大倾角特厚煤层水平分层（深部）综放开采地表沉陷与地表水渗流研究.pdf

第 1 7 卷第 7 期 2 0 0 8年 7月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ． 1 7，No ．7 J u l y 2 0 0 8 大倾 角特厚 煤层 水平分层 深部综放 开采 地表沉陷与地表水渗流研 究 郭春颖，焦申华 北 京岩 土工程勘 察 院 ，北 京 1 0 0 0 8 3 摘要 针对复杂地质 条件下大倾角煤层地下重复 开采扰动 引起的地表 沉陷问题及 与之伴 随的地表 水入渗 问题 ，运用 F L AC软件 ，对不同水平煤层 开采进行 了模拟计算 ，总结 出大倾角煤层 开采 随着 开采 水平 的深部发展 ，地表沉陷越来越严 重 ，沉陷的幅度逐 渐减小 ，采空 区上方 裂隙逐渐 压密 ，地表水 最终 沿着采 空区两侧 的拉破坏 区入渗的特点 ，并对现场不同开采水平的地表沉 陷以及 地表水入 渗情况进行 了 预测 。对指导现场生产和理论研究有积极 意义 。 关键词 地表沉 陷；大倾角煤层 ；重复扰动 ；数值 计算 中 图分 类 号 TD3 2 7 文 献标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 4 S t u d y o f s u r f a c e s u b s i d e nc e a n d s u r f a c e wa t e r s e e pi ng d u e t o h o r i z o n t a l s e c t i o n t o p c o a l c a v i n g d e e p mi ni ng i n h i g h s t e e p t h i c k c o a l s e a m GUO C h u n y i n g ，J I AO S h e n - h u a B e i j i n g GE O． I NV． ENG．I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 目前我 国三下 开采 ，特别 是建 筑物下 和水 下压 煤开采 量呈上 升趋 势 。开采后 ，岩层 抽 冒和地 表变 形威胁 地表建 筑物 的安全 ；地 表水倒 灌则 可能 引发 井下突水和淹井事故。因此 ，研究地下开采与地表 沉陷以及地表水下渗的关系，对确保安全开采、保 护 地面建 筑物 和地 面环境 具有 十分重要 的 意义 。我 国对 开采 沉 陷学 以及 地表水 渗 流的研究 经过 最近几 十年的发 展取得 了长 足 的进 步 ，形成 了独立 的学科 范 围和独 特 的研 究方 法 ，有 关开 采沉 陷的理论 和方 法 以及 防洪 治水 的措施 也 已经 在现 场生产 实践 中发 挥 了重 要作用 。 然 而 ，现有 的开采 沉陷理 论和 地表水 人渗理 论 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 2 8 基本上存在两个缺陷。首先 ，基本都是以均匀连续 介 质假 设作 为理 论研 究前 提 ，不能 考虑 岩层 中存在 的不连续面 ，如节理、裂 隙以及 断层 的影响 ；其 次 ，基本都是 以厚 松散近水平煤层 开采为地质背 景 ，对于厚冲积层急倾斜煤层 ，重复采动下的地表 移 动和 变形规 律 的研究 不够 。如何 准 确地 掌 握 ，这 类复杂地质条件下地表移动变形和地表水人渗的特 点 和规律 ，进 而指 导生 产实 践 ，是解 决急 倾斜 煤层 地表沉陷损害问题和防止地表水淹井问题 的首要任 务 。 本 文运 用 F L AC程 序 ，模 拟 某 国有 大 型 煤 矿 地质条件复杂 ，含多条断层大倾 角煤层水平分 层 开 采过程 ，预测不 同 开采水 平 的地表 沉 陷 以及 地 表水人渗情况。 一～一 一～一～ 一 d “ m k 一一～ ～～一 一 一 _羔 一 ．一 一 一 ．s ～ 一 Ⅻ 一 ～一～ 一～一一 一 一～一～一一 一 一 一 一一～ 一～ 一 一 一一 一～一 一 埘 三 一 ～ 一～一一一～ ～ ～一一一一一～ 一 ～一一～一～～ ～ 维普资讯 第 7期 郭春颖 等 大倾角特厚煤层水平分层 深部综放开采地表沉 陷与地 表水 渗流研究8 3 1 计 算模 型和 计算 参数 1 ． 1工程 背景 该 矿 系 国有 大 型现代 化矿 井 ，主要 开采 煤层 有 两 层 ，其 中 2 煤 厚 3 ～ 1 6 ． 7 m，4 煤 厚 1 O ～2 3 m， 煤层倾角 3 O 。 ～5 8 。 ，属急倾斜煤层 。该矿采用倾斜 分 层走 向长 壁跨 落法 和水 平分段 放 顶煤 采煤 法 ， 目 前 开采 深度 为 1 5 0 m 左 右 ，采 空 区地 表 出现 明显 的 塌 陷漏 斗和 开裂 。矿 区无 常年 积 水 ，仅 在 每年 7 ～ 9月 份雨 季 期 间有 暂 时性 流 水 ，但 瞬 时 流 量 较 大 。 该 矿于 1 9 9 5年 8月 1 6日和 8月 3 1日在 2 井 石 沟 地 区发 生过 两 起 洪 水 沿 塌 陷 区倒 灌 井 下 的淹 井 事 故，造成 8名矿工遇难和数千万元的财产损失 。 1 ． 2 计算 模型 本文主要研究复杂地质条件下，急倾斜煤层开 采 “ 三带”的形成 、发展特征，及其对地表沉陷的 影响规律 ；重复采动下地表移动和变形的特点和规 律 ；煤层 深部 开采 开展 对地 表变 形 的影响 ；并 预测 矿 区地 下开 采不 同水 平 的地 表沉 陷情 况 。因此 选择 该 矿石 沟 区域 XX剖 面作为 研究 对象 ，该 区域 地 质 构造 主要受 四条断层 F 1 7 、F 1 6 、F 1 5 、F 3 的 控 制 ，地 表 为 5 0 m 厚 黄 土 ，地 表 标 高 为 1 8 5 0 ～ 1 9 0 0 m。该剖面岩层分布复杂 ，为更加真实模拟工 作面重复采动的影响 ，模型未对原有的地质构造做 简 化 。 整 个 模 型 宽 9 0 0 m 大 地 坐 标 3 2 0 0～ 4 1 0 0 m ，高 4 0 0 m 水 平 标 高 1 5 0 0 ～ 地 表 ，为 如实的反演岩层移动的变化过程和地表沉降的演化 过程 ，对剖面的几何模型进行 了足够的细分 ，模型 划分为 1 8 0 8 0 1 4 4 0 0个单元，模型两侧限制水 平位移 ，模型底边限制水平位移和垂直位移。 1 ． 3 计算参数 根 据研究 区域 的岩层 柱状 图和煤 岩物 理力 学实 验结果 ，确定计算模型的基本参数 。此外 ，模拟计 算还涉及一些附加材料 ，如断层 、充填材料、采空 区垮落矸石和支护结构等 。 1 表土和岩石物理力学参数 力学试验表明，当载荷达到屈服极限后 ，岩体 在塑 性流 动过 程 中依然 保持 一定 的强 度 。因此 ，本 研究对表土和岩体采用莫尔一 库仑屈服准则 。 0-1 一 a 3 r1 二 s in o 一 2 ／ 11 一 ss iinn o 1 式中， 、 分别是 最大和最小 主应力；c 、 分 别是粘结力和摩擦角 。当 O时，材料将发生剪 切 破坏 。在 通 常 应 力 状 态 下 ，岩 体 的抗 拉 强 度 很 低 ，因此可根据抗拉强度准则 0- 3 0- 判断岩体 是 否产 生拉 破坏 。表 1给 出了力学 试验得 到 的煤岩 力学参数。 表 1 岩 力学参 数 序 号 茎 层 厚 m 密 度 P 弹 性 模 量 泊 松 比 粘 聚 力 c 内 摩 擦 角 孔 隙 率 渗 透 率 g ／ c m 。 E G P a M P a 。 D a rcy 1 黄土 5 0 2 中砂岩 1 0 6 ． 7 1 3 泥岩夹砂质 泥岩 2 0 ． 4 4 4 粉砂岩 l 8 ． 3 l 5 二层煤 3 0 6 细砂岩 5 3 ． 1 2 7 四层煤 3 0 8 泥质粉砂岩 1 5 ． 9 2 1 ． 8 0 0 2 ． 5 4 5 2 ． 4 0 0 2 ． 5 3 0 1 ． 3 2 8 2 ．6 1 7 1 ． 3 6 7 2 ．3 0 0 0 ． 3 0 0 ． 2 0 0 ．3 8 0 0 ． 2l 8 0 ． 3 0 6 0 ． 2 2 6 0 ． 4 5 0 0 ． 3 8 0 5 1 0 一 2 1 0 一 1 1 0 一 2 l 0 一 1 1 0 一 2 1 0 一 1 1 0 -7 1 1 0 --7 2 煤岩物理力学参数 根据煤体的力学试验表明 ，当煤体达到屈服强 度以后 ，煤体的承载能力急速下降 ，下降到一定数 值后趋 于稳定，这 是莫尔一 库 仑准则无 法反 演 的。 因此 ，计算中对煤体采用应变软化 模型进行模拟 。 表 2给出了煤岩峰后残余强度的变化值。 3 断层物理力学参数 断层 的存在将在很大程度上影响岩层移动 的规 律和特征 。在采动影 响下，断层将产生滑移、张开 表 2 煤 岩峰 后残余强度变化值 和闭合。表 3给 出模拟计算 采用 的断层 的力 学参 数 。 ∞勰“北 8 化 }墨 “ 2 L 维普资讯 8 4 中 国 矿 业 第1 7 卷 4 冒落矸 石物理 力学 参数 采 空 区 冒落 的矸石 是一种 松散介 质 ，它对 顶板 支撑的力学作用可近似地用弹性支撑体表述 ，垮落 带的高度是采高 的 3 ～5倍。随着 工作 面的推进， 矸 石在 覆岩作 用下 逐步 被 压 实 ，材 料 的密度 P 、弹 性 模量 E 和泊松 比 都应 随时 问而增 加 ，可 由以下 经 验公 式表述 P一 1 6 0 0 8 0 0 1一 e ’ k g ／ m。 2 E 一 1 5 1 7 5 1一 e MP a 3 V 一 0 ．0 5 0 ． 2 1一 e 4 式 中 时 间 t 的单 位 为 a 。 2 开采方 案 为了尽量保持采区开采强度连续均匀，有利于 采 区主要巷 道 的布置 与维护 ，煤 层之 间不受 或少 受 开采 的影 响 ，现 场 的采 用水 平分 层开采 。水 平分段 的划分 为煤 层 依 次 开 采 到 水 平 标 高 1 7 0 0 m、 1 6 5 0 m、1 6 0 0 m、 1 5 5 0 m。 同一 水 平 层 内，从 顶 板 向底板方 向开采 ， 由于监 测需 要 ，又依据 煤层 水平 分层 情况 分为 4个 开采 阶段 。预测 4个 阶段 的 地表 沉 陷情况 和地 表水 的入渗 迹线 ，为 现场 选择 合 理地表塌陷区治理方案以及采取有效的防洪治理措 施 提 供依 据 。 3计 算 结果分 析 根据以上地质条件以及开采方案，建立模型计 算 。下面 给 出了主要 的计算 结 果 。 3 ． I 地表 变形 分析 表 4 随着煤 层开 采 向深部发 展 ，地表 沉 陷越来 越严 重 ，从 开采 1 7 0 0 m 水 平 的 1 -． 1 5 m，增 加 到 1 5 5 0 m 水 平 的 3 ． 7 4 m，这是 由于地 下 开采造 成 的重复 扰动 引起 的地 表沉 陷恶 化 ；然 而从地 表沉 陷增 加 的幅度 来看，从 1 6 5 0 m水平到 1 7 0 0 m 水平沉陷峰值增加 了 1 ． 2 6 m，从 1 5 5 0 m水平到 1 6 0 0 m 水平沉 陷峰值 增加 了 0 ． 5 m，沉陷峰值在减小 ，因此可以认为随 着 煤 层开 采 的深 部 发 展 ，地 表 沉 陷 的 烈 度 有 所 减 小 ；而地 表下 沉 的峰 值 位 置 向煤 层 顶 板 方 向偏 移 ， 这是 由于大倾角煤层分布的形态造成的 图 1 。 表 4地表变形特征值 大地坐标／ m 图 I 地表 下沉 曲线 维普资讯 第 7 期 郭春颖等 大倾角特厚煤层水平分层 深 部综放 开采地表沉陷与地表水渗流研究8 5 地表倾斜是破坏地表建筑物的关键要素 。计算 结 果给 出 了开采倾 向方 向地 表倾 斜 的发展 情 况 。在 虚 线范 围 内的地 表倾 斜 较 小 l O mm／ m ， 地表建筑物发生严重的倾斜和错动 ，严重的有倒塌 的危 险 ，应进 行拆 除 和重 建 图 2 。 图 2地表倾斜 曲线 地 表还 有从 煤层顶 底 板侧 向采 空 区方 向的水 平 增 大 ，底板侧 位 移有少 量 增大 图 3 。 位移，随着煤层开采向深部开展 ，顶板侧位移明显 大地 坐标， m 图 3水平位移 曲线 3 ． 2 地表水 渗 流分析 计 算结 果表 明 ，浅部 最小 主应 力小 于深 部最 小 主应力 ，在 近地 表 区域甚 至 出现水 平拉 应力 ，这 是 导致地表裂缝 的力学根源 ，同时也是地表水能够渗 人 开采 区 的必要条 件 。 当在 断层 附近开 采时 ，地 表 水主要通过断层或断层与破坏区连通 的位置渗人地 下 ，容易发生地 下 突水 事故。随着开采深 度 的增 加 ，由于顶板 岩层 铰接 拱梁 的结 构逐 步形 成 ，在 采 空区上方水平挤压应力逐渐增加 ，岩土体 内部分张 开裂缝和冒落岩体进一步压密、愈合 ，形成阻水机 制 ，地表水沿采空区中部塌陷破断岩体的渗人势头 得到遏制 图 4 ，地表水最终只沿着采空 区两侧 的拉破裂区人渗，从而减轻了地表降水造成井下突 水的危害性 ，对 防止洪水突然倒灌 井下有积极 意 义 。同时 ，采空 区两 侧 的裂 隙区也应 当成为现 场 防 洪 的关键 部 位 。 4结论 本 文 运用 F L AC软 件 ，针 对 某 国有 大 型 煤 矿 大倾角煤层水平分层开采不 同时期的开采沉陷和地 表水人渗情况进行 了模拟计算。得出以下结论 1 现场 1 7 0 0 m、1 6 5 0 m 水平 已经开采完成， 计算结果与现场基本 吻合； 2 随着开采水平的深部发展，地表沉陷越来 越严重，沉 陷的幅度逐渐减小 ； 维普资讯 8 6 中 国 矿业 第1 7 卷 a 】 开采到1 7 0 0 e ra 水平 c 开 采到1 6 0 0 c m 水 下 b 开采到 1 6 5 0 e m 水甲 d 开采到 1 5 5 0 c m 水甲 图 4不同开采水平地表水的渗流迹线 3 随着 开采 水平 的深部 发展 ，采 空 区上 方裂 隙逐 渐压密 ，地表 水最 终沿着 采空 区两侧 的拉 破坏 区入 渗 ； 4 预 测 了 1 6 0 0 m、1 5 5 0 m 水 平 地 表 沉 陷 及 地表 水 的入渗 情况 。 这些结论为现场采用有效的塌陷区治理措施提 供 了依据 ；为研 究地 下重 复开采 扰动下 地表 移动 规 律提供依据，对生产实践和理论研究都具有一定的 价值 。 _ 1 3 2 3 谢和平 ，周宏伟 ， 应用及 对 比分 析 4 3 9 7 4 01 ． 高明 中，余 忠林． 参考文献 王金安．F L AC在煤 矿开采沉陷预测 中的 [ J ] ．岩 石 力 学 与 工程 学报 ，1 9 9 9 ，1 8 急倾斜煤层开采对地 表沉陷影响的数值模 拟I lJ ] ．煤炭学报 ，2 0 0 3 ，2 8 6 5 7 8 5 8 2 ． 颜荣贵．地基开采沉陷及其地 表建筑[ M] ．北 京 冶 金工 业 出版社 ，1 9 9 5 ． 何 国清 ，杨伦 ，凌赓 娣 ，等． 矿山 开采沉 陷学[ D ] ．徐 州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 1 ． 邓喀 中．开采沉陷中的岩 体结构 效应[ M] ．徐 州 中国矿 业大学出版社 ，1 9 9 8 ． 隋旺华．开采沉 陷土体变 形工程 地质研 究 [ M] ．徐州 中 国矿业大学 出版社 ，1 9 9 9 ． 于喜东．煤矿 开采沉 陷移 动变形 预测[ J 3 ．山 西焦 煤科技 ， 2 0 0 4， 1 2 9 1 1 ． 张永 吉，陈刚，王琼．开采引起地表沉陷规律的有 限元 分析[ J ] ．矿 山压力与顶板管理 ，2 0 0 5 ， 1 9 7 9 8 ． 胡凤英 ，李笑峰 ，采矿塌陷 区降雨渗水 特点及其 防治 [ J ] ． 金 属 矿 山 ，2 0 0 1 ， 3 2 1 2 5 ． 米米米 米米米 米米米米米 米米米 米米米米 米米米米 米米米米米米米 米米米米 米米米米米米 米米米米米米 米米米米 上 接第 7 6页 量预测 ，可以针对性地进行水土保持。上述的预测 模式能为铁矿开采项 目的水土保持提供理论指导。 ■_ 参考文献 [ 1 3 徐叶兵 ，邓军．我国铁矿资源保 障对 策探讨[ J ] ．国土 资 源情报 ，2 0 0 6 ， 6 3 7 4 0 ． 2 3 马 锐，韩武波，白中科．黄土区大型露天矿排土场水土 流 失致灾因子 的确定 [ J ] ．能源环境保护 ，2 0 0 6 ，2 0 2 5 0 54． [ 3 3 周富春．山区公 路工程建设 期水土 流失量的 预测模式[ J ] ． 重庆建筑 大学学报 ，2 0 0 6 ． [ 4 ] 王礼先 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