangement and coal seam thickness contour 1. 2 水库情况 26扩大区地表除村庄以外,有宋沟水库及其 坝体.水库位于26扩大区的中西部.据现场调查, 该水库水面标高约为 274. 5 m ,该水库最深处约 有17～18 m ,其深度边界为水体的底界面,最低标 高约为 256. 5～ 257. 5 m.宋沟水库属季节性 蓄水,水库面积约3. 2万m2,蓄水量约20～30万 m3,该水库的水源主要为煤矿的井下排水和大气 降水. 水库蓄水的坝体由料石砌和黄土堆积而成,迎 水面边坡角约为45 ～50.坝体上表面为柏油路 面,路面标高约为 278 m. 2 水库下采煤安全性分析 2. 1 上覆岩层破坏高度的计算分析 影响上覆岩层破坏形态和导水裂缝带发育最 大高度的因素很多,如上覆岩层的力学性质及结构 特征、 采煤方法和顶板管理方法、 煤层倾角、 煤层厚 度及开采强度等[829].当煤层埋藏条件和采煤方法 确定后,则覆岩的力学性质及结构特征与覆岩的破 坏高度密切相关.如果采区上覆岩层为脆性岩层, 受开采影响后容易断裂,所以覆岩破坏高度大.如 覆岩为塑性岩层,受开采影响后不易断裂但容易下 沉,能使冒落岩块充分压实,最终表现为覆岩破坏 高度降低.因此,根据覆岩岩层的强度特征及煤层 开采厚度来确定覆岩破坏高度. 2. 1. 1 覆岩类型分析 根据26扩大区内水库附近钻孔柱状图,煤层 上覆岩层主要由中、 细粒砂岩,粉砂岩,砂质泥岩, 泥岩等岩层互层组成.经统计分析可知砂岩、 粉砂 岩、 泥岩所占体积比大约为0. 31∶0. 06∶0. 63 ,计 算确定覆岩岩性属软弱偏中硬型.因此,按软弱和 中硬两种岩性分别进行计算. 523 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 采矿与安全工程学报第23卷 2. 1. 2 覆岩破坏高度计算公式 覆岩破坏高度与许多地质采矿条件有关,但目 前尚无统一的多元相关的表达式.因此计算采用经 验公式.根据分析的覆岩岩性及煤层埋藏条件,按 文献[10]给出的缓倾斜条件下厚煤层开采时的垮 落带和导水裂缝带高度的计算公式进行计算,计算 公式见表2. 采用放顶煤一次采全高时,上覆岩层破坏高度 与分层开采相比较为严重,因此为了安全起见,覆 岩破坏高度取较大值.公式后 取号. 表2 覆岩破坏高度计算公式 Table 2 Calculation ula of fractured zones in overburden strata 垮落带高度/ m导水裂缝带高度/ m 岩性软弱时Hm 1006M 6.26M 32 1.5Hli 1006M 3.16M 5.0 4.0 Hli 106M 5 岩性中硬时Hm 1006M 4.76M 19 2.2Hli 1006M 1.66M 3.6 5.6 Hli 206M 10 注Hm为垮落带高度,m;Hli为导水裂缝带高度,m;6M为累计采厚,m. 2. 1. 3 计算结果及分析 按上述计算公式对水库下附近区域的计算点 进行了计算,给出了垮落带高度、 导水裂缝带高度 以及导水裂缝带最大标高,计算结果见表3. 表3 覆岩破坏高度计算 Table 3 Calculated results of fractured zones in overburden strata 计算点 煤层 标高/ m 煤层 厚度/ m 垮落带高度/ m 软弱中硬 导水裂缝带高度/ m 软弱中硬 防水安全煤岩柱尺寸/ m 软弱中硬 安全系数K 软弱中硬 1- 653. 978. 5112. 7426. 9449. 8534. 8861. 765. 252. 96 2- 754. 208. 7413. 0427. 3150. 9935. 7163. 595. 403. 04 3- 805. 139. 5414. 1028. 5455. 3038. 8070. 695. 102. 80 4- 885. 139. 5414. 1028. 5455. 3038. 8070. 695. 312. 91 5- 925. 599. 8914. 5529. 0357. 2940. 2174. 065. 222. 84 6- 908. 0011. 3016. 3333. 2866. 5749. 2890. 574. 222. 30 7- 11810. 5012. 3117. 5637. 4074. 8158. 40106. 314. 042. 22 对于缓倾斜煤层,开采以后垮落带的边界位于 采空区边界范围以内,导水裂缝带的边界位于采空 区边界范围以外.垮落带和导水裂缝带均呈马鞍 形,导水裂缝带的最高点位于采空区倾斜方向的上 部.本采区开采后上覆岩层的破坏空间形态符合一 般规律.根据水库附近钻孔柱状图,基岩顶部标高 约为 188 m ,而导水裂缝带发育的最大标高与基 岩顶部边界之间的基岩岩柱厚度均在200 m以 上,再加上约55 m厚的第四系砂质黏土的隔水作 用,导水裂缝带是不会波及地表上的水体 宋沟 水库,即导水裂缝带不会形成矿井水灾的通道. 26扩大区开采范围及开采上限已经确定,为 了验证开采上限的可行性及合理性,进一步分析防 水安全煤岩柱及其安全系数,在防水安全煤岩柱计 算过程中,对覆岩按 “中硬” 和 “软弱” 两种类型进行 计算.各计算点防水安全煤岩柱尺寸及安全系数如 表3所示.从表中结果可知,各计算点的安全系数 最小为2. 22 ,即各点的防水安全煤岩柱尺寸均远 小于基岩岩柱尺寸,导水裂缝带未波及水库水体. 所以26扩大区各工作面在开采上限以下采煤从导 水裂缝带分析是安全的. 但是,除导水裂缝带,煤矿顶板水害的导水通 道还可能有不良封闭钻孔、 上通式导水陷落柱、 岩 溶塌落洞、 导水断层与裂隙等.如由构造断裂形成 的断层破碎带,往往具有较好的透水性,会形成充 水的良好通道[11].因此,在位于水库下部的工作面 采掘过程中,必须制定专项矿井水害防治技术措 施,加强各工作面工程地质构造的研究、 探测工作, 并进行水文观测、 水文地质综合勘探工作. 2. 2 地表移动和变形及其影响分析 2. 2. 1 下沉的影响分析 不均匀的下沉有可能影响水库坝体的安全使 用,为此进行了地表移动和变形预计[12216].根据预 计结果,进行了如下计算设水库的总面积为S ,平 均水深为h,发生沉降的面积为S1,平均下沉值为 h1,坝体下沉值h坝.则开采后,水库水位下降h2为 h2 S1h1/ S.1 开采后水位相对于坝顶上升的高度h相为 h相 h坝-h2.2 根据调查,开采之前坝顶距水面高差为3. 5 m ,按设计开采顺序,各工作面开采以后,水库水面 与坝顶高差相对变化值h相和绝对高差h绝见表4 所示.其中在开采26071工作面后水库水面与坝顶 的距离最小.由于坝体沉陷以后水库水面与坝顶的 623 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期郭文兵等水库下采煤的安全性分析 距离较小,应采取一定措施,如加高加宽坝体、 最大 限度地降低坝体溢水口的标高进行疏放水等. 表4 各工作面开采后坝顶与水面高差 Table 4 Elevation difference between dam top and water level after undermining m 工作面26071260061260071260051 h相0. 4410. 5901. 6461. 136 h绝3. 0602. 9101. 8542. 364 2. 2. 2 水平变形的影响 根据规定[10]有溢水口的坝体,允许的拉伸变 形为6 mm/ m ,极限拉伸变形为9 mm/ m.根据预 计结果工作面开采后,坝体承受的最大拉伸变形值 为5. 74 mm/ m ,小于允许的拉伸变形值.因此,按 照原设计进行开采是可行的,但须采取铺设土工膜 防渗层以及裂缝灌浆法加固等技术措施. 1 铺设土工膜防渗层土坝坝体裂缝是一种 较常见的病害现象,裂缝中的渗流引起了管涌危害 或破坏坝体,尤其横向裂缝最危险.水库坝体由于 受到采动影响,造成坝体不均匀沉降,坝体会出现 裂缝,因此坝体迎水坡要铺设土工膜防渗层. 2 裂缝灌浆法加固结合煤矿实际情况,确定 在开采过程中采取裂缝灌浆法对坝体进行维护和 加固.灌浆法是利用压力使浆液通过管道钻孔注入 裂缝内,浆液在压力作用下析水后密实、 胶结,堵塞 裂缝,达到加固防渗之目的. 2. 3 工程类比分析 表5是我国部分水体下开采厚煤层的实例,表 中所列为开采煤层厚度大于或等于5. 0 m ,其采深 采厚比一般在10上下,采后矿井涌水量无明显变 化,这至少说明在表列条件下,水体对矿井开采没 有构成威胁. 26扩大区中西部采深采厚比达到67 ～86 ,且第四系松散层厚度较大,类比结果进一步 表明26扩大区在宋沟水库下进行采煤是可行的. 表5 水体下厚煤层采煤实例 Table 5 Examples of thick coal seam mining under w ater body 矿名水体类型采厚/ m采煤方法 煤岩柱高度/ m 基岩黏土层 采深采厚比涌水量 淮南毕家岗矿淮河 5. 5倾斜分层下行垮落170231正常 鹤壁张庄矿李湾沟5. 5倾斜分层下行垮落292710正常 枣庄柴里矿排洪沟8. 0倾斜分层下行垮落37359正常 徐州大黄山不穿河5. 0～6. 0倾斜分层下行垮落20105～6无明显变化 枣庄山家林矿潘龙河6. 5倾斜分层下行垮落3109～1550正常 峰峰通顺二矿和林河5. 1倾斜分层下行垮落401010正常 徐州新河矿废黄河5. 0倾斜分层下行垮落28～30158～10无明显变化 3 结 论 1 在现场调研、 收集地质采矿资料的基础上, 根据水体下采煤的技术理论,结合具体的地质采矿 条件,通过上覆岩层破坏高度的计算、 地表移动和 变形的分析,对水库水体下采煤的安全性进行分 析、 评价和论证,为实现水库下安全采煤提供技术 保证.这对于确保煤矿安全生产,提高煤炭资源采 出率,保护地表水资源和水库坝堤的安全等具有重 要意义. 2 分析计算结果表明本采区开采后上覆岩 层的破坏空间形态符合一般规律.导水裂缝带发育 的最大标高与基岩顶部边界之间的基岩岩柱厚度 均在200 m以上,再加上大约55 m厚的第四系砂 质黏土的隔水作用,导水裂缝带是不会波及到地表 水体宋沟水库 . 各计算点的安全系数均在2. 22 以上,能够保证各工作面安全地开采. 3 鉴于坝体沉陷后水库水面与坝顶距离较小 采前坝顶距水面高差为3. 5 m时,采后为1. 854 m ,为确保水库下安全采煤,根据实际情况,提出 了降低坝体溢水口标高,坝体裂缝的防治措施铺 设土工膜防渗层、 灌浆法加固等技术措施,确保坝 体的安全运行. 参考文献 [1] 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[ M].徐 州中国矿业大学出版社,1994. [2] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J ].中 国矿业大学学报,2003 ,324 3432348. QIAN Ming2gao , XU Jia2lin , MIAO Xie2xing. Green technique in coal mining[J ]. Journal of China Univer2 sity of Mining 巷道岩层控制理论与技术;资源与环境协调开采技术;矿井深部 开采技术;冲击矿压机理及防治技术;矿井瓦斯防治;矿井火灾防治;矿井水灾防治等. 读者对象从事煤炭及其相关行业的教学、 科研、 工程技术和管理人员. 杂志全年定价120元,编辑部自办发行. 联系地址江苏徐州中国矿业大学 采矿与安全工程学报 编辑部 邮编221008 E2mail gpsc cumt. edu. cn 电 话0516283885490 823 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.