水库下采煤的安全性分析(1).doc

水库下采煤的安全性分析 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 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[1-2 ]。 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[ 3-4 ],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[6-7 ]。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 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。 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[8-9 ]。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。 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 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 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[12-16 ]。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 S1 h1 / 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 3.5m，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 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 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. 854m，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. 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