珲春河下近距离煤层开采及对河堤损害影响的研究李江华

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013538-1李江华，李宏杰，李在春，等.珲春河下近距离煤层开采及对河堤损害影响的研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013538.LIJianghua，LIHongjie，LIZaichun，etal.Researchonriverdikefailureofshort-distancecoalseamsminingunderHunchunRiver[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013538.珲春河下近距离煤层开采及对河堤损害影响的研究李江华1,2，李宏杰1,2，李在春3，吴作启1,2(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京100013；3.珲春矿业(集团)有限责任公司，吉林珲春133300)摘要：河下采煤易造成的河堤下沉、堤防损坏，将导致河水外溢、河堤失稳，降低行洪能力，从而诱发安全事故。河下采煤应将资源开发利用与河流、河堤的防护协同开展。以珲春河下近距离煤层组开采为例，通过分析井田含水层与地表水的水力联系，得出井田第四系砂砾含水层、煤系风化带含水层与上部珲春河水力联系密切。煤层组顶板为中硬类型，岩石极易软化，泥岩遇水易膨胀、崩解，对裂隙有弥合作用。近距离煤层开采导水裂缝带最大高度为56.95m，距珲春河较远，波及不到珲春河水体。为使珲春河、第四系砂砾含水层及古近系风化含水带不受开采的影响，在风化含水带下留设防水安全煤岩柱进行保水开采，经计算19，20煤保水开采上限标高分别为-110，-134m。采用概率积分法评价近距离煤层工作面相继开采对地表河堤的影响，结果表明，随着采动工作面的增多，采动范围的扩大，河堤下沉范围增大。河堤的最大水平变形值为3.4mm/m，在允许变形范围之内。但由于受采动影响，河堤局部范围出现一定的沉降，最大下沉值为2.61m，低于历年最高洪水位，为此提出开采期间河堤的防护措施，可对我国河下近距离煤层开采及河堤防护提供参考。关键词：河下采煤；近距离煤层；保水开采；河堤防护中图分类号：TD823.8文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3538-10Researchonriverdikefailureofshort-distancecoalseamsminingunderHunchunRiverLIJianghua，LIHongjie，LIZaichun，WUZuoqi(1.MineSafetyTechnologyBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization(ChinaCoalResearchInstitute)，Beijing100013，China；3.HunchunCoalMiningCo.，Ltd.，Hunchun133300，China)Abstract：Miningunderrivercancausedikesubsidenceanddamage，thenmakeriveroverflow，riverdikelosestability，reduceflooddischargecapacity，thensafetyaccidentswillhappen.Coalminingunderriverandriverdikeprotectionshouldbeconsideredandcarriedouttogether.Taketheminingofshort-distancecoalseamsunderHunchunRiverforexample，quaternarygravelaquifer，weatheringrockaquiferandHunchunRiverhaveclosehydraulicconnectionthroughanalyzingtherelationshipofaquifersandsurfacewaterintheminingfield.Thebedrockoncoalseamsaremediumhardandiseasilysoften.Themudstoneiseasilyswelledanddisintegratedandcan收稿日期：2019-06-28修回日期：2019-09-16责任编辑：许书阁基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804162)；国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045001-004)作者简介：李江华(1987—)，男，山西闻喜人，副研究员，博士后。E-mail：[e-mail]李江华等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013538013538-2restrainthefractureextend.Themaximumfissurezoneheightis56.95mintheworkingfaceofshort-distancecoalseamsandthefracturecannotreachHunchunRiver.Inordernottoinfluencethequaternarygravelaquifer，weatheringrockaquiferandHunchunRiveraftermining，water-proofsafetycoalandrockpillarisdesignedundertheweatheringbelt.Aftercalculating，theupperlimitsofminingelevationof19band20coalseamsare-110mand-134mseparately.Theinfluenceofminingonriverdikeisevaluatedthroughprobabilityintegralmethod，whichindicatesthemininginfluenceareaandsettlementextentofriverdikeareenlarged.Themaximumhorizontaldeformationofthedikewith3.4mm/misallowed.However，themaximumsubsidencewillinducethedikelowerthanthehighestfloodlevelofpastyears，soitisneededtoputforwardsafeguardproceduresfortheriverbank.Thetechnologymeasureshavesignificantmeaningforriverbankprotectionwithshort-distancecoalseamsminingunderHunchunRiver.Keywords：miningunderriver；short-distancecoalseams；waterconservationmining；riverleveeprotection我国河、湖、海及水库下压煤量大，随着煤炭资源的大量开采，造成的地质灾害问题日益突出，常造成地表沉陷、房屋损坏、山体滑坡、泥石流及堤坝溃决等。20世纪70年代以前，我国煤矿河下采煤以防治水为主；进入20世纪80年代，在以防为主的基础上最大程度地进行矿井水资源利用；20世纪90年代以来，逐渐开展水资源利用与保护的研究，并提出“保水采煤”的概念；进入21世纪后，尤其近几年，国家对生态环境保护越来越重视，“保水采煤”技术得以发展和完善，并提出水、煤双资源协调开采。河下采煤易造成河堤下沉、堤防破裂时，将导致河水外溢、河堤失稳，降低行洪能力，从而诱发安全事故。因此，河下采煤必须将资源开发利用与河流、河堤的防护协同开展。国内外学者对河下采煤及堤防治理等进行诸多研究，如前苏联、澳大利亚、英国等在河堤下采煤已有100多年历史，我国也积累了40多年的河及河堤下采煤的经验，且在技术上取得了重大突破。侯忠杰、黄庆享等研究了浅埋煤层覆岩破坏运移规律及导水裂缝带发育特征；许延春等研究了综放开采条件下不同类型覆岩破坏特征，提出了水体下综放开采安全煤岩柱留设方法；马立强、范立民等研究了西部近距离、浅埋煤层开采覆岩断裂特征及保水采煤技术；肖黎明等早期在淮河下、六方堤下进行采煤试采成功，完善了河堤下采煤理论；张彦宾等根据危害程度对石门河河堤加固所需的土方进行预计，通过数值模拟研究了河堤的渗流情况；郑辉等采用理论分析和数值模拟研究了综放开采对河道的影响，并提出了防治措施。近年来，随着开采强度的增大，煤层开采逐渐向深部转移，近距离煤层开采增多，覆岩破坏扰动强度加重，河下采煤水害威胁及地表构筑物损害增强。本文通过分析近距离煤层组的覆岩岩石物理力学性质、含隔水层工程特性及覆岩破坏特征，提出珲春河下合适的开采方式，实现煤系地层上部含水层保水开采，并进一步研究了珲春河下近距离煤层开采对河堤的影响，提出河堤损害的防治措施，实现了河流和河堤的防护。1研究区概况板石煤矿核定生产能力2.4Mt/a，目前开采19和20煤层，位于中上古新统珲春组下含煤段。井田西部19煤层采高为1.50～1.73m，倾角平均为3°，埋深平均为579m。20煤层采高为1.83～2.30m，煤层倾角平均为3°，埋深平均为597.91m。采用综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。本井田西南地表有珲春河流过，其北河堤为井田边界，河下水体压煤量达到4419.8万t。河床标高+28.4～+22.4m，河床北东方向为上游，西南方向为下游。北河堤顶宽5.0m，底宽20.0m，高4～8m，砌筑材料为钢筋、混凝土、料石，梯形结构。南河堤顶宽5.0m，底宽20.0m，高3～6m，砌筑材料为沙、混凝土，梯形结构。珲春河平均水位标高+24.53m，最大一次洪水(1962年)标高+30.2m。珲春河及河堤实景如图1所示，珲春河下19和20煤层开采工作面与珲春河的位置关系如图2所示。井田第四系砂砾石孔隙含水层覆盖于煤系地层之上，单位涌水量为2.46～3.16L/(s·m)，渗透系数为29.72～85.36m/d，富水性强，为主要的生活用李江华等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013538013538-3水。与煤系风化带有直接的水力联系，且与上部珲春河水力联系密切，水交替强烈，主要接受大气降水的补给。古近系渐新统(6hE上部)碎屑岩风化孔隙裂隙含水带局部为承压水，单位涌水量为0.13L/(s·m)，渗透系数为0.42m/d，富水性中等。与第四纪含水层水力联系密切，接受第四系含水层水补给。古近系始新统(5hE，3hE，2hE)碎屑岩孔隙裂隙含水组由薄层状细砂岩～砾岩组成，呈层状展布在泥岩～粉砂岩之间，单位涌水量为0.05～0.13L/(s·m)，渗透系数为0.08～0.40m/d，含水层富水性弱，受补给较差。20煤工作面120煤工作面220煤工作面322016工作面22012工作面22010工作面12018工作面21904工作面21902工作面11910工作面11906工作面珲春河北河堤南河堤19煤工作面119煤工作面219煤工作面3AA'C'CBB'图2工作面与珲春河位置关系Fig.2PositionofworkingfacesandHunchunRiver井田含隔水层综合柱状图如图3所示。地层柱状含/隔水层厚度/m第四系E段0～20含水层35