水库下压煤开采安全性分析.pdf

doi 10． 3969/j． issn． 1001 －358X． 2015． 01． 22 水库下压煤开采安全性分析 * 方文会1， 刘义新2， 3 1． 煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司， 郑州450007; 2． 煤炭科学技术研究院有限公司， 北京100013; 3． 北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京 100013 摘要 水库下压煤开采必须对开采的安全性进行分析。文中以某水库压煤区域为研究对象， 根据矿 井地质采矿条件和水体情况， 分析了压煤区域覆岩结构特性; 利用综放开采导水裂缝带计算公式求 得了水库下覆岩破坏最大发育高度; 同时结合国内外类似条件下已有的成功实例， 综合分析了水库 下压煤综放开采的安全性。结果表明水库下压煤开采是安全的。 关键词水库下采煤;导水裂缝带;综放开采 中图分类号 TD823． 83文献标识码 B 文章编号 1001 －358X 2015 01 －0066 －02 * 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51404139 。 煤层地下开采引起上覆岩层及地表移动、 变形 及破坏， 会对采动影响范围内的水体产生一定程度 的影响， 严重时会导致水砂溃入井下， 威胁矿井安全 生产; 甚至造成淹井， 给矿井带来严重的经济损失和 不良的社会效益。因此， 进行水库下压煤开采， 采前 必须对水库下压煤开采的安全性进行分析， 以便采 取相应的安全技术措施， 从而确保煤矿安全生产和 水库安全使用。本文以某煤矿水库压煤为研究对 象， 根据煤矿和水库的实际情况， 进行了覆岩结构特 征分析及导水裂缝带高度计算， 并结合国内外已有 成功实例， 对水库下压煤综放开采的安全性进行了 综合分析。研究对于确保煤矿安全生产， 提高煤炭 采出率， 增加矿井服务年限， 保证水库的安全运行等 都具有重要的现实意义。 1煤矿地质采矿条件及水库概况 1． 1煤矿地质采矿条件 河南省某煤矿为井工煤矿， 井田东西长 14 km， 南北宽 2 ～ 4 km， 井田面积约 33 km2， 生产能力为 1. 8 Mt/a， 采用主斜井、 副立井两个水平上下山开 拓， 综采放顶煤开采， 全部垮落法管理顶板。本井田 地处低山丘陵区， 地表主要水体为水库。 井田出露地层由老至新有 寒武系上统崮山组、 长山组， 奥陶系中统马家沟组， 石炭系上统本溪组、 太原组， 二叠系下统山西组和下石盒子组， 以及上统 上石盒子组和石千峰组， 三叠系下统， 下第三系和第 四系。其中第四系厚度为 0 ～28． 20 m， 平均 7 m， 由 黏土、 砂质黏土及砾石组成。 井田含煤地层为上石炭统太原组、 下二叠统山 西组和下石盒子组及上二叠统上石盒子组， 划分为 9 个煤段， 常见含煤 21 层， 煤层总厚度 11． 72 m。其 中， 山西组所含二1煤层为本井田主要可采煤层， 平 均厚度约 5． 3 m。二1煤层结构简单， 倾角较缓， 直 接顶大部为中及细砂岩， 局部为泥岩及炭质泥岩伪 顶， 且分布零散。煤层底板以泥岩为主， 有炭质泥岩 伪底。 井田地层整体上呈向北倾斜的单斜构造， 构造 形迹以正断层为主。水库下方断层不发育， 仅有 2 条落差小于 5 m 的断层， 再无其它大断层。 井田内共划分为 7 个含水层、 5 个隔水层。主采 煤层二1煤层上方含水层分别为顶板砂岩含水层和 第四系含水层， 富水性弱， 且又有层厚分别约为 160 m和 320 m 的泥岩及炭质泥岩、 砂质泥岩隔水 层， 厚度大， 层位稳定， 为良好的隔水层。压煤区水 文地质条件简单。 1． 2水库概况 在井田的中部范围内有某水库， 为一小型水库， 南北长约 170 m， 东西宽约 27 m， 汇水面积 4． 5 km2， 总库容量 1718 万 m3， 最大泄洪流量 908 m3/s， 最高 洪水位标高 349． 25 m， 主要用于当地农业灌溉。为 保护该水库的正常使用， 对水库采取留设保护煤柱 的保护措施。根据文献［ 1］ 简称“三下” 采煤规程 的有关规定， 参考临近的其它生产矿井岩层移动角， 采用垂线法留设保护煤柱， 计算得出水库压煤量为 8． 418 Mt。为提高煤炭采出率， 增加矿井服务年限， 66 第 1 期 2015 年 2 月 矿山测量 MINE SUＲVEYING No. 1 Feb. 2015 优化矿井生产系统布置， 有必要重新对水库下压煤 能否开采和开采的安全性进行论证。 2水库下压煤开采安全性分析 2． 1覆岩结构特征分析及破坏高度的预计 1 覆岩结构特征分析 水体下采煤主要考虑开采引起的覆岩中裂隙是 否波及地表水体， 是否与地表水体发生水力联 系 ［1 －3 ］。因此， 水体下压煤开采安全性分析首要关 注的是开采引起的覆岩破坏规律。覆岩破坏规律影 响因素繁多， 如上覆岩层的物理力学性质及结构特 征、 采煤方法、 顶板管理方法、 煤层倾角、 采厚、 开采 时间等。通常在煤层属性和采煤方法相同的条件 下， 覆岩岩性与覆岩破坏规律密切相关。坚硬顶板 条件下， 覆岩破坏高度大， 开采易波及水体， 水体下 采煤安全性相对较低; 软弱顶板条件下， 覆岩破坏高 度较小， 开采不易波及水体， 水体下采煤较为有利。 通过对该水库附近区域钻孔资料进行统计分 析， 主采煤层二1煤层上方煤系地层主要以砂岩和泥 岩互层为主， 砂岩所占的比例略大于泥岩所占的比 例， 覆岩岩性判定为中硬岩性， 并据此来计算覆岩破 坏高度。 2 覆岩破坏高度的预计 覆岩破坏高度与许多地质采矿条件有关， 很难 给出统一的多元相关的表达式。目前确定覆岩破坏 高度的方法 ［1 －4 ］主要有实测法、 模拟法、 以及经验公 式法等。在没有矿区实测资料时， 主要采用经验公 式进行预计。目前主要根据覆岩岩性及煤层采厚， 采用 “三下” 采煤规程中给出的计算公式， 可分别求 出垮落带和导水裂缝带高度。但规程中的计算公式 适用于厚煤层分层长壁垮落法开采， 单层采厚 1 ～ 3 m， 累计采厚小于 15 m 的情况下。 当采用综放一次采全高开采时， 由于一次采出 厚度大， 上覆岩层破坏发育高度比分层开采条件下 大， 此时若继续用“三下” 采煤规程中的计算公式进 行计算显然不妥， 不满足计算公式适用条件， 计算结 果有偏差， 直接影响对水体下采煤安全性的判断。 目前， 我国对综放开采覆岩破坏和地表沉陷规律研 究取得了丰硕成果 ［5 －6 ］。由于本矿无实测的导水裂 缝带高度数据， 故根据文献［ 5］ 给出的中硬条件下导 水裂缝带高度计算公式 Hli20 M 10 式中 Hli为 导水裂缝带高度， m; M 为采厚， m ， 求得本矿二1煤 层综放开采条件下导水裂缝带发育的最大高度为 116 m。 为保证导水裂缝带不波及水体， 确保水体压煤 开采安全可靠， 需考虑保护层厚度， 通常需留设 3 ～ 5 A A 为采厚， m 的保护层厚度。二1煤层开采时， 按最大保护层厚度为 5 A 时计算保护层厚度为 26． 5 m， 求得二1煤层开采时需要留设的安全煤岩柱厚度 为 142． 5 m。而水库下二1煤层上覆岩层厚度约 644 m， 可见， 二1煤层开采后导水裂缝带发育的最大高 度与水库底界面有厚约 501． 5 m 的基岩层， 导水裂 缝带不会波及到水库， 且该基岩层中赋存有多层厚 度大隔水性好的泥岩层， 不会形成矿井水灾通道， 即 水库压煤开采不会引起水库水体渗漏。因此， 水库 下压覆的二1煤层进行综放开采是安全的。 2． 2工程类比分析 水体下采煤在国内外已积累了大量实例和丰富 经验。国外水体下采煤主要根据安全开采深度来判 定， 安全开采深度多取采高倍数 ［7 ］。前苏联采高倍 数取值较大 大水库下为 200， 北顿涅茨河下为 150， 其它河流下为 100; 加拿大在海洋下开采的倍数为 100。我国在水体下开采厚煤层大于或等于 5． 0 m 的成功实例也较多［8 ］。本水库压煤区域采深采厚比 值为 121， 已大于前苏联大水库下开采的安全深度倍 数取值。类比国内外已有的实例， 二1煤层在水库下 进行综放开采是安全的。 3结论 1 覆岩结构特性分析和导水裂缝带高度计算 表明， 二1煤层综放开采条件下导水裂缝带发育的最 大高度为116 m， 考虑5 倍的最大保护层厚度， 二1煤 层开采时需要留设的安全煤岩柱厚度为 142． 5 m， 而 导水裂缝带最大高度与水库底界面有厚约 501． 5 m 的基岩层， 导水裂缝带不会波及到水库， 不会形成矿 井水灾通道。 2 导水裂缝带高度计算和国内外成功经验类 比综合表明， 水库下压覆的二1煤层进行综放开采是 安全的。 参考文献 ［ 1］ 国家煤炭工业局． 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程［M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2000． 下转第 85 页 76 第 1 期方文会等 水库下压煤开采安全性分析*2015 年 2 月 图 7地铁站模型 情况。这是因为 SketchUp 中的面有正反面之分， 默 认情况下白色面为正面、 蓝紫色面为反面 ［8 ］， 所以在 贴图出现正反颠倒时， 只需翻转平面后再重新进行 充填即可。 3 由于实际条件的限制， 获取的有些贴图角度 和尺寸比例偏差较大， 喷涂后很难调整， 这时可以将 平面用直线分割成多个平面， 分别充填， 然后再在各 个面上分别进行调整拼接即可， 这样可以获得较理 想的效果。 4结语 本文利用 SketchUp 对武汉市某地铁站进行了三 维建模， 地铁站作为城市交通运输的枢纽， 对其进行 三维建模有着重要意义， 不仅可以将其发布到 Google Earth 上作为数字城市的一部分， 而且通过地 铁站三维模型可以直观显现出地铁站的整体布置， 对地铁站的消防、 安全疏通设计等都有一定帮助， 具 有广阔的应用空间。 参考文献 ［ 1］ 黄海峰， 易武． 利用 Google SketchUp 快速构建滑坡三 维模型［ J］ ． 地球与环境， 2010， 38 3 ． ［ 2］ 韩振兴， 唐兰． SketchUp8 经典教程操作精讲与项目实 训［ M］ ． 北京 化学工业出版社， 2011． ［ 3］ 郭雨龙， 蔡先华． 基于 SketchUp 三维校园构建方法研究 ［ J］ ． 科技信息， 2012， 7 ． ［ 4］ 李闯， 朱静． 基于 Google SketchUp 的虚拟校园三维建 模［ J］ ． 吉林建筑工程学院学报， 2012， 29 5 ． ［ 5］代希波， 高守杰． SketchUp 三维模型构建方法探究 ［ J］ ． 信息通信， 2013， 10 ． ［ 6］ 陈丁罡， 权盼盼． 基于 Google Earth 的建筑物三维建模 ［ J］ ． 城市勘测， 2006， 3 ． ［ 7］ 王超． Sketchup 草图大师软件在工程规划设计中的应 用［ J］ ． 建筑与结构设计， 2010． ［ 8］ 丁源， 崔鹏． SketchUp8 从入门到精通［M］ ． 北京 清华 大学出版社， 2013． ［ 9］ 王志红， 等 . CityGML 三维建模及其应用研究［J］ . 矿 山测量， 2012 3 . 作者简介 张伟 1987 － ， 男， 硕士研究生。 收稿日期 2014 －09 －26 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 上接第 67 页 ［ 2］ 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． ［ 3］ 煤炭科学研究院北京开采研究所． 煤矿地表移动与覆 岩破坏规律及其应用［M］． 北京 煤炭工业出版社， 1981． ［ 4］ 刘义新． 采动覆岩破坏规律的数值模拟［ J］ ． 煤矿安全， 2013， 44 12 198 －200． ［ 5］ 滕永海． 综放开采导水裂缝带的发育特征与最大高度 计算［ J］． 煤炭科学技术， 2011 04 118 －120． ［ 6］ 许延春， 李俊成， 刘世奇， 等． 综放开采覆岩 “两带” 高度 的计算公式及适用性分析［ J］． 煤矿开采， 2011 02 4 －7 11． ［ 7］ 梅文泽， 杜计平， 韩可琦． 水库下安全采煤可行性研究 ［ J］ ． 矿山压力与顶板管理， 2003 04 86 －88 118 － 119． ［ 8］ 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 03 324 －328． 作者简介 方文会 1980 － ， 男， 湖北咸宁人， 本科， 采矿工程 师。2004 年毕业于河南理工大学采矿工程专业， 现从事矿井 设计工作。 收稿日期 2014 －10 －28 58 第 1 期张伟等 基于 SketchUp 的某地铁站三维模型构建方法*2015 年 2 月