黃土地區煤礦地表水防排水研究

朱 閣,武 雄,李平虎,祁瑞軍,穆文平,傅睿智

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境工程北京市重點實驗室,北京 100083;2.天津市勘察院,天津 300191;3.內蒙古第二水文地質工程地質勘察設計院,內蒙古東勝 017000)

黃土地區煤礦地表水防排水研究

朱 閣1,武 雄1,李平虎2,祁瑞軍3,穆文平1,傅睿智1

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境工程北京市重點實驗室,北京 100083;2.天津市勘察院,天津 300191;3.內蒙古第二水文地質工程地質勘察設計院,內蒙古東勝 017000)

目前國內對煤礦水害及防治研究多集中于對地下水水源產生的水害研究,對地表水誘發的煤礦水害研究較少。文章重點關注北方黃土地區煤礦地表水防治問題,為黃土地區的煤礦地表水害提供防治措施。通過對中煤平朔集團安家嶺煤礦的研究,利用概率積分法、FLAC3D數值模擬方法對安家嶺井工1礦4106～4109工作面地表移動規律進行研究模擬,預測開采后地表變形情況和平均影響半徑,評價采動區內地表水滲漏的危險性。結果表明:根據經驗公式與數值模擬方法計算采區“兩帶”(垮落帶與導水裂縫帶)發育高度約為171.8 m;采煤產生的地表積水區與導水裂縫帶會對煤礦開采產生威脅;采取攔截工作面以外外圍來水,就近取土適時填筑凹陷區,及時排除滲入礦井內部的積水等措施解決地表水滲漏問題對煤礦安全生產的影響。

黃土地區;地表水害;變形預測;導水裂縫帶;防治措施

我國是世界上煤礦水害最為嚴重的國家之一。我國煤礦水害類型主要包括喀斯特充水煤礦床水害、砂巖裂隙充水煤礦床水害以及第四系及地表水充水礦床水害[1-7]。目前國內對于煤礦水害的研究多集中于喀斯特充水煤礦床和砂巖裂隙充水煤礦床,而對于北方黃土地區地表水誘發的煤礦水害研究較少。我國北方內蒙古、山西地區溝谷及沖溝廣泛發育,切割深度深,這些沖溝為季節性河流,平常干涸,但在雨季匯水量很大。另外,上述地區的煤層如內蒙古鄂爾多斯神東煤礦、山西朔州平朔煤礦等具有埋藏淺,導水裂縫帶發育高度高,局部與地表相通等特點。因此,在雨季地表水非常容易進入礦井,造成水患。嚴重影響到了礦區的正常生產與人員的生命安全,也會對當地群眾的人居環境造成危害[4-8]。2003年臨汾市江水坪煤礦“4·17”特大淹井事故,因暴雨誘發地表水灌入礦井,造成多名礦工不幸遇難[3]。2006-07 -13內蒙古鄂爾多斯市金利煤礦發生山洪灌井事故,造成2人死亡。因此,針對上述地區開展地表水防排研究及治理工作有重要意義。

1 安家嶺井工1礦礦區概況

安家嶺井工1礦位于寧武煤田北端,屬于山西高原平朔地臺低山丘陵區,多為黃土覆蓋,形成梁垣峁等黃土高原地貌景觀,地形基本呈西高東低趨勢。主要發育水系七里河及3條支溝。西部為南北向山麓, 4106～4109工作面位于該山麓東坡的延伸地帶(圖1)。研究區內從南向北山脊與溝谷交錯出現,走向東西,溝谷多形成季節性河流。山脊兩側分布有眾多沖槽,長度數米至數十米,深度25～40 m不等,這種地貌形態影響了地表水的匯流特征。研究區域降水量分布極不均勻,多集中在7—9月,占全年降水量的

75%～90%,年平均降水量426.7 mm。

2 地表變形預測

2.1 概率積分法

采用目前國內外煤炭行業比較廣泛使用的概率積分法進行地表移動計算[9]。計算步驟遵循各工作面的開采順序,其中4106～4109工作面與9106～9107工作面的開采分成13步。4106工作面分2步開采,對應總步驟的第1,2步;4107工作面分3步開采,對應總步驟的第3,4,5步;4108工作面分4步開采,對應總步驟的第6,7,8,9步;4109工作面分4步開采對應總步驟的第10,11,12,13步;9106工作面分2步開采,對應總步驟的第7,8步,即與4108工作面的開采時間有部分重疊;9107工作面分3步開采,對應總步驟的第10,11,12步,即與4109工作面的開采時間有部分重疊。綜合各步計算結果,得到13個計算步驟地表的水平位移值、沉降量、傾斜值和平均影響半徑的統計表[9-11](表1)。

表1 概率積分法計算結果統計Tab le 1 Calculation results of probability integralmethod

2.2 FLAC3D數值模擬

本次計算的模型范圍:以4108工作面西部邊界向西延伸1 000 m為模型的西部邊界,以4108工作面東部邊界向東延伸1 000 m為模型的東部邊界,以4106工作面的北部邊界向北延伸1 000 m為模型的北部邊界,以4109工作面的南部邊界向南延伸1 000 m為南部邊界,沿深度方向由煤層最大埋深向下延伸300 m為底部計算邊界。模型長度方向為東西向,即X軸方向;寬度方向南北向,即Y軸方向;高度方向為煤層埋深方向,即Z軸方向[11-14]。圖2為計算模型。綜合各步計算結果,得到了13個計算步驟的地表沉降量和平均影響半徑,見表2。

圖2 FLAC3D計算模型Fig.2 Calculation model of FLAC3D

表2 FLAC3D數值模擬計算結果統計Tab le 2 Calculation results of FLAC3D

3 地表水滲漏危險性評估

3.1 采區覆巖“兩帶”發育高度計算

采區內4號上覆巖層為中硬巖層,煤層平均厚度為14 m。9號上覆巖層也為中硬巖層,煤層平均厚度為13.75 m,4號煤與9號煤之間平均距離31.08 m。采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中對應的經驗公式[15-18]:

中硬巖導水裂縫帶發育最大高度經驗計算公式

由此確定“兩帶”發育高度約171.8 m(考慮4倍煤層厚度為保護層厚度)。

3.2 采動影響區內地表水滲漏危險性評價

研究區內分布有石灰巖巖溶裂隙含水層組、碎屑沉積巖裂隙含水層組和松散沉積物孔隙含水層組。而隔水層以煤系地層下部的本溪組泥巖地層和基巖上覆的第三系紅色黏土層為主。4號煤層回采有影響的含水層主要是導水裂縫帶范圍內的砂巖裂隙水和局部地段第四系孔隙水。第四系孔隙水含水層富水范圍有限,富水性弱,因此僅局部與基巖直接接觸地段第四系水可通過導水裂隙帶涌入礦井,使礦井涌水量增大,對4號煤層開采有一定威脅。對4,9號煤層回采有影響的充水水源為太原組砂巖裂隙含水層和奧陶系巖溶裂隙含水層,其中頂板為直接充水水源,對回采會造成直接影響,下伏奧灰含水層為間接充水水源,對煤層回采會造成間接影響[19]。

研究區內煤層埋藏深度不一,其中4106工作面4號頂板埋深120～290 m。總體上,西部埋藏淺,東部埋藏深,山梁處埋藏深,溝谷埋藏淺。圖3為4106工作面4號煤頂板埋深等值線圖,圖4為4106工作面導水裂縫帶發育高度特征圖,圖5為4106工作面導水裂縫帶發育高度加上保護層厚度后的特征圖。從圖中可以看出,導水裂縫帶(含保護層)穿過第三系靜樂組隔水層的區域主要分布在東部與西部的兩個較大區域。在這兩個區域內,導水裂縫帶將溝通第四系含水層,因而地表水可以通過導水斷裂帶滲入礦井。另外,經過地表移動分析,并結合地形地貌特征,預測出4106工作面在4號與9號煤開采過程中會形成一系列凹陷區,如不進行處理將形成地表積水區,對礦井安全生產造成危害[19]。

圖3 4106工作面4號煤頂板埋深等值線Fig.3 Contour line of4106 working face No.4 coal roof buried depth

圖4 4106工作面導水裂縫帶發育高度等值線Fig.4 Contour line of4106 working face water flowing fractured zone

圖5 4106工作面導水裂縫帶+保護層分布特征Fig.5 4106 working face water flowing fractured zone+protective layer

4 防排水措施與工程

4.1 原始地形特征

研究區內,地形總體西高東低,從1 495 m降到1 280 m(按工作面范圍統計)。圖6為研究區地形圖。工作面范圍內發育有眾多沖溝,按照規模將這些沖溝劃分成4級。I級溝有兩條:I-1位于4106與4107工作面之間,I-2位于4107與4108工作面之間。I級溝比較寬緩,寬度和深度都很大,最寬處超過200 m,最窄處約為40 m,溝長較長;溝兩側岸坡較緩,坡角一般在15°以內,局部較陡,最陡處位于4106工作面南側,約30°;沿溝底延長方向,溝底坡度約3°。溝底現為階梯形旱地。II級溝包括兩條,均位于4106工作面的北側,水流方向為WS-EN,流入4106北部的東西向沖溝內;溝寬15～25 m,深25～40 m,兩側岸坡較陡,30°～40°。III級溝多分布在4107工作面的北側(圖6中紅色線條表示),這類沖溝比II級溝短,寬3～8 m,深15～30 m,溝岸較陡;此外,其他沿SW-NE向發育的多條規模較小的沖溝為Ⅳ級溝。

4.2 工作面采動變化

圖7(a)為4106工作面采完后地形。從地形上看,總體地形依然為西高東低。開采4106第1步時未出現積水區,開采4106第2步時出現了3處凹陷積水區,但面積都較小,地表沖溝的總體趨勢沒有沒改變,能夠保證水流通暢。

圖6 原始地形與工作面分布Fig.6 Initial topography and working faces

圖7 開采完4106和4107工作面后的地形Fig.7 Topographic map of4106 and 4107 working face aftermining

圖7(b)為4107工作面開采后地形。從圖可以看出,4107工作面采完后,總體地形依然為西高東低。開采4107第1步和4107第2步時共出現3處凹陷積水區,但面積都很小。地表沖溝的總體趨勢沒有沒改變,能夠保證水流通暢。

煤層開采過程中出現的凹陷積水區的面積都很小,研究區總體地形依然保持西高東低,因此地表沖溝的總體趨勢基本沒有改變,能夠利用原始地形來對地表水進行疏導和排除。各級沖溝的坡度在3°～16°,能夠保證正常流水。

4.3 防水措施總體方案

總體方案遵循以下原則:盡量攔截工作面以外外圍來水,保證工作面內部水流通暢同時能夠就近取土適時填筑凹陷區,避免積水并及時排除滲入礦井內部的積水[20]。根據上述原則,形成總體治理方案:①在4106工作面和4107工作面南部各設置1條截水溝,攔截流向工作面的南部匯水;在4106工作面和4107工作面西側設置1條截水溝,攔截流向工作面的西部匯水。②對采動影響范圍內的地表沖溝分Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級進行削坡處理;對Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ級溝沿溝底填黏土,注意隨采隨察,及時對溝床進行碾壓、夯實、平整,防止地表水入滲;對Ⅰ級沖溝溝底碾壓平整后修筑成簡易道路,保證匯水沿溝底簡易道路迅速流走。同時,簡易道路能夠保證機械車輛的正常通行,能夠在開采過程中及時封堵采動裂縫。③按照數值模擬的預測結果,開采過程中就近取土適時填筑凹陷區,避免積水。④地表水滲入礦井后,通過礦井抽水排除滲入礦井內部的積水。

5 地表水防治工程設計

5.1 截排水溝工程設計

設置截排水溝的目的是為了攔截上游來水,設置在采動影響范圍之外并應盡可能地攔截更多的匯水,避免流入礦井同時保證排水溝要有一定的坡度(即渠道比降),保證水流暢通。

開采前,在4106,4107工作面周邊修筑3條排水溝:①4106工作面南側修筑排1;②4107工作面南側修筑排2;③4106和4107工作面西部修筑排3。其中排3為永久性排水溝,開采4107工作面前將排2填實,截排水溝具體布置如圖8所示。

如前述,礦區所在區域的年平均降水量為426.7 mm,多集中在7—9月,占全年降水量的75%～90%。按照礦區降雨資料,取極端情況進行設計,即一天降雨量為100 mm,地面徑流系數為0.8,各排水溝對應匯水面積和匯水量見表3。

圖8 截排水溝布置Fig.8 Cutting drain ditches arrangement

表3 截排水溝匯水面積與匯水量Table 3 Catchment and water-collecting amount of cutting drain ditches

5.2 地表沖溝處理工程設計

依據開采進程,提前對采動影響范圍內的地表沖溝進行治理,治理過程由西向東隨開采進程分段進行。地表沖溝分成Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四個等級。具體治理措施:①將各級沖溝中兩岸大于20°坡體削成20°,削土填至溝內;②對Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ級溝沿溝底填40 cm厚黏土,注意隨采隨察,及時對溝床進行碾壓、夯實、平整,防止地表水入滲;③對Ⅰ級沖溝溝底碾壓平整后修筑成簡易道路,確保匯水沿溝底簡易道路迅速流走。同時,創造機械車輛正常通行條件,能夠在開采過程中及時封堵采動裂縫。表4為I級溝、II級溝和III級溝削坡工程統計信息[21-22]。

表4 地表原始沖溝削坡工程統計信息Table4 Information of slope cutting of original d rain ditches

5.3 填方工程設計

填方的目的是將采動造成的凹陷區填高,避免地表積水。另外,填方應該保證適時與適量,不能因填方造成上游水流不出去。按照這個要求,進行了填方設計。開采過程中根據數值模擬的預測結果,就近取土適時填筑預測凹陷區(圖9,表5)[23]。

圖9 開采4106工作面和4107工作面過程中填方措施Fig.9 Fill construction of 4106 and 4107 working faces duringmining

表5 填方工程統計信息Tab le 5 Information of fill construction

開采4106工作面第2步時,就近取土適時填筑預測凹陷區,將挖2-0和挖2-1范圍內的土直接推至填2-0、填2-1、填2-2和填2-3預測凹陷區內。采完4106工作面后,開采4107工作面前,填實排1。開采4107工作面第1步時,就近取土適時填筑第1段東端出現的凹陷區填3-0。開采4107工作面第2步時,就近取土適時填筑凹陷區填4-0和填4-1。開采4107工作面第3步時,就近取土適時填筑預測凹陷區,將挖5范圍內的土直接推至填5-0和填5-1預測凹陷區內。

5.4 入滲地表水抽排工程設計

礦區所在區域的年平均降水量426.7 mm,多集中在7—9月,占全年降水量的75%～90%,按照極端情況一天降雨量為100 mm。礦區匯水面積為1 906 237 m2,地表入滲系數為0.2,按此計算滲入4106工作面的水量為417.33 m3/h,滲入4107工作面的水量為1 171.20 m3/h,入滲工作面內部的這部分降水通過礦井抽水排除[24]。

6 結 論

(1)利用概率積分法、FLAC3D數值模擬方法對煤層開挖過程中地表移動規律進行了模擬。經概率積分法計算,得到采動作用下地表水平位移值、傾斜值、地表的沉降值和各步的平均影響半徑,經數值模擬方法計算,得到了13個計算步驟的水平位移值、應力的分布特征、地表沉降量和平均影響半徑。

(2)在采場上覆巖層變形破壞的垂直分帶特征、采區覆巖“兩帶”發育高度、礦井排水引起的水位變化規律等研究的基礎上,利用經驗方法與數值模擬方法確定“兩帶”發育高度約為171.8 m(含保護層),并對地表水滲漏的危險性進行了評價。

(3)根據理論與實際地形分析特征,提出了地表水防治原則:盡量攔截工作面以外外圍來水;保證工作面內部水流通暢;能夠就近取土適時填筑凹陷區,避免積水;能夠及時排除滲入礦井內部的積水。

(4)按照上述原則提出了總體治理方案:①在4106工作面和4107工作面南部各設置1條截水溝,攔截流向工作面的南部匯水;在4106工作面和4107工作面西側設置1條截水溝,攔截流向工作面的西部匯水。②對采動影響范圍內的地表沖溝分Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級進行削坡處理;對Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ級溝沿溝底填黏土,注意隨采隨察,及時對溝床進行碾壓、夯實、平整,

防止地表水入滲;對Ⅰ級沖溝溝底碾壓平整后修筑成簡易道路,保證匯水沿溝底簡易道路迅速流走;同時,簡易道路能夠保證機械車輛的正常通行,能夠在開采過程中及時封堵采動裂縫。③按照數值模擬的預測結果,開采過程中就近取土適時填筑凹陷區,避免積水。④地表水滲入礦井后,通過礦井抽水排除滲入礦井內部的積水。

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Coalm ine surface water prevention and drainage in loess area

ZHU Ge1,WU Xiong1,LIPing-hu2,QIRui-jun3,MUWen-ping1,FU Rui-zhi1

(1.Beijing Key Laboratory ofWater Resources and Environment Engineering,China University ofGeosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Tianjin Institute ofGeotechnical Investigation&Surveying,Tianjin 300191,China;3.InnerMongolia Second Hydrogeology Engineering Geological Prospecting Institute, Dongsheng 017000,China)

At present,researching on mine water disaster and prevention most focused on groundwater cause,while studying on surface water causing disaster prevention was deficiency.The paper focused on the disaster prevention which caused by surface water in loess area and gave the controllingmeasures to solve the problem caused by surface water disaster.The authors used probability integralmethod and FLAC3Dto make numericalmodeling on forecasting surface movementwith average influencing radius of 4106-4109 coal faces of Anjialing Mine and evaluated the potential risk of the surface water leakage.The results show that,the heightof the wat er flowing fractured zone is171.8m which is calculated by numericalmodeling prediction and empirical formula;the water accumulated area and the water flowing fractured zone will endanger the coalmining;intercepting the water coming out of the coal faces,filling the sag with nearby soil,and draining off the water in themines on time can solve the surface water disaster.

loessarea;surfacewater disaster;deformation prediction;water flowing fractured zone;prevention and controllingmeasures

TD743

A

0253-9993(2014)07-1354-07

朱 閣,武 雄,李平虎,等.黃土地區煤礦地表水防排水研究[J].煤炭學報,2014,39(7):1354-1360.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0124

Zhu Ge,Wu Xiong,Li Pinghu,et al.Coalmine surface water prevention and drainage in loess area[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(7):1354-1360.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0124

2014-02-04 責任編輯:韓晉平

教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-10-0753);國家自然科學基金資助項目(41172289);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2012YXL043)

朱 閣(1988—),男,安徽蚌埠人,碩士研究生。E-mail:zhuanzhuge729@163.com