采空塌陷对红岩河水库渗漏影响研究

2020-10-28王玉涛曹晓毅

人民长江 2020年10期

王玉涛，曹晓毅

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

过去的几十年中，煤炭资源为我国经济发展做出重要贡献的同时，在我国众多矿区形成了大面积、大规模的采空区[1]。在越来越多的水利工程建设中遇到了由煤矿开采引起的塌陷变形问题和水库渗漏问题，尤其以渗漏问题最为突出[2]。水库渗漏一方面会引起土质坝基或坝体的管涌，进而引起建筑物的破坏等事故，造成水量的损失；另一方面还会对煤矿井下生产带来一定的安全隐患。如何客观评价由采动引起的渗漏问题成为工程技术人员面临的难题。

1 研究背景

1.1 水库建设及运行情况

湖南省红岩河水库位于泾河左岸一级支流，工程枢纽位于红岩河干流下游距泾河口1 km位置，工程等级为Ⅲ等中型水库，总库容为8 515万m3，年供水量2 220万m3，设计正常蓄水位903.0 m，最高洪水位为907.6 m。

该工程于2016年4月25日正式开工建设，主体工程于2018年12月建成，2019年6月开始蓄水，水位已蓄水至879.0 m。该项目为彬州市招商引资PPP项目，采用企业投资与政府回购的运营方式。该水库的建成对解决县城现状供水量不足、保证率低等问题和促进地方发展起到非常重要的作用。

1.2 矿山开采情况及引起的问题

火石咀煤矿是目前对红岩河水库存在影响的唯一煤矿。该矿始建于1976年，先后经多次技术升级改造，由一座乡镇集体小煤矿逐步发展为年产300万t的大型地方煤矿企业。该矿开采4-2煤，采用综采放顶煤一次采全高采煤工艺、顶板全部垮落方式管理。根据开采规划，工作面将按照8714-8712-8710-8708-……的顺序进行开采，该矿井剩余服务年限约40 a。

受2012年11月至2013年12月8712和8714两个工作面开采影响，自2014年2月起，水库库区发生大面积地面塌陷和地裂缝，水库与采空区相对位置如图1所示。两个工作面宽度均为209 m，开采方向由西向东推进，月推进速度为130～240 m，采高7.1 m，煤层底板埋深400～450 m，高程为455～465 m。

1.3 地层岩性

研究区地层主要由三叠系、侏罗系、白垩系、新近系和第四系组成，侏罗系延安组为该区含煤地层，详情如表1所列。

表1 地层简表Tab.1 Stratigraphic summary

2 采动岩体裂隙发育与渗透性研究

为了研究采空区围岩裂隙发育特征及采动岩体的渗透特性，2014年4～5月，在库区共施工了4个试验钻孔，平面位置如图1所示。

依据文献[3-5]，结合现场实测采空区地表移动角，利用采动影响扩散原理，计算了采动影响范围。将ZK-1钻孔布置于采动影响以外，起到对比作用。

2.1 采动岩体完整性

为研究采动岩体的完整性，采用武汉中科智创生产的RSM-SY5(T)型数字声波仪对4个试验钻孔全孔段进行了原位孔内声波测井及岩块的声波测试工作。测试时，将配有一个发射换能器及两个接收换能器组合而成的单发双收观测系统的测井探头置于钻孔内，根据两个接收换能器接收时间差，计算岩层的纵波波速。岩块波速测试采用在岩样的两端或直径方向上放置纵波发射换能器及接收换能器进行测试。测试具体步骤参考文献[6]。

将试验所得纵向波速Vp及岩体完整性指标Kv绘制于图2。将岩体完整指数与试验点至采空区的距离统计绘制于图3。由图2～3可知：岩体完整性受采动影响较大，随着与采空区的距离由227 m减少到34 m，受采动影响的岩体波速最大降低52.7%，平均降低17.16%。地层中的破碎及较破碎岩体所占比例由32.1%提高到了76.5%，破碎程度大幅度提高，完整性大幅度降低。

图2 钻孔纵向波速、岩体完整性指数随深度变化曲线Fig.2 Longitudinal wave velocity and rock mass integrity index versus depth

图3 钻孔岩体完整性比例Fig.3 Integrity ratio of bored rock mass

2.2 采动岩体渗透性

2.2.1压水试验方案

为查明采动裂隙岩体的渗透性，对4个试验钻孔进行了121段压水试验。试验采用3级压力5个阶段方法进行。试验压力分别为P1=P5=0.3 MPa，P2=P4=0.6 MPa和P3=1.0 MPa，按照P1-P2-P3-P4-P5顺序进行，试验过程参考文献[7]。

试验供水设备采用出水流量稳定性较好的三缸往复式BW-250型泥浆泵；水位测量采用SWJ电测水位计；观测装置采用电磁流量计，可准确计量累计流量和瞬时流量；压力调节采用组合压力调节装置，可实现压力平稳调整；止水栓塞采用ZF A51型水压式专用橡胶封隔器，通过在试验过程观测，基本可达到良好的止水效果。对于局部地层破碎位置，采用组合栓塞的形式有效地解决了栓塞漏水问题。试验按照自上而下的顺序采用双栓塞分段进行。

2.2.2压水试验结果分析

各钻孔地层透水率q随深度变化如图4所示。岩体透水率随深度增加，总体降低趋势与文献[8]一致，但受采动影响部分地层受采动裂隙影响，透水率较大。

通过统计，研究区地层的透水率变化曲线为B型(紊流型)、D型(冲蚀型)和E型(填充型)3种类型(见图4)。121段压水试验结果中，B型(紊流型)曲线共有9段，主要集中在20～50 m深度范围，透水率基本在25.9～46.5 Lu，主要为中等透水。在试验过程中，裂隙状态没发生变化，该类典型P-Q曲线如图5(a)～(b)所示。D型(冲蚀型)曲线共有66段，主要发生在砂岩及砾岩较坚硬地层，透水率基本在0.1～47.1 Lu，平均为21.8 Lu，主要为中等透水(47段)。该类压水曲线表明：在试验压力作用下，岩体的渗透性增大且不能恢复原状，裂隙已产生了塑性变形而且其中的充填物已被冲刷干净，试验过程不可逆，该类典型P-Q曲线如图5(c)～(d)所示。E型(填充型)曲线共有46段，主要发生在泥岩及泥质含量较高地层，透水率基本在0.8～49.6 Lu，平均为15.9 Lu，中等透水(22段)，其余为弱透水，该类压水曲线表明：随试验压力的增加，流量急剧增大，在降压阶段，由于裂隙被填充，流量减少，造成降压阶段流量小于升压阶段流量，该类典型P-Q曲线如图5(e)～(f)所示。

图4 岩体透水率随深度变化曲线Fig.4 Water permeability curve of rock mass with depth

图5 钻孔压水试验典型P-Q曲线Fig.5 Typical P-Q curve of borehole water pressure test

将岩体透水率与试验点至采空区的距离统计绘制于图6。由图6可知：采动对岩体透水性影响很大，随着与采空区的距离由227 m减少到34 m，岩体透水率大于30 Lu比例由0%提高到81.1%。同一地层的受采动影响岩体透水率比原始地层平均提高了5.82倍。

图6 岩体透水率分布百分比Fig.6 Permeability distribution percentage of rock mass

2.3 采动岩体裂隙孔内电视探测

为查明采动围岩裂隙发育情况，采用武汉固德科技有限公司生产的GD3Q-GA4D超高清全智能孔内电视对4个钻孔进行了探测。探测结果发现，ZK-2钻孔在52.4～69.8 m段及ZK-3钻孔在200.0～223.6 m段发育有大量水平及垂向的采动张拉裂缝，具体如图7所示。

2.4 采动岩体裂隙发育特征

通过综合分析现场钻探、钻孔波速测试、压水试验及孔内电视等试验数据。认为在8712、8714工作面采空区边缘存在宽度约为60 m的拉张裂隙带。裂隙带外侧边界由采动移动角控制，内侧边界由孔内电视、压水试验及波速测试得到。具体拉张裂隙带边缘为钻孔ZK-2(52.4～69.8 m)、ZK-3(200.0～223.6 m)连线所形成的条带，形态如图8所示。

图8 采空区边缘拉张裂隙带分布Fig.8 Distribution of tensile fracture zone at the edge of mined out area

3 水库渗漏影响评价

3.1 水库渗漏量计算

3.1.1渗漏条件分析

火石咀煤矿井口高程838.7～838.8 m，与水库正常蓄水位903 m之间存在约64 m水位高差。在空间上水库蓄水与井口之间满足长期渗流的条件。

注：a，b为ZK-2钻孔，c，d，e为ZK-3钻孔。图7 孔内彩色电视观测图片Fig.7 Color TV observation picture in the hole

煤层底板高程为460 m，最大水头高度约443 m。在煤层开采过程中，始终要进行井下排水工作，目前矿井排水约240 m3/h，该矿井剩余服务年限约40 a，在时间上也存在长期渗流的条件。

3.1.2渗漏量计算

根据现场压水试验结果，采动岩体张拉裂隙带地层渗透系数如表2所列。

表2 采动岩体渗透系数Tab.2 Permeability coefficient of mining rock mass

与传统水库坝基渗漏和临谷渗漏不同，采空区渗漏主要为垂直渗漏问题[9]。利用地下水流向与层状岩(土)层的层面相垂直，整个层状岩(土)层的渗透系数公式为

根据采动移动角71°，火石咀煤矿8712，8714工作面拉张裂隙带水平宽度60 m计算，拉张裂隙带过水断面面积为A=46 968 m2。

水库最大洪水位为907.6 m，煤层底板高程为460 m，总水头高度H=447.6 m，平均渗径由地面沿拉张裂隙带至垮落带顶斜距，即L=399.3 m，由此，水力坡度i=1.121。

根据达西定律公式Q=kiA，计算可得采空区引起的水库渗漏量为1 263.63 m3/d。

水库设计年平均径流量4 226万m3。由此可知，采空区引起的水库渗漏量约占水库设计年平均径流量的1.09%，对水库运营存在一定影响。

3.2 水库蓄水对煤矿安全生产的影响评价

矿井水害是威胁矿井安全生产的五大灾害之一，老空水透水是矿井水害中的一个主要方面。据不完全统计，我国煤矿发生的老空水透水事故约占煤矿水害事故的30%左右[10]。老空水来势凶猛，水压力大，短时间内溃水量大，具有极大的冲击破坏性，极易造成短时间内淹井和人员伤亡事故。老采空区积水区是煤矿隐蔽致灾因素之一[11]。依据文献[12]第四十三条规定：“……或者塌陷区内外的地表水体可能溃入井下时，应当采取安全防范措施，……地面裂缝和塌陷地点应当及时填塞[12]”。

随着水库蓄水水位的不断升高，地表水将会源源不断地沿采动边缘张拉裂隙带流向8712，8714工作面采空区内，并且不断汇集，逐步形成大面积老空积水区。根据火石咀煤矿4-2号煤赋存条件及开采规划，后续开采基本处于向下俯采状态，老空区积水对煤矿安全生产带来严重的影响：一方面增大了煤矿生产排水费用，另一方面大量老采空区积水对煤矿后续生产巷道的延伸及开拓、工作面回采等存在严重的突水隐患。