黄土地区煤矿地表水防排水研究

朱 阁,武 雄,李平虎,祁瑞军,穆文平,傅睿智

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境工程北京市重点实验室,北京 100083;2.天津市勘察院,天津 300191;3.内蒙古第二水文地质工程地质勘察设计院,内蒙古东胜 017000)

黄土地区煤矿地表水防排水研究

朱 阁1,武 雄1,李平虎2,祁瑞军3,穆文平1,傅睿智1

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境工程北京市重点实验室,北京 100083;2.天津市勘察院,天津 300191;3.内蒙古第二水文地质工程地质勘察设计院,内蒙古东胜 017000)

目前国内对煤矿水害及防治研究多集中于对地下水水源产生的水害研究,对地表水诱发的煤矿水害研究较少。文章重点关注北方黄土地区煤矿地表水防治问题,为黄土地区的煤矿地表水害提供防治措施。通过对中煤平朔集团安家岭煤矿的研究,利用概率积分法、FLAC3D数值模拟方法对安家岭井工1矿4106～4109工作面地表移动规律进行研究模拟,预测开采后地表变形情况和平均影响半径,评价采动区内地表水渗漏的危险性。结果表明:根据经验公式与数值模拟方法计算采区“两带”(垮落带与导水裂缝带)发育高度约为171.8 m;采煤产生的地表积水区与导水裂缝带会对煤矿开采产生威胁;采取拦截工作面以外外围来水,就近取土适时填筑凹陷区,及时排除渗入矿井内部的积水等措施解决地表水渗漏问题对煤矿安全生产的影响。

黄土地区;地表水害;变形预测;导水裂缝带;防治措施

我国是世界上煤矿水害最为严重的国家之一。我国煤矿水害类型主要包括喀斯特充水煤矿床水害、砂岩裂隙充水煤矿床水害以及第四系及地表水充水矿床水害[1-7]。目前国内对于煤矿水害的研究多集中于喀斯特充水煤矿床和砂岩裂隙充水煤矿床,而对于北方黄土地区地表水诱发的煤矿水害研究较少。我国北方内蒙古、山西地区沟谷及冲沟广泛发育,切割深度深,这些冲沟为季节性河流,平常干涸,但在雨季汇水量很大。另外,上述地区的煤层如内蒙古鄂尔多斯神东煤矿、山西朔州平朔煤矿等具有埋藏浅,导水裂缝带发育高度高,局部与地表相通等特点。因此,在雨季地表水非常容易进入矿井,造成水患。严重影响到了矿区的正常生产与人员的生命安全,也会对当地群众的人居环境造成危害[4-8]。2003年临汾市江水坪煤矿“4·17”特大淹井事故,因暴雨诱发地表水灌入矿井,造成多名矿工不幸遇难[3]。2006-07 -13内蒙古鄂尔多斯市金利煤矿发生山洪灌井事故,造成2人死亡。因此,针对上述地区开展地表水防排研究及治理工作有重要意义。

1 安家岭井工1矿矿区概况

安家岭井工1矿位于宁武煤田北端,属于山西高原平朔地台低山丘陵区,多为黄土覆盖,形成梁垣峁等黄土高原地貌景观,地形基本呈西高东低趋势。主要发育水系七里河及3条支沟。西部为南北向山麓, 4106～4109工作面位于该山麓东坡的延伸地带(图1)。研究区内从南向北山脊与沟谷交错出现,走向东西,沟谷多形成季节性河流。山脊两侧分布有众多冲槽,长度数米至数十米,深度25～40 m不等,这种地貌形态影响了地表水的汇流特征。研究区域降水量分布极不均匀,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 地表变形预测

2.1 概率积分法

采用目前国内外煤炭行业比较广泛使用的概率积分法进行地表移动计算[9]。计算步骤遵循各工作面的开采顺序,其中4106～4109工作面与9106～9107工作面的开采分成13步。4106工作面分2步开采,对应总步骤的第1,2步;4107工作面分3步开采,对应总步骤的第3,4,5步;4108工作面分4步开采,对应总步骤的第6,7,8,9步;4109工作面分4步开采对应总步骤的第10,11,12,13步;9106工作面分2步开采,对应总步骤的第7,8步,即与4108工作面的开采时间有部分重叠;9107工作面分3步开采,对应总步骤的第10,11,12步,即与4109工作面的开采时间有部分重叠。综合各步计算结果,得到13个计算步骤地表的水平位移值、沉降量、倾斜值和平均影响半径的统计表[9-11](表1)。

表1 概率积分法计算结果统计Tab le 1 Calculation results of probability integralmethod

2.2 FLAC3D数值模拟

本次计算的模型范围:以4108工作面西部边界向西延伸1 000 m为模型的西部边界,以4108工作面东部边界向东延伸1 000 m为模型的东部边界,以4106工作面的北部边界向北延伸1 000 m为模型的北部边界,以4109工作面的南部边界向南延伸1 000 m为南部边界,沿深度方向由煤层最大埋深向下延伸300 m为底部计算边界。模型长度方向为东西向,即X轴方向;宽度方向南北向,即Y轴方向;高度方向为煤层埋深方向,即Z轴方向[11-14]。图2为计算模型。综合各步计算结果,得到了13个计算步骤的地表沉降量和平均影响半径,见表2。

图2 FLAC3D计算模型Fig.2 Calculation model of FLAC3D

表2 FLAC3D数值模拟计算结果统计Tab le 2 Calculation results of FLAC3D

3 地表水渗漏危险性评估

3.1 采区覆岩“两带”发育高度计算

采区内4号上覆岩层为中硬岩层,煤层平均厚度为14 m。9号上覆岩层也为中硬岩层,煤层平均厚度为13.75 m,4号煤与9号煤之间平均距离31.08 m。采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中对应的经验公式[15-18]:

中硬岩导水裂缝带发育最大高度经验计算公式

由此确定“两带”发育高度约171.8 m(考虑4倍煤层厚度为保护层厚度)。

3.2 采动影响区内地表水渗漏危险性评价

研究区内分布有石灰岩岩溶裂隙含水层组、碎屑沉积岩裂隙含水层组和松散沉积物孔隙含水层组。而隔水层以煤系地层下部的本溪组泥岩地层和基岩上覆的第三系红色黏土层为主。4号煤层回采有影响的含水层主要是导水裂缝带范围内的砂岩裂隙水和局部地段第四系孔隙水。第四系孔隙水含水层富水范围有限,富水性弱,因此仅局部与基岩直接接触地段第四系水可通过导水裂隙带涌入矿井,使矿井涌水量增大,对4号煤层开采有一定威胁。对4,9号煤层回采有影响的充水水源为太原组砂岩裂隙含水层和奥陶系岩溶裂隙含水层,其中顶板为直接充水水源,对回采会造成直接影响,下伏奥灰含水层为间接充水水源,对煤层回采会造成间接影响[19]。

研究区内煤层埋藏深度不一,其中4106工作面4号顶板埋深120～290 m。总体上,西部埋藏浅,东部埋藏深,山梁处埋藏深,沟谷埋藏浅。图3为4106工作面4号煤顶板埋深等值线图,图4为4106工作面导水裂缝带发育高度特征图,图5为4106工作面导水裂缝带发育高度加上保护层厚度后的特征图。从图中可以看出,导水裂缝带(含保护层)穿过第三系静乐组隔水层的区域主要分布在东部与西部的两个较大区域。在这两个区域内,导水裂缝带将沟通第四系含水层,因而地表水可以通过导水断裂带渗入矿井。另外,经过地表移动分析,并结合地形地貌特征,预测出4106工作面在4号与9号煤开采过程中会形成一系列凹陷区,如不进行处理将形成地表积水区,对矿井安全生产造成危害[19]。

图3 4106工作面4号煤顶板埋深等值线Fig.3 Contour line of4106 working face No.4 coal roof buried depth

图4 4106工作面导水裂缝带发育高度等值线Fig.4 Contour line of4106 working face water flowing fractured zone

图5 4106工作面导水裂缝带+保护层分布特征Fig.5 4106 working face water flowing fractured zone+protective layer

4 防排水措施与工程

4.1 原始地形特征

研究区内,地形总体西高东低,从1 495 m降到1 280 m(按工作面范围统计)。图6为研究区地形图。工作面范围内发育有众多冲沟,按照规模将这些冲沟划分成4级。I级沟有两条:I-1位于4106与4107工作面之间,I-2位于4107与4108工作面之间。I级沟比较宽缓,宽度和深度都很大,最宽处超过200 m,最窄处约为40 m,沟长较长;沟两侧岸坡较缓,坡角一般在15°以内,局部较陡,最陡处位于4106工作面南侧,约30°;沿沟底延长方向,沟底坡度约3°。沟底现为阶梯形旱地。II级沟包括两条,均位于4106工作面的北侧,水流方向为WS-EN,流入4106北部的东西向冲沟内;沟宽15～25 m,深25～40 m,两侧岸坡较陡,30°～40°。III级沟多分布在4107工作面的北侧(图6中红色线条表示),这类冲沟比II级沟短,宽3～8 m,深15～30 m,沟岸较陡;此外,其他沿SW-NE向发育的多条规模较小的冲沟为Ⅳ级沟。

4.2 工作面采动变化

图7(a)为4106工作面采完后地形。从地形上看,总体地形依然为西高东低。开采4106第1步时未出现积水区,开采4106第2步时出现了3处凹陷积水区,但面积都较小,地表冲沟的总体趋势没有没改变,能够保证水流通畅。

图6 原始地形与工作面分布Fig.6 Initial topography and working faces

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

图7(b)为4107工作面开采后地形。从图可以看出,4107工作面采完后,总体地形依然为西高东低。开采4107第1步和4107第2步时共出现3处凹陷积水区,但面积都很小。地表冲沟的总体趋势没有没改变,能够保证水流通畅。

煤层开采过程中出现的凹陷积水区的面积都很小,研究区总体地形依然保持西高东低,因此地表冲沟的总体趋势基本没有改变,能够利用原始地形来对地表水进行疏导和排除。各级冲沟的坡度在3°～16°,能够保证正常流水。

4.3 防水措施总体方案

总体方案遵循以下原则:尽量拦截工作面以外外围来水,保证工作面内部水流通畅同时能够就近取土适时填筑凹陷区,避免积水并及时排除渗入矿井内部的积水[20]。根据上述原则,形成总体治理方案:①在4106工作面和4107工作面南部各设置1条截水沟,拦截流向工作面的南部汇水;在4106工作面和4107工作面西侧设置1条截水沟,拦截流向工作面的西部汇水。②对采动影响范围内的地表冲沟分Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级进行削坡处理;对Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级沟沿沟底填黏土,注意随采随察,及时对沟床进行碾压、夯实、平整,防止地表水入渗;对Ⅰ级冲沟沟底碾压平整后修筑成简易道路,保证汇水沿沟底简易道路迅速流走。同时,简易道路能够保证机械车辆的正常通行,能够在开采过程中及时封堵采动裂缝。③按照数值模拟的预测结果,开采过程中就近取土适时填筑凹陷区,避免积水。④地表水渗入矿井后,通过矿井抽水排除渗入矿井内部的积水。

5 地表水防治工程设计

5.1 截排水沟工程设计

设置截排水沟的目的是为了拦截上游来水,设置在采动影响范围之外并应尽可能地拦截更多的汇水,避免流入矿井同时保证排水沟要有一定的坡度(即渠道比降),保证水流畅通。

开采前,在4106,4107工作面周边修筑3条排水沟:①4106工作面南侧修筑排1;②4107工作面南侧修筑排2;③4106和4107工作面西部修筑排3。其中排3为永久性排水沟,开采4107工作面前将排2填实,截排水沟具体布置如图8所示。

如前述,矿区所在区域的年平均降水量为426.7 mm,多集中在7—9月,占全年降水量的75%～90%。按照矿区降雨资料,取极端情况进行设计,即一天降雨量为100 mm,地面径流系数为0.8,各排水沟对应汇水面积和汇水量见表3。

图8 截排水沟布置Fig.8 Cutting drain ditches arrangement

表3 截排水沟汇水面积与汇水量Table 3 Catchment and water-collecting amount of cutting drain ditches

5.2 地表冲沟处理工程设计

依据开采进程,提前对采动影响范围内的地表冲沟进行治理,治理过程由西向东随开采进程分段进行。地表冲沟分成Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四个等级。具体治理措施:①将各级冲沟中两岸大于20°坡体削成20°,削土填至沟内;②对Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级沟沿沟底填40 cm厚黏土,注意随采随察,及时对沟床进行碾压、夯实、平整,防止地表水入渗;③对Ⅰ级冲沟沟底碾压平整后修筑成简易道路,确保汇水沿沟底简易道路迅速流走。同时,创造机械车辆正常通行条件,能够在开采过程中及时封堵采动裂缝。表4为I级沟、II级沟和III级沟削坡工程统计信息[21-22]。

表4 地表原始冲沟削坡工程统计信息Table4 Information of slope cutting of original d rain ditches

5.3 填方工程设计

填方的目的是将采动造成的凹陷区填高,避免地表积水。另外,填方应该保证适时与适量,不能因填方造成上游水流不出去。按照这个要求,进行了填方设计。开采过程中根据数值模拟的预测结果,就近取土适时填筑预测凹陷区(图9,表5)[23]。

图9 开采4106工作面和4107工作面过程中填方措施Fig.9 Fill construction of 4106 and 4107 working faces duringmining

表5 填方工程统计信息Tab le 5 Information of fill construction

开采4106工作面第2步时,就近取土适时填筑预测凹陷区,将挖2-0和挖2-1范围内的土直接推至填2-0、填2-1、填2-2和填2-3预测凹陷区内。采完4106工作面后,开采4107工作面前,填实排1。开采4107工作面第1步时,就近取土适时填筑第1段东端出现的凹陷区填3-0。开采4107工作面第2步时,就近取土适时填筑凹陷区填4-0和填4-1。开采4107工作面第3步时,就近取土适时填筑预测凹陷区,将挖5范围内的土直接推至填5-0和填5-1预测凹陷区内。

5.4 入渗地表水抽排工程设计

矿区所在区域的年平均降水量426.7 mm,多集中在7—9月,占全年降水量的75%～90%,按照极端情况一天降雨量为100 mm。矿区汇水面积为1 906 237 m2,地表入渗系数为0.2,按此计算渗入4106工作面的水量为417.33 m3/h,渗入4107工作面的水量为1 171.20 m3/h,入渗工作面内部的这部分降水通过矿井抽水排除[24]。

6 结 论

(1)利用概率积分法、FLAC3D数值模拟方法对煤层开挖过程中地表移动规律进行了模拟。经概率积分法计算,得到采动作用下地表水平位移值、倾斜值、地表的沉降值和各步的平均影响半径,经数值模拟方法计算,得到了13个计算步骤的水平位移值、应力的分布特征、地表沉降量和平均影响半径。

(2)在采场上覆岩层变形破坏的垂直分带特征、采区覆岩“两带”发育高度、矿井排水引起的水位变化规律等研究的基础上,利用经验方法与数值模拟方法确定“两带”发育高度约为171.8 m(含保护层),并对地表水渗漏的危险性进行了评价。

(3)根据理论与实际地形分析特征,提出了地表水防治原则:尽量拦截工作面以外外围来水;保证工作面内部水流通畅;能够就近取土适时填筑凹陷区,避免积水;能够及时排除渗入矿井内部的积水。

(4)按照上述原则提出了总体治理方案:①在4106工作面和4107工作面南部各设置1条截水沟,拦截流向工作面的南部汇水;在4106工作面和4107工作面西侧设置1条截水沟,拦截流向工作面的西部汇水。②对采动影响范围内的地表冲沟分Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级进行削坡处理;对Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级沟沿沟底填黏土,注意随采随察,及时对沟床进行碾压、夯实、平整,

防止地表水入渗;对Ⅰ级冲沟沟底碾压平整后修筑成简易道路,保证汇水沿沟底简易道路迅速流走;同时,简易道路能够保证机械车辆的正常通行,能够在开采过程中及时封堵采动裂缝。③按照数值模拟的预测结果,开采过程中就近取土适时填筑凹陷区,避免积水。④地表水渗入矿井后,通过矿井抽水排除渗入矿井内部的积水。

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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 阁,武 雄,李平虎,等.黄土地区煤矿地表水防排水研究[J].煤炭学报,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 责任编辑:韩晋平

教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-10-0753);国家自然科学基金资助项目(41172289);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012YXL043)

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