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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY Repeated mining disturbance will result in canal subsidence to varying degrees, the elevation of dam was reduced from 69.34 m to 65.50 m, the top surface of dam was 1.94 m lower than the designed water surface, the water-flowing cross section was reduced from 580 m2to 196 m2, the designed flow will loss by 66, which affects the safe operation of the canal. Keywords repeated coal-mining; mining damage; coal-mining under water channel; moving deation 在我国，煤矿的“三下”建筑物下、水体下、铁 路下压煤情况比较严重。据不完全统计，我国煤矿 “三下”压煤总量为 13 348 Mt， 其中水体下压煤量 为 1 900 Mt，占整个“三下”压煤量的 7.01[1-2]。随 着经济结构转型升级步伐加快，水资源供需矛盾日 益突出， 为了优化区域水资源配置效率， 提升区域水 资源可持续利用水平， 近年来全国范围内实施了大批 水资源调配工程， 实施过程中遇到水体下煤矿安全开 ChaoXing 94煤田地质与勘探第 46 卷 采问题， 具体可分为地表水体对井下开采的影响问题 和井下开采对地表水体及水工设施的影响问题。 自 20 世纪 60 年代以来，国内外学者在水体 下采煤理论和实践中取得了丰富的技术数据和成功 经验。研究成果大都集中在煤层开采引起地表变形 规律方面，并成功在东武仕水库、岳成水库、小浪 底水库、三台子水库、宋沟水库实现了安全采煤。 武雄等[3-6]利用数值模拟软件及概率积分法手段系 统研究了岳城水库下采煤的环境地质问题，提出了 一系列安全开采方案及坝体加固措施；郭文兵等[7] 通过数值模拟和理论分析研究平顶山宋沟水库下采 煤的可能性，提出水库坝体下厚煤层放顶煤 5 因素 协调开采模型，成功实现了坝体下安全采煤；娄高 中等[8]通过理论分析计算的方法对卢沟煤矿水库下 采煤的安全性进行了研究，得出坝体受到的最大拉 伸水平变形值为 1.2 mm/m，小于坝体能承受的允许 变形值，水库坝体下采煤是可行的；李松营[9]利用 地下水动力学原理对新安煤田小浪底水库下采煤进 行了分析，得到在相关地表水防治水技术措施落实 到位的前提下，在新安煤田大部分区段开展水下采 煤是安全的。但关于压矿采动对线性水利工程输水 渠系产生的影响研究甚少，仅刘光华等[10]研究了重 庆金佛山水利工程输水渠，运用沉陷预计 MSPS 系 统预计压矿采动引起的地表沉陷各项数据，分析压 矿采动对线性水利工程输水渠系产生的影响，提出 相应的变形处置措施。 综上所述，现有研究大多集中在水库坝体下采 煤的可行性研究，对于多层煤重复采动下线性工程 研究较少。笔者在充分收集拟建水渠及煤矿的工程 地质、水文地质及采矿资料的基础上，采用现场调 查、数值模拟和理论分析的方法，围绕“水渠安全运 行”、“采煤安全”这两条主要思路进行研究。通过对 该工程形成的采空区进行调查研究，分析评价煤层 重复采动对拟建灌溉排水渠稳定性及渗漏性影响。 1工程概况 研究区范围内水渠工程横穿双鸭山矿区，沿线 及其周边分布有 4 个煤矿、2 个普查区，分别为东 荣一矿、顺发煤矿、长发煤矿和东荣四矿，以及黑 龙江省集贤县天青区煤炭普查区和黑龙江省集贤县 明兴村煤炭普查区，煤层采空区对渠道稳定性及安 全性存在潜在的威胁。水渠与各煤矿相对位置关系 见图 1。本次研究区域 K71000K78000 段涉及 东荣一矿和集贤县明兴村煤炭普查区。 拟建水渠采用梯形复式断面和箱涵相结合的渠 道型式，总长 72.18 km，其中明渠 70.92 km，渠穿 图 1水渠与各煤矿相对位置关系示意图 Fig.1Relative position of irrigation canal and coal mines 河倒虹吸 4 座，长 1.26 km。渠道下部边坡采用 1︰3.51︰3，上部边坡采用 1︰3，戗台高 4 m，宽 2 m 或 3 m，渠道底宽 4522 m。 2地质及采矿条件分析 2.1地层及煤层 研究区内地层由老至新为元古界麻山群、古生 界泥盆系、中生界侏罗系、新生界新近系和第四系。 井田内可采煤层集中于侏罗系鸡西群城子河 组，可分为上、中、下 3 个煤层群，其中上层群含 有 5 号煤层；中层群含有 9、12、14、16、17、18、 20、20 下、22、23、24、26 号共 12 个可采及局部 可采煤层；下层群含 29-1b号煤层。煤层总厚平均 15.39 m，倾角一般为 1525。井田内煤层属稳定 不稳定，结构简单复杂，一般含 12 层夹矸， 局部达 34 层。 2.2地质构造与地震 研究区位于绥滨一集贤勘陷带的东荣向斜东翼 的南段，井田内以弧形断裂为主，并由此而派生两 组褶曲构造。井田内地层走向近南北，倾角一般为 1525。研究区地震烈度在Ⅵ以下，以往无强烈地 震史。 2.3工程地质条件 2.3.1力学结构 先选取 9 煤、12 煤、16 煤来分析岩层的力学特 性。开采煤层与顶底板岩层之间的关系特性见表 1。 2.3.2采矿条件 研究区范围内唯一开采煤矿为东荣一矿，主要 可采煤层为 9、12、16、18、20、26 号煤层，煤层 底板标高 3401 000 m，平均总厚 15.39 m。研究区 ChaoXing 第 4 期曹晓毅等 煤层重复采动对水渠稳定性及渗漏性影响评价95 表 1煤层力学结构表 Table 1Mechanics structure of coal seam 主要指标 9煤 12煤 16煤 倾角/ 5106141622 顶板岩性中砂岩细砂岩中砂岩 底板岩性粉砂岩粉砂岩细砂岩 抗压强度/kg∙cm-2691.9 1 6301 390 节理裂隙间距/m0.22 0.670.39 节理裂隙角度/180或9074.2 80 节理裂隙方位/2786 77 岩石平均分层厚度/m0.20.61.2 33.2 范围内煤层的开采方式为长壁式下行开采，顶板管 理方式为完全垮落法。东荣一矿采用立井连接暗斜 井、多水平、集中大巷、分区石门开拓方式图 2。 有两个水平开拓，其中第一运输水平标高为–450 m，实行上、下山开采，按南一采区、北一区、北 二区顺序开采；第二运输水平标高为–700 m，实行 下山开采，按南一下山采区、南二采区、北一下山 采区、北二下山采区顺序开采。 图 2东荣一矿采区布置图 Fig.2The panel layout of Dongrong first mine 2.4水文地质条件 研究区范围内主要隔水层为第四系隔水层和新 近系隔水层。第四系隔水层全区发育，岩性为亚黏 土和黏土，新近系发育有泥岩和粉砂岩，泥质半胶 结，致密较硬，具有较好的隔水性能。主要含水层 为第四系孔隙含水层、新近系孔隙裂隙含水层、白 垩系裂隙含水层和煤系基底裂隙含水层，其中第四 系孔隙含水层、新近系孔隙裂隙含水层为层状含水 层。根据地下水循环原理分析，研究区内第四系水 直接接受大气降水的补给，然后第四系水补给新近 系，最后新近系补给煤系裂隙，可以看出研究区范 围内水文地质结构为复合结构。 3重复采动条件下覆岩破坏与地表移动模拟分析 3.1煤层开采引发“三带”发育高度预计 3.1.1地质模型的建立 考虑到回采工作面的大小，并结合采区顶底板岩 层分布， 模型长、 宽和高分别为 500 m、 200 m、 400 m， 模型的顶部垂向应力分布为 4.35 MPa，选用 brick 基 本网格单元体剖分，对重点研究区域，用 Ratio 命令 进行加密，共剖分为 68 250 个单元图 3。 图 3数值模拟网格模型 Fig.3Numerical simulation grid model 3.1.2力学参数的选取 屈服准则采用莫尔–库仑准则， 岩石力学参数见 表 2。 表 2岩石力学参数 Table 2Rock mechanics parameters 岩层名称密度/kg∙m-3弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角/抗拉强度/MPa 覆岩2 5603.50.232.721.01.25 细砂岩互层2 55011.60.161.3624.23.57 细砂岩2 62016.110.251.531.04.06 粉砂岩互层2 56011.50.191.5525.22.56 粉砂岩2 60014.830.221.7526.03.83 煤层1 8001.970.21.218.00.69 3.1.3模拟结果及分析 根据数值模拟成果， 通过对破坏场的综合分析， 得出 9 煤开采时导水裂隙带的最大高度为 14 m，12 煤的开采使 9 煤的塑性区下沉了1.251.510−2m， ChaoXing 96煤田地质与勘探第 46 卷 见图 4；12 煤开采时导水高度裂隙带的最大高度分 别为 27 m，16 煤的开采使 12 煤的塑性区下沉了 1.251.510−2m；16 煤开采时导水高度裂隙带的 最大高度为 27 m，18 煤的开采使 16 煤的塑性区下 沉了1.51.7510−2m；18 煤开采时导水裂隙带的 最大高度为 46 m，20 煤的开采使 18 煤的塑性区下 沉了11.2510−2m。其中相距最近的煤层是 18 煤 和 20 煤，相距 35 m。开挖以后 20 煤开采时将会导 通 18 煤的采空区，塑性区的关系如图 5 所示。 图 49 煤层顶底板破坏区 Fig.4Failure area of roof and floor of seam 9 图 518 煤和 20 煤开挖后的塑性区 Fig.5The plastic zone of seams 18 and 20 after excavation 3.2煤炭开采引发地表移动变形规律预计 水渠开始建设前，若未进行留设保护煤柱，按 原采矿规划进行正常开采时，未来采空区的地表沉 降预测计算结果南一采区采空区沉降盆地的范围 为采煤工作面外扩 0150 m，沉降值 01.0 m，剩余 倾斜值–66 mm/m。北一采区采空区沉降盆地的范 围为采煤工作面外扩 0300 m，沉降值 03.6 m，倾 斜值–166 mm/m。 北二采区采空区沉降盆地的范围 为采煤工作面外扩 0725 m，沉降值 03.8 m，倾斜 值–86 mm/m。沉降盆地及各特征参数等值线图见 图 6图 8。 4重复采动对灌溉排水渠安全运行影响评价 4.1采空区对水渠渗漏危险性分析 水渠的渠底标高 62.3761.82 m，第四系底界面 标高 120230 m，新近系底界面标高 210350 m。 北一区、北二区的开采上限在–190 m 以下，煤层的 埋深 3001 000 m。 开采后最大导水裂隙带发育高度 为 16.546.6 m。由此可见，最大导水裂隙带发育高 度未达到新近系底面，不能波及到本矿区新近系与 图 6未来采空区下沉曲线 Fig.6The subsidence curve of future goaf 图 7未来采空区倾斜曲线 Fig.7The inclination curve of future goaf 图 8未来采空区水平变形曲线 Fig.8Horizontal deation curve of future goaf 第四系的有效隔水层，地表水、第四系水与煤矿开 采的相互影响不大。 4.2采动条件下水渠水向第四系含水层渗漏分析 4.2.1水渠内水体与第四系含水层关系分析 根据水渠横断面图图 9， 水渠的设计水位均高 ChaoXing 第 4 期曹晓毅等 煤层重复采动对水渠稳定性及渗漏性影响评价97 于第四系潜水位，总干渠内水体具备向周边第四系 含水层补给的水动力条件。 图 9K73983 段水渠横断面图单位m Fig.9Cross section of canal at interval K73983 4.2.2采动影响对水渠水向第四系含水层渗漏分析 a. 采动影响下裂缝发育宽度及深度分析 地下煤炭开采引起地表沉陷，堤体内受力状态 发生显著变化。当采动应力达到堤体土体强度极限 时，堤体将产生裂缝，裂缝深度计算公式[11-12]为 xm z 2 2 tan 45 2 tan45 2 c H              - - 1 式中 Hz为地表裂缝发育深度，m；σxm为土体单元 处于极限平衡状态时的极限拉应力，取 0.002 MPa； 为土体内摩擦角， 取 33.2；为土体容重， 取 18.9 kN/m3；c 为黏聚力，取 23 kPa。 计算得出，采动地表裂缝深度发育最大值为 3.32 m。 地表产生裂缝的临界水平变形值计算公式 xm 2 tan 45 2 c E       2 式中 E 为弹性模量，取 8 MPa。 将上述力学参数代入式2计算得出，地表产生 裂缝的临界水平变形值为 2.47 mm/m。 裂缝最大发育宽度计算公式  zxm 1lKHL3 式中 K 为地表曲率； L 为相邻地表裂缝间的距离， m。 计算得出， 采动地表裂缝宽度发育最大值为39.4 mm。 当水渠建设结束并开始正常输水后，若按原采 矿规划进行正常开采时，大量的堤体将会发生塌陷 变形破坏，产生大量的塌陷裂缝、塌陷台阶等，造 成总干渠水体向第四系含水层进行排泄。 b. 采动地裂缝对堤体渗漏的影响 随着地下煤层开采，堤体及周边将产生大量的 沉降裂缝，最大宽度 39.4 mm，最大深度 3.32 m， 发育密度 1 条/12.6 m与周期来压步距相当。由于 研究区为多煤层近距离开采，堤体将受多次重复采 动影响，地表持续发生动态的、不均匀的变形，对 堤体产生破坏。总干渠水体将沿着采动堤体中的裂 缝、裂隙向第四系含水层渗漏，水体渗漏中也会产 生管涌、流土等渗透破坏现象。 4.3煤层开采对水渠输水量影响评价 根据水渠的纵断面分析图 10，煤层开采引起 地表不同程度的沉降，沉降最大处堤体地面标高由 69.34 m 沉降至 65.5 m， 沉降后的堤体顶面比设计水 面降低了 1.94 m， 过水断面由 580 m2减少至 196 m2， 设计流量将损失 66。 图 10采动后水渠纵断面图 Fig.10Profile diagram of the canal after mining 5结 论 a. 通过对数值模拟结果分析，在重复采动影响 下，导水裂隙带的发育高度最大为 46 m，通过分析上 覆岩层中导水裂缝带发育的最大标高与基岩顶部边界 的关系可以得出 导水裂缝带不会波及到水渠内水体。 b. 通过地表变形预计结果可以得出，重复采动 影响下采空区沉降盆地的最大范围为采煤工作面外 扩 0725 m，沉降值 03.8 m，倾斜值–86 mm/m。 c. 重复采动下堤体及周边将产生大量的沉降 裂缝，最大宽度 39.4 mm，最大深度 3.32 m，发育 密度 1 条/12.6 m，堤体将受多次重复采动的影响， 发生动态的、不均匀的变形，对堤体造成破坏。 参考文献 [1] 汪云甲，汪应宏，连达军. “三下”开采资源补偿费减征的模型 与方法研究[J]. 自然资源学报，2002，175616–621. WANG Yunjia， WANG Yinghong， LIAN Dajun. Study on model and for reducing resources compensation collection in “three downsides” mineral resources exploitation[J]. Journal of Natural Resources，2002，175616–621. [2] 中华人民共和国行业标准编写组. 建筑物、 水体、 铁路及主要 井巷煤柱留设与压煤开采规程[S]. 北京煤炭工业出版社， 2000. ChaoXing 98煤田地质与勘探第 46 卷 [3] 武雄，杨健，耿克勤，等. 煤层开采对岳城水库库区渗漏的影 响研究[J]. 水利水电技术，2004，35522–24. WU Xiong， YANG Jian， GENG Keqin， et al. Effect research on leakage of surface water body in the Yuecheng reservoir area due tocoalmining[J].WaterResourcesandHydropower Engineering，2004，35522–24. [4] 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，20049100–104. WU Xiong，YANG Jian，DUAN Qingwei，et al. Impact of coal miningonsafetyofreservoir[J].JournalofHydraulic Engineering，20049100–104. [5] 武雄， 于青春， 汪小刚， 等. 地表水体下煤炭资源开采研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，2551029–1036. WU Xiong， YU Qingchun， WANG Xiaogang， et al. Exploitation of coal resources under surface water body[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，2551029–1036. [6] 武雄，汪小刚，段庆伟，等. 重大水利工程下矿产开采对其安 全影响评价及加固措施研究[J]. 岩石力学与工程学报，2007， 262338–346. WU Xiong，WANG Xiaogang，DUAN Qingwei， et al. Study on safety impact assessment and reinforcement measures of coal miningunderimportanthydraulicengineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，262 338–346. [7] 郭文兵，邵强，尹士献，等. 水库下采煤的安全性分析[J]. 采 矿与安全工程学报，2006，233324–328. GUO Wenbing， SHAO Qiang， YIN Shixian， et al. Analysis of the security of mining under a reservoir[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2006，233324–328. [8] 娄高中， 郭文兵， 白二虎. 芦沟煤矿水库坝体下采煤安全性研 究[J]. 辽宁工程技术大学学报自然科学版，2016，3510 1046–1050. LOU Gaozhong， GUO Wenbing， BAI Erhu. Study on the security of mining under the reservoir dam body in Lugou coal mine[J]. Journal of Liaoning Technical UniversityNatural Science ， 2016，35101046–1050. [9] 李松营. 新安煤田小浪底水库下采煤地表水防治技术研究[D]. 武汉中国地质大学武汉，2010. [10] 刘光华，张玲，陈隆刚，等. 压矿采动对线性水利工程影响研 究[J]. 工程地质学报，2014，22增刊 1249–257. LIU Guanghua，ZHANG Ling，CHEN Longgang，et al. The mining influence research of pressure mineral in linear water conservancy project[J]. Journal of Engineering Geology，2014， 22S1249–257. [11] 高超，徐乃忠，倪向忠，等. 煤矿开采引起地表裂缝发育宽度 和深度研究[J]. 煤炭工程，2016，481081–83. GAO Chao，XU Naizhong，NI Xiangzhong，et al. Research on sur-face crack depth and crack width caused by coal mining[J]. Coal Engineering，2016，481081–83. [12] 吴侃，李亮，敖建锋，等. 开采沉陷引起地表土体裂缝极限深 度探讨[J]. 煤炭科学技术，2010，386108–112. WU Kan，LI Liang，AO Jianfeng，et al. Discussion on limit development depth of cracks in surface soil mass caused by mining subsidence[J]. Coal Science and Technology，2010， 386108–112. 责任编辑 张宏 上接第 92 页 [24] 吴先文，吴翔，廖文魁，等. 秭归盆地及周缘龙马溪组页 岩矿物组成与脆性分析[J]. 资源环境与工程， 2017， 315 554–557. WU Xianwen，WU Xiang，LIAO Wenkui，et al. Shale mineral composition and brittleness analysis of Longmaxi ation in Zigui basin and its surrouding area[J]. Resources Environment Engineering，2017，315554–557. [25] 李钜源. 东营凹陷泥页岩矿物组成与脆度分析[J]. 沉积学报， 2013，314616–620. LI Juyuan. Analysis on mineral components and frangibility of shales in Dongying depression[J]. Acta Petrolei Sinica，2013， 314616–620. [26] 苏文博，李志明，史晓颖，等. 华南五峰组–龙马溪组与华 北下马岭组的钾质斑脱岩及黑色岩系两个地史转折期板 块构造运动的沉积响应[J]. 地学前缘， 2006， 136 82–95. SU Wenbo，LI Zhiming，SHI Xiaoying，et al. K–bentonites and blackshalesfromtheWufeng-LongmaxiationEarly Paleozoic ， southChinaandXiamalingationEarly Neoproterozoic， north China Implications for tectonic processes during two important transitions[J]. Earth Science Frontiers ， 2006，13682–95. [27] GUO Tiankui，ZHANG Shicheng，GE Hongkui，et al. A new for uation of fracture network ation capacity of rock[J]. Fuel，2015778–787. 责任编辑 范章群 ChaoXing