主焦煤矿新采区开采对邻近岳城水库的影响研究

杨长德，杨 磊，李金波，王 鹏

(1.新疆工程学院 矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830091；2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

矿井开采后上覆岩层会发生弯曲变形断裂进而使地表岩层出现沉降、移动、垮塌等问题，对采空区沉陷范围内的建筑物造成不同程度的影响[1]。郁文峰等[2]为了准确反演受到邻近采空区影响的地表沉陷预计参数，提出了邻近采空区影响的地表沉陷概率积分法参数反演方法。王正帅等[3]运用概率积分法评价老采空区上方建筑地基稳定性，其评价结果顾及了充分活化时的极限沉降变形，能够满足建筑物对安全性的要求。王磊等[4]提出利用变采高的小工作面开采预计边界“活化”引起的地表残余移动变形，并建立相应的预计模型。陈明星[5]针对采区开采时间跨度大、回采率低的特点，地表移动变形预测采用概率积分法预测模型。易四海[6]根据数值模拟及现场实测数据，确定了长壁开采条件下地表残余沉陷变形的概率积分法预计参数。杨玉龙[7]通过概率积分法对研究区地表沉降进行预计，运用反分析的方法，在数值模拟实验中综合确定老采空区的实际地质力学参数。杨逾[8]等采用FLAC3D软件模拟了条带开采上覆岩层长期变形特征。段伟强[9]通过应用解析法计算了煤矿采空区覆岩稳定性和采空区的残余变形，对地表稳定性进行了评价，同时，利用数值模拟法就煤矿采空区对地表变形的影响程度进行了计算。在上述研究基础上，本文根据主焦煤矿采空区地表移动的监测数据和相邻矿区监测的参数，通过概率积分法预测采空区的影响范围，采用数值模拟对采空区沉陷范围进行验证，从而确定对岳城水库产生位移和应力的影响[10-13]。

1 工程概况

1.1 主焦煤矿地质情况

矿井主要可采煤层二1煤赋存于山西组下部，上距砂锅窑砂岩75m，下距L8石灰岩39m。煤层顶板多为泥岩或砂质泥岩；底板多为砂质泥岩、粉砂岩。煤层厚度5.73～8.08m，平均6.56m，为全区可采厚煤层，埋深在700m左右。矿井正常涌水量为65m3/h，最大涌水量为100m3/h，瓦斯相对涌出量为29.51m3/d，绝对涌出量为23.29m3/min，为高瓦斯矿井。煤层煤尘爆炸指数为17.89%，为爆炸危险性煤层。

1.2 新采区概况

新采区并未开采，拟布置1个采煤工作面和2个掘进工作面进行回采。工作面采用综合机械化放顶煤开采。井下采用带式输送机运煤，辅助矿车运输矸石、材料和人员。

1.3 主焦煤矿与岳城水库关系

主焦煤矿及相邻煤矿与岳城水库位置关系如图1所示。为确保岳城水库和大坝安全，划定岳城水库库区及周边地区煤矿禁采区和限采区。禁采区的范围为自主坝坝脚向上游外延3900m、下游外延3100m，自副坝坝脚向上游外延3800m、下游外延3000m，两坝头自坝脚向外延3000m。限采区的范围为大坝上游禁采线以上水库保护范围内，大坝两端及大坝下游禁采线以外至坝脚外延6000m范围内。

图1 主焦煤矿及相邻煤矿与岳城水库的位置关系

从图1可见，主焦煤矿位于岳城水库禁采区之外，主焦煤矿边界(东边界)距离禁采区边界的最小距离约1260m，主焦煤矿边界(北)距离水库洄水线的最小距离约1050m，主焦煤矿东边界距离水库洄水线、大坝的距离分别约2200m、5400m。但是，主焦煤矿的新采区已进入限采区，因此，需要对新采区采煤对水库的影响进行分析研究，论证邻近水库的新采区采煤的可行性。

2 预测影响范围

为研究新采区开采后对水库和大坝的影响，通过综合评价系数、岩性影响系数、煤层倾角、埋深等参数推算预计地表沉降范围所需的几个参数：下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数b1、拐点偏移距s和开采影响传播角θ，并通过概率积分法计算地表沉降范围。

2.1 地表基本移动参数的确定

1)下沉系数q：q=0.5(0.9+P)，根据主焦煤矿采空区上覆岩层岩性特征，覆岩综合评价系数P=0.76，求得q=0.83。

2)主要影响角正切tanβ：tanβ=(D+0.0032H)(1-0.0038α)，岩性影响系数D=0.76，采深H=700m，煤层倾角α为15°，求得tanβ=2.83。

3)水平移动系数b1：b1=(1+0.0086α)b，煤层倾角α=15°，水平煤层水平移动系数b=0.28，则b1=0.32。

4)拐点偏移距s：新采区开采后拐点偏移距S可取为0.07H(H为700m)，求得S=49m。

5)开采影响传播角θ：开采影响传播角θ与煤层倾角α有关，当α≤45°时，θ=90°-0.68α，由于煤层倾角α=15°，故θ=79.80°。

2.2 影响范围的确定

新采区经过充分采动后，由于岩体破裂后的碎胀性和采空区边界顶板垮落不均匀，采用概率积分法计算实际下沉表达式为[14，15]：

式中，W(x)为实际下沉值，m；q为已完成下沉系数；m为开采厚度，m；r为最大影响半径，m；s为拐点偏移距，m。

根据覆岩综合评价系数推算得到主焦煤矿新采区地表移动和变形预计参数如下：q=0.83；m=6.56m；tanβ=2.83；r=H/tanβ=700/2.83=247.35m；s=0.07H=49m。将上述参数代入式(1)可得最大影响范围x=336m。

3 数值模拟

为研究主焦煤矿开采造成的地层、地表变形和其对水库和大坝的影响，采用三维有限元法作为计算分析手段。

3.1 数值模型

图2 主焦煤矿、岳城水库及大坝的位置关系模型

建立主焦煤矿、岳城水库及大坝的位置关系模型，如图2所示，三维模型中坐标轴的规定：X轴指向漳河下游，即自主焦煤矿向岳城水库大坝方向，大体为由西向东；Y轴指向岳城水库北岸，即由主焦煤矿指向岳城水库，大体为由南向北；Z轴垂直指向上。模型沿X轴向(西—东)总长度为11560m，西端至主焦煤矿西边界1600m，东端延伸到岳城水库大坝下游1130m；模型沿Y轴向(南—北)总长度为7950m，北端至岳城水库中心，南端距离主焦煤矿南边界2400m；模型在垂直向上取至地表，向下取至煤层底板以下700m。

3.2 计算参数及应力平衡

根据主焦煤矿所在区域的地质勘查成果、申家庄煤矿和六合煤矿的研究经验、岳城水库设计等资料，确定各类岩层、地层的物理力学参数，见表1。

表1 主焦煤矿岩体物理力学参数

各岩层符号代表的名称分别为：O2m为奥陶系中统马家沟组、C2b为石炭系上统本溪组、C3t为石炭系上统太原组、P1sh为二叠系下统山西组、P1x为二叠系下统下石盒子组、P2s为二叠系上统上石盒子组、P2sh为二叠系上统石千峰组、N为新近系、Q为第四系岩土体。采用弹塑性本构模型，屈服准则为摩尔-库伦准则。

地层垂直应力分布如图3所示，在有围压的情况下，二1煤层埋深在600～800m左右，受到的垂直应力约15～19MPa。

图3 地层垂直应力

3.3 新采区开采引起的地层变形及影响范围分析

新采区开采后，一定范围内的地表出现了下沉变形。中部的东西向地层及地表下沉如图4所示，由图4可知，自煤田东边界向外，地表发生下沉和移动区域的宽度约约260m；在此区域之外，地层、地表变形逐渐减少，从图4(b)还可以看出由于距离岳城水库库岸和大坝尚有约2000m、5100m，地表无变形。

图4 中部的东西向剖面地层及地表下沉

中部的南北向地层及地表下沉如图5所示，由图5可知，自煤田北边界向外，地表发生下沉和移动区域的宽度约350m；此区域的外边界向北，从图5(b)还可以看出距离岳城水库库岸约700m，地表无变形。新采区开采，东部的影响半径比北部的略小。这是因为三条近南北走向的断层把煤田分割成了南北长、东西窄的三个区域，南北向的采动比东西向更充分。地表明显移动区域等值线如图6所示，由图6可知，地表移动区域的宽度为300～400m。

图5 中部的南北向剖面地层及地表下沉

图6 地表明显移动区域等值线

综合以上判断，新采区开采的主要影响范围最大约350m，其影响范围有限，距离岳城水库库岸的距离较远，对水库安全无影响。

3.4 对岳城水库大坝的影响分析

由新采区开采引起的地层变形及影响范围分析结果表明，主焦煤矿新采区开采完成后，岳城水库大坝无变形。进一步跟踪了坝横剖面上游坝脚、坝轴线处的坝底、下游坝脚、坝顶等4个部位(如图7所示)的垂直应力、水平应力及剪应力随煤矿开采过程的变化情况，如图8所示。由图8可见，在主焦煤矿现在开采和新采区开采的过程中，岳城水库大坝应力无变化。

图7 岳城水库大坝坝体应力关注部位

图8 坝体关键部位应力变化情况

综合分析表明，在主焦煤矿新采区开采后，岳城水库大坝未产生位移和应力变化，主焦煤矿新采区开采对岳城水库大坝无影响。

4 结 论

1)概率积分法预测新采区地表下沉主要影响范围约为336m；数值模拟主焦煤矿新采区自开采至完成，东边界、北边界向外，地表发生明显下沉和移动的区域的宽度分别约为260m、350m。

2)数值模拟主焦煤矿新采区自开采至完成，主要影响范围边缘向东距离库岸尚有约2000m，向北距离岳城水库库岸尚有700m，对库岸稳定无影响。

3)岳城水库大坝不同部位未因主焦煤矿开采产生明显位移和应力变化，主焦煤矿新采区开采对岳城水库大坝基本无影响。