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第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-11-01 基金项目 中国科学院重点部署项目（KZZD-EW-13）；国家自然科学基金项目（41271084，41501079）；中国博士后科学基金资助项目 （2015M582724）；重庆市博士后科研项目特别资助（Xm2015082）；重庆市博士后日常经费资助（Rc201519） Foundation itemChinese Academy of Sciences （CAS） Key Research Program（KZZD-EW-13）； National Natural Science Foundation of China（41271084， 41501079）； China Postdoctoral Science Foundation（2015M582724）； The Chongqing Postdoctoral Special-Funding Research Projects（Xm2015082）； The Chongqing Postdoctoral Daily-Funding Projects（Rc201519） 作者简介 曹伟（1983），男，安徽金寨人，博士后，从事冻土环境与工程研究. E-mailcaowei 通信作者 盛煜（1964），男，甘肃酒泉人，研究员，从事冻土工程与环境研究. E-mailsheng 引用格式 曹伟，盛煜，吴吉春，等. 煤矿井工开采对冻土环境的影响分析［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）98-104. CAO Wei， SHENG Yu， WU Jichun， et al. Impact of underground mining on permafrost environment［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（4）98-104. 文章编号 1001-1986（2016）04-0098-07 煤矿井工开采对冻土环境的影响分析 曹 伟 1，2，盛 煜1，吴吉春1，李 静1，丑亚玲1，王生廷1 （1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2. 重庆市国土资源和房屋勘测规划院，重庆 400020） 摘要 在多年冻土区进行煤矿井工开采，冻土稳定性是影响煤矿开采的制约性因素。采用数值模拟 方法分析煤矿井工开采对冻土环境的影响。研究结果表明，最大融深随时间呈增大趋势；沿井壁深 度，最大融深逐年增加，在多年冻土与季节冻土的交界附近，最大融深增加较快。由于开采巷道横 截面较小，在有效的冻土保护措施下，井壁周围多年冻土温度升高幅度不会太大，因而井工开采会 对井壁周围多年冻土造成一定影响，但不会造成大面积冻土的融化变形。 关 键 词井工开采；冻土环境；数值模拟；影响分析 中图分类号TD12 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.019 Impact of underground mining on permafrost environment CAO Wei 1，2， SHENG Yu1， WU Jichun1， LI Jing1， CHOU Yaling1， WANG Shengting1 （1. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering， Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute， CAS， Lanzhou 730000， China； 2. Chongqing Land Resources and Housing Surveying Planning Institute， Chongqing 400020， China） Abstract During underground coal mining in permafrost area， the stability of frozen soil is the constraint factor for coal mining. The paper attempts to investigate the status of permafrost environment after underground mining. We therefore forecast permafrost environment under certain conditions of the initial temperature and different boundary conditions by using the numerical simulation . The study analyzes the change of the maximum thaw depth （freezing depth） with time at different depth around wall of a well and the space continuity of the maximum thaw-depth （freezing-depth） change with time at different locations of the wall profile. The results show that the maximum freezing depth tends to in- crease over time. The maximum thaw depth increases along wall of a well year by year and the maximum thaw depth in- creases faster near the junction of the permafrost and seasonal frozen soil. The cross-section of the mining laneway is smaller， so the increasing range of permafrost temperature is not too large around wall of a well under the effective pro- tection measures. The underground mining thus brings up some certain impact to the surrounding permafrost around wall of a well， but it will not cause a large area of the permafrost thawing deation. Key words underground mining； permafrost environment； numerical simulation； impact analysis 青海省木里煤田（9859′9935′24″E，3810′ 3802′02″N）位于青海省海西州天峻县及海北州刚 察县境内，总面积约 400 km2。该煤田储量丰富，为 青海省最大的煤矿区，其煤炭储量 35.4 亿 t，年产 煤量规划到 2020 年将达 810 万 t/a［1］。 木里煤田所处 的天峻县和刚察县地处青藏高原冻土大区中的阿尔 金山－祁连山高寒带山地多年冻土区，受海拔高度 和纬度的控制，矿区以大片连续分布的多年冻土为 主［2］。区域多年冻土主要为基岩山区低含冰量冻土、 河流阶地低含冰量冻土、冰水台地高含冰量冻土和 山前缓坡高含冰量冻土 4 种类型。其中山前缓坡高 含冰量冻土面积达到了 48.13％，多年冻土厚度 50～90 m，多年冻土温度-1.0～-2.0 ℃［3-4］。 在多年冻土区进行煤矿井工开采，冻土稳定性 ChaoXing 第 4 期 曹伟等 煤矿井工开采对冻土环境的影响分析 99 是影响煤矿井工开采的制约性因素［5-7］。 由于气候变 化和工程作业的热扰动作用，改变了大气、井壁与 地层的热交换条件，打破了原有的热平衡状态，发 生了地-气系统间能量的重新响应过程［8-11］。这一响 应的结果，不仅改变了局部多年冻土的自然环境， 而且也改变了井壁周围多年冻土的温度状况，使井 壁周围冻土吸热而导致其温度升高。温度升高的直 接结果可能使冻土中的冰转变为水，从而可能会导 致井壁周围多年冻土融化而失去稳定性［12-14］。 因此， 维持冻土原有的热稳定性成为解决矿区冻土工程地 质问题的关键［15-19］。为此，本文拟应用数值模拟方 法，预测一定初始温度条件和不同边界条件下煤矿 井工开采对冻土环境的影响程度，以此探究井工开 采下冻土环境的变化规律，从而为冻土环境保护与 生态重建提供科学依据与理论基础。 1 计算模型及参数设置 在冻土温度场计算中，当仅考虑介质的热传导、 冰水相变而忽略热对流及其他作用，并认为未冻水含 量仅是温度的函数时，地基横断面内温度场的分布可 用如下伴有相变问题的二维热传导方程描述［20-22］ （）（） TTT C txxyy ρλλ ∂∂∂∂∂ ∂∂∂∂∂ 其中 up ufi fbbp pb fb （） （1） （） CTT CCWL CCTTTTT TTWT CTT ■＞ ■ -∂■ - ■ -∂ ■ ■ ＜ ■ （）（≤≤） up uf fbbp pb fb （） （） TT TTTTT TT TT λ λλ λλ λ ■＞ ■ -■ - ■ - ■ ■ ＜ ■ （）（≤≤） 式中 ρ 为土的天然容重，kg/m3；C 为土的比热， J/（kgK）； Cu、 Cf分别为融土及冻土的比热 KJ/（m3℃）； λ 为土的导热系数，J/（mCh）；λu、λf分别为融土及冻 土的导热系数；L 为水的相变潜热，J/kg；W、Wi分别 为冻土的总含水量及含冰量，％；Tp、Tb分别为冻土 剧烈相变区的上、下界温度值，℃；T 为温度，℃；t 为时间变量，h；x、y 为空间变量，m。 井筒半径为 2.5 m，井深 600 m，计算中忽略土 层在竖直方向上的相互热影响，只考虑不同深度处 井壁在水平方向上对其周边冻土的热影响，所以计 算区域简化为不同深度水平剖面的二维区域。计算 区域在几何形状上关于井筒轴线是轴对称的， 简化为 四分之一井筒来计算。计算中井筒周边延伸 40 m（从 圆心算起）。计算模型及网格划分见图 1，土层为风 化基岩。 图 1 井巷开采计算模型（单位m） Fig.1 Computing model of underground mining. 土层物理参数在计算过程中，土体的热容只 取其冻、融两种状态的容积热容量。另外，导热系 数取值只考虑冻融状态而忽视温度的影响。土层物 理参数见表 1。 表 1 土层（风化基岩）热力学参数 Table 1 Thermodynamic parameters of soil layer 土层类型 ρ/（kgm-3） λf/（J（mCh）-1 ） λu/（J（mCh）-1 ） Cf/（kJ m-3 C-1 ） Cu/（kJ m-3 C-1 ） 含水量/ ％ 风化基岩 2 200 5 184 4 147 2 088 2 564 5 在此不考虑全球变暖的影响，假设挖井引起的 热扰动为 2℃，温度变化简化为如下三角函数形式 2ππ （ ， ， ）sin（） 87602 t T x y tTTAΔ （x，y）AB∈ 式中 T 为天然地面下不同深度处年平均温度，天然 地面年平均温度分别为-0.5℃，-1.0℃，-1.5℃， -2.0℃， 不同深度的地温从天然地面按地温梯度0.02 /m℃来计算；TΔ为挖井引起的热扰动，取为 2℃； A 为年温度变化振幅，天然地面取为 10℃，天然地 面以下取为 5℃；t 为时间，a；π/2 为初始计算相位。 四侧BC，CD，DE和EA取绝热边界条件， 初始条件 TT0，以挖井前的天然地面下不同深度的 年平均温度给出，具体通过温度梯度来计算得到。 2 模拟结果与影响分析 为便于分析，在多年冻土层内用最大融深来描 述冻土热稳定性，在季节冻土层内用最大冻深来描 述冻土热稳定性。 ChaoXing 100 煤田地质与勘探 第 44 卷 2.1 不同年平均地温下天然地面处井壁周围最 大融深随时间的变化规律 图 2 显示了不同年平均地温下天然地面处井壁 周围最大融深随时间的变化规律。 当天然地面年平均 温度为-0.5℃，即初始温度-0.5℃，100 a 内最大融化 深度时冻融线随时间的变化。 从图中可以看出最大融 深从第 1 年的 5.60 m 扩大到第 100 年的 25.25 m。 当 天然地面年平均温度为-1.0℃， 即初始温度为-1.0℃， 第 1 年的最大融深为 5.10 m， 第 100 年的最大融深为 6.50 m，从第 3 年开始到第 100 年变化不大。当天然 地面年平均温度为-1.5℃，即初始温度为-1.5℃，第 图 2 不同年平均地温下天然地面处井壁周围最大融深 随时间的变化 Fig.2 Change of the maximum thawing-depth with time around wall of a well at the natural ground in different annual average ground temperature 1年的最大融深为4.85 m， 第100年的最大融深为6.0 m， 从第 3 年开始到第 100 年变化不大。 当天然地面年平 均温度为-2.0℃，即初始温度为-2.0℃，第 1 年的最大 融深为 4.6 m，第 100 年的最大融深为 5.75 m，从第 3 年开始到第 100 年变化不大。 2.2 不同年平均地温下不同深度最大融深随时 间的变化规律 图 3 显示了不同年平均地温下不同深度最大融 深随时间的变化规律。 图 3a 分别显示了年平均温度 为-0.5℃时天然地面、10 m、20 m 处的最大融深随 时间的变化图。从图中可以看出，最大融深随时间 呈增大趋势；由于受地温梯度的影响，10 m 处的最 大融深在第 90 年超过 40 m，20 m 处的最大融深在 第 9 年就超过 40 m。图 3b 分别显示了年平均温度 为-1.0℃时天然地面、25 m、35 m 和 45 m 处的最大 融深随时间的变化图。从图中可以看出，最大融深 随时间呈增大趋势；由于受地温梯度的影响，45 m 处的最大融深在第 9 年就超过 40 m。图 3c 分别显 示了年平均温度为-1.5℃时天然地面、25 m、50 m、 60 m、70 m 处的最大融深随时间的变化图。从图中 可以看出，最大融深随时间呈增大趋势；由于受地 温梯度的影响，70 m 处的最大融深在第 9 年就超过 40 m。图 3d 分别显示了年平均温度为-2.0℃时天然 地面、50 m、75 m、85 m、95 m 处的最大融深随时 间的变化图。从图中可以看出，最大融深随时间呈 图 3 不同年平均地温下不同深度最大融深随时间的变化 Fig.3 Change of the maximum thawing-depth with time at different depth in different annual average ground temperature ChaoXing 第 4 期 曹伟等 煤矿井工开采对冻土环境的影响分析 101 增大趋势；由于受地温梯度的影响，95 m 处的最大 融深在第 9 年就超过 40 m。 2.3 不同年平均地温下不同深度最大冻深随时 间的变化规律 图 4 显示了不同年平均地温下不同深度最大冻 深随时间的变化规律。 图 4a 分别显示了年平均温度 为-0.5℃时 30 m、50 m、100 m、150 m、170 m 深 度处的最大冻深随时间的变化。从图中可以看出， 随着井筒深度的增加，地温升高，最大冻深减小； 最大冻深在运营初期随时间呈减小趋势， 3 a 后随时 间基本不发生变化。 图 4b 分别显示了年平均温度为 -1.0℃时 55 m、75 m、125 m、175 m、195 m 深度 处的最大冻深随时间的变化。从图中可以看出，随 着井筒深度的增加，地温升高，最大冻深减小；最 大冻深在运营初期随时间呈减小趋势， 3 a 后随时间 基本不发生变化。图 4c 分别显示了年平均温度为 -1.5℃时 80 m、100 m、150 m、200 m、220 m 深度 处的最大冻深随时间的变化。从图中可以看出，随 着井筒深度的增加，地温升高，最大冻深减小；最 大冻深在运营初期随时间呈减小趋势， 3 a 后随时间 基本不发生变化。图 4d 分别显示了年平均温度为 -2.0℃时 105 m、125 m、175 m、225 m、245 m 深 度处的最大冻深随时间的变化。从图中可以看出， 随着井筒深度的增加，地温升高，最大冻深减小； 最大冻深在运营初期随时间呈减小趋势， 3 a 后随时 间基本不发生变化。 图 4 不同年平均地温下不同深度最大冻深随时间的变化 Fig.4 Change of the maximum freezing-depth with time at different depth in different annual average ground temperature 2.4 不同年平均地温下井壁不同深度最大融深 （冻深）随时间的变化规律 图 5 为不同年平均地温下井壁不同深度最大融 深（冻深）随时间的变化规律。图 5a 显示了年平均温 度为-0.5℃时沿井壁深度， 最大融深（冻深）随时间的 变化。深度 25 m 以上是多年冻土区，给出了最大融 深随时间的变化。从图中可以看出，最大融深逐年 增加，在深度 25 m 附近，最大融深从第 1 年的十几 米发展到第 100 年的 40 m 以上；深度 25～175 m 为 季节冻土区，最大冻深随时间略有减少，从第 1 年 的二十余米变化为第 100 年的 20 m 左右；深度 175 m 以下为融土。图 5b 显示了年平均温度为-1.0℃时 沿井壁深度，最大融深（冻深）随时间的变化。50 m 以上是多年冻土区， 给出了最大融深随时间的变化， 从图中可以看出，最大融深逐年增加，在深度 50 m 附近，最大融深从第 1 年的十几米发展到第 100 年 的 40 m 以上；50～195 m 为季节冻土区，最大冻深 随时间略有减少， 从第 1 年的二十余米变化为第 100 年的 20 m 左右；195 m 以下为融土。图 5c 显示了 年平均温度为-1.5℃时沿井壁深度， 最大融深（冻深） 随时间的变化。75 m 以上是多年冻土区，最大融深 逐年增加，在深度 75 m 附近，最大融深从第 1 年的 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 44 卷 十几米发展到第 100 年的 40 m 以上；75～220 m 为 季节冻土区，最大冻深随时间略有减少，从第 1 年 的二十余米变化为第 100 年的 20 m 左右；220 m 以 下为融土。图 5d 显示了年平均温度为-2.0℃时沿井 壁深度，最大融深（冻深）随时间的变化。100 m 以上 是多年冻土区，最大融深逐年增加，在深度 100 m 附近，最大融深从第 1 年的十几米发展到第 100 年 的 40 m 以上；100～225 m 为季节冻土区，最大冻深 随时间略有减少， 从第 1 年的二十余米变化为第 100 年的 20 m 左右；225m 以下为融土。 图 5 不同年平均地温下井壁不同深度最大融深（冻深）随时间的变化 Fig.5 Change of the maximum thawing-depth （freezing-depth） with time at different depth of wall of a well in different annual average ground temperature 3 结果验证与对比讨论 在井工煤矿开采的过程中，地表沉陷会使采空 区上覆岩层和地表产生不同程度的变形和移动。在 这一过程中，外部因素（气候因素、地形地貌、第四 纪地质因素、人类活动因素），特别是人类活动没有 对多年冻土产生直接影响，不会对多年冻土产生明 显的热扰动，地表沉陷仅仅可能会引起上覆多年冻 土小范围内的变形或移动，因而表征多年冻土特征 的主要指标（岩性、含冰量、年平均地温、季节融化 深度、多年冻土厚度）不会发生太大的改变。但是由 于井工开采后地表沉陷会造成上覆地表水岩平衡被 打破，导致浅层地下水系的改变，从而对上覆草甸 产生一定的影响，导致草甸的枯萎与死亡［23-25］。地 表植被的变化，将会改变地表热辐射，在一定程度 上会导致季节融化深度的加深、冻土上限的下降， 地下冰的融化。浅层地下水位的下降又会反过来导 致上覆草甸的枯萎与死亡。 木里煤田和热水煤矿同处于祁连山南坡。木里 煤田多年冻土连续分布，山前缓坡高含冰量冻土区 是木里煤田分布最为广泛的多年冻土，也是井田主 要赋存的冻土地带。其主要冻土特征地表以下 1.0～7.0 m 深度范围多见冰层，局部地段冰层厚度可达 9 m。在下部基岩风化层附近也常常发育约 0.3～1.0 m 厚的高含冰量岩层。季节融化深度 1.0～1.3 m，细粒土 层 中 冻 土 含 冰 量 40％～90％， 冰 碛 层 中 含 冰 量 15％～40％。多年冻土厚度 50～90 m，多年冻土温度 -1.0～-2.0℃。热水煤矿位于大通山北麓边缘地带， 其位于山前坡地及沟谷地（海拔 3 780～3 480 m），季 节冻结层的分布呈岛状或条带状穿插于多年冻土区 ChaoXing 第 4 期 曹伟等 煤矿井工开采对冻土环境的影响分析 103 内，冻土的年平均地温为-0.1～-1.0℃，最大季节融 化深度 0.9～4.0 m，与岩性和含水量关系极为密切。 总体来说， 木里地区季节融化过程与热水地区相比， 差别不大，只是木里地面开始稳定融化要迟一点（每 年 4 月末至 5 月初），到达最大融深时要稍早点（每 年 9 月末至 10 月上旬）。 因此热水煤矿的施工经验对地处同一地区， 多年冻土发育状况相似的木里煤田的开发建设具 有极强的参考价值。通过对地处多年冻土区的热 水矿区海塔尔老煤矿沉陷区的实际调查，该煤矿 原为井巷开采，开采深度 540 m 左右，该煤矿现 已闭矿。在采空区周围形成了沉陷，并逐渐向周 围扩展，离采空区最近的沉陷，出现深 50～60 m， 直径 30～100 m 左右的圆形凹坑，凹坑内有积水结 冰现象， 边坡处也有滑塌现象。 再向外围 10～12 m， 出现了 50～60 cm 深的地裂缝，再扩展 7～8 m 左右 出现了深 30～40 cm 左右的地裂缝，地裂缝沉陷高 度 30～100 cm 不等，整个沉陷影响范围延伸几公 里。一般而言，在多年冻土区进行煤矿井工开采， 会造成不同程度的崩塌、地裂缝等地质灾害。根 据热水矿区海塔尔老煤矿的开采沉陷情况来看， 井工开采后沉陷所产生的地裂缝等地表岩体的力 学变化并没有改变冻土层的性质和厚度，但水岩 平衡的改变对冻土层上覆草甸会产生一定的影 响，导致地表植被的枯萎与死亡。 4 结 论 a. 通过分析井壁不同深度最大融深（冻深）随 时间的变化和井壁剖面不同位置处融深（冻深）随 着时间变化的空间连续性，可以看出，最大融深 随时间呈增大趋势；沿井壁深度，最大融深逐年 增加，在多年冻土与季节冻土的交界附近，最大 融深增加较快。因此，冻土融化后的稳定性问题 需要考虑。但是，总体来说，由于开采巷道横截 面较小，如果做好各项冻土保护措施，井壁周围 多年冻土温度升高幅度可能不会太大，因而井工 开采会对井壁周围多年冻土热稳定性造成一定影 响，但不会造成大面积冻土的融化变形，基本能 保证矿井的安全施工。 b. 和露天开采相比，井工煤矿开采不会对冻土 环境造成强烈的影响， 但其对多年冻土产生的影响是 不可忽视的。 因而， 在施工期与运营期应采取一些积 极有效的措施和施工方法以避免开采过程对多年冻 土的影响。 在矿井巷道设计过程中， 尽量减小对多年 冻土的热扰动， 必要时采取冻结技术进行施工； 施工 期应尽量减少对地表植被的破坏， 对于井工开采产生 的地裂缝进行填充处理，地裂缝深部采用矸石充填， 表面覆土， 植被移植， 并采用经达标处理的矿区废水 对其进行漫灌，加强冻土环境的恢复。 参考文献 ［1］ 曹伟，盛煜，陈继. 青海木里煤田冻土环境评价初步研究［J］. 冰川冻土，2008，30（1）157-164. 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