巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例

丁甲 董东林 胡志强 张陇强 张百伟

丁甲, 董东林, 胡志强, 等. 2021. 巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例[J]. 工程地质学报, 29(4): 1071-1083. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0385
引用本文: 丁甲, 董东林, 胡志强, 等. 2021. 巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例[J]. 工程地质学报, 29(4): 1071-1083. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0385
Ding Jia, Dong Donglin, Hu Zhiqiang, et al. 2021. Resistance to permeability damage and pillar safety of coal mining under giant thick loose seam-Take Kouzidong mine as an example[J]. Journal of Engineering Geology, 29(4): 1071-1083. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0385
Citation: Ding Jia, Dong Donglin, Hu Zhiqiang, et al. 2021. Resistance to permeability damage and pillar safety of coal mining under giant thick loose seam-Take Kouzidong mine as an example[J]. Journal of Engineering Geology, 29(4): 1071-1083. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0385

巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0385
基金项目: 

国家自然科学基金 4197020829

详细信息
    作者简介:

    丁甲(1994-),男,博士,主要从事水文地质与岩石力学研究. E-mail: phddingjia @ student.cumtb.edu.cn

    通讯作者:

    董东林(1969-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事水文地质与矿井水害的科研与教学工作. E-mail: ddl @ cumtb.edu.cn

  • 中图分类号: TD82

RESISTANCE TO PERMEABILITY DAMAGE AND PILLAR SAFETY OF COAL MINING UNDER GIANT THICK LOOSE SEAM—TAKE KOUZI ̄DONG MINE AS AN EXAMPLE

Funds: 

the National Natural Science Foundation of China 4197020829

  • 摘要: 随着深部煤炭资源的枯竭,浅部煤层上巨厚松散层水体成为淮南矿区不可忽视的安全隐患,预留煤柱的安全性评价显得尤为重要。本文以口孜东井田为例,通过全面系统地收集整理口孜东矿近年来井上、下补充探查、矿井水动态长期观测、井下采掘工程揭露的地质和水文地质资料,通过数值模拟和理论分析方法得出以下几点认识。(1)以矿区经典块段的钻孔柱状图为依据,建立基于FLAC3D的力学模型,按步长模拟工作面回采,通过观察分析位移云图、最大主应力图、塑性破坏图来认识开采覆岩破坏规律并分析导水裂隙带高度约为56.6 m,导水裂隙带无法发育至含水层高度;(2)根据口孜东矿的水文地质资料,建立基于GMS(Groundwater Modeling System)的水文地质模型,采动引起的覆岩弯曲变形导致了其垂向渗透系数和水力梯度发生变化,将FLAC3D中采动对模型产生的应力影响作为依据,将应力大小转化为弯曲带的垂向渗透系数作为变量在GMS模型中体现出来,校核模型准确性并观察开采前后的渗流场变化,发现渗流场产生的变化非常微小,也保证了留设煤柱的安全性;(3)分析涌水溃砂的控制因素,结合矿区抽水试验数据,利用计算机建立迭代计算程序,计算四含与红层的临界水力梯度分别为Jcr四含=1.66、Jcr红层=1.62,得出各个点位的临界水头高度取值范围在10~25 m之间,远低于实际水头值,从抗渗透性破坏方面评价了煤柱的安全性。目前在含水层下开采煤层时防水煤柱的留设依据主要是采高、煤层倾角、顶板岩性及其力学性质等因素,而未考虑含水层的水理性质及其在渗流场发生变化后的改变,亦未考虑基岩风化层的上述性质,本文通过对巨厚松散层下开采的覆岩破坏规律、含水层渗流场变化及抗渗透性破坏的联合研究,为评价煤柱的安全性提供了科学的方法和依据。
  • 图  1  淮南煤田逆冲推覆构造剖面示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the Huainan coalfield reverse thrust overburden structure section

    图  2  口孜东矿钻孔岩样

    Figure  2.  Borehole rock sample

    图  3  原始地层模型图

    Figure  3.  Original stratigraphic model

    图  4  工作面推进200 m垂向位移云图

    Figure  4.  Contour map of 200 m vertical displacement

    图  5  最大主应力云图

    Figure  5.  Contour map of maximum principal stress

    图  6  单元受力状态图

    Figure  6.  Unit force state image

    图  7  三维地层实体模型图

    Figure  7.  Three-dimensional stratigraphic solid model diagram

    图  8  开采前三、四含水层地下水流场分布图

    Figure  8.  Distribution of groundwater flow field in the third and fourth aquifers before mining

    图  9  弯曲破坏覆岩渗透系数调整图

    Figure  9.  Vertical permeability coefficient adjustment chart

    图  10  开采后第三、四含水层观测孔校核图

    Figure  10.  Third and fourth aquifer observation hole calibration after mining

    图  11  第三、四含水层计算值和观测值拟合图

    Figure  11.  Fitted graphs of calculated and observed values of the third and fourth aquifers

    表  1  模型方案分配表

    Table  1.   Model program allocation table

    埋深/m 土(岩)性质 力学性质
    密度/kg·m-3 抗拉强度/MPa 泊松比 抗剪强度/GPa 体积模量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/(°)
    69.10 黏土 1978 0.010 0.310 0.0092 0.022 0.474 18
    112.20 粉砂 1972 0.015 0.340 0.0107 0.032 0.489 19
    189.70 砂质黏土 1976 0.0103 0.370 0.0121 0.030 0.249 18
    265.85 粉砂 1972 0.011 0.350 0.0101 0.037 0.263 21
    369.50 粉砂 1973 0.019 0.350 0.0103 0.031 0.565 23
    456.30 砂质黏土 1982 0.011 0.340 0.010 0.029 0.287 18
    500.05 粉砂 1973 0.0165 0.340 0.0112 0.033 0.291 23
    575.25 黏土 1978 0.013 0.330 0.0101 0.028 0.480 20
    624.45 砾石 2583 0.642 0.230 1.2200 1.780 1.380 40
    645.25 泥岩 2214 0.753 0.210 0.0120 0.017 0.680 30
    673.00 粉砂岩 2601 3.035 0.220 0.0230 0.033 3.470 43
    678.30 1400 0.280 0.300 0.9300 1.900 2.000 27
    688.20 泥岩 2701 1.937 0.218 0.0200 0.031 0.680 30
    下载: 导出CSV

    表  2  含水层水文地质参数表

    Table  2.   Table of hydrogeological parameters of aquifer

    含水层名称 土(岩)性质 渗透系数/m·d-1
    KX KY KZ
    一含 粉、细砂岩 4.630 4.630 0.4630
    二含 细砂、黏土质砂岩 2.880 2.880 0.2880
    三含 中、细砂岩 0.150 0.150 0.0015
    四含 细砂岩、砂质黏土 0.008 0.008 0.0008
    下载: 导出CSV

    表  3  四含抽水试验计算结果表

    Table  3.   The fourth aquifer contains pumping test calculation results table

    钻孔名称 厚度/m 水位降深/m 涌水量/L·s-1 渗透率/m·d-1 影响半径/m
    14-6 21.20 50.75 0.120 0.010525 52.06522
    18-2 7.70 57.43 0.018 0.003628 34.59281
    20-2 27.60 51.48 0.024 0.001359 18.97753
    K-01 13.15 57.87 0.0563 0.006906 48.09189
    K-03 22.30 58.36 0.0783 0.005538 43.42917
    K13-1 24.20 6.22 1.181 0.743360 53.62780
    下载: 导出CSV

    表  4  新生界红层补勘抽水试验计算结果表

    Table  4.   Cenozoic red beds replenishment survey pumping test calculation results table

    钻孔名称 厚度/m 水位降深/m 涌水量/L·s-1 渗透率/m·d-1 影响半径/m
    补2 32.25 91.07 0.01737 0.000479 19.93519
    补3 25.90 93.46 0.04990 0.001877 40.48585
    补4 24.45 72.24 0.03159 0.001535 28.29850
    补5 16.95 96.19 0.23550 0.015136 118.34280
    SD-6 41.75 36.55 0.02845 0.001416 13.75519
    下载: 导出CSV

    表  5  四含涌水通道半径取值范围

    Table  5.   The fourth aquifer gushing water channel radius taking range

    钻孔 涌水通道半径最大值/m 涌水通道半径最小值/m
    14-6 0.97000 0.705000
    18-2 1.30750 1.211250
    20-2 0.81000 0.465000
    K-01 1.17125 1.006875
    K-03 0.94250 0.663750
    K13-1 0.89500 0.592500
    下载: 导出CSV

    表  6  红含涌水通道取值范围

    Table  6.   The red beds gushing water channel radius taking range

    钻孔 涌水通道半径最大值/m 涌水通道半径最小值/m
    补2 0.69375 0.290625
    补3 0.85250 0.528750
    补4 0.88875 0.583125
    补5 1.07625 0.864375
    SD-6 0.45625 0.065630
    下载: 导出CSV

    表  7  四含临界水头高度计算值

    Table  7.   Calculated value of critical head height of the fourth aquifer

    钻孔 临界水头高度最大值/m 临界水头高度最小值/m 初始水位/m
    14-6 17.00573 15.62871 17.76
    18-2 10.95092 10.58176 19.24
    20-2 18.03580 16.65955 15.65
    K-01 13.78948 13.02944 18.91
    K-03 17.13565 15.75123 16.91
    K13-1 18.17374 16.52609 15.92
    下载: 导出CSV

    表  8  红层临界水头高度计算值

    Table  8.   Calculated value of critical head height of the red beds

    钻孔 临界水头高度最大值/m 临界水头高度最小值/m 初始水位/m
    补2 19.89463 18.11333 12.46
    补3 18.27525 16.66157 15.11
    补4 17.20178 15.88797 16.49
    补5 16.66001 15.35529 12.37
    SD-6 23.38956 21.35253 13.40
    下载: 导出CSV
  • Bai B. 2019. Assessment of water richness of aquifer in lower group of thick loose layer and study of safe coal pillar setting-up: A case study of Baodian coal mine in Yanzhou mining area[D]. Qingdao: Shandong University of Science and Technology.
    Gu D Z, Yan Y G, Zhang Y, et al. 2016. Experimental study and numerical simulation for dynamic response of coal pillars in coal mine underground reservoir[J]. Journal of China Coal Society, 41 (7): 1589-1597. http://www.cqvip.com/QK/96550X/201607/669909494.html
    Kong D Z, Wang Z H, Li X M, et al. 2014. Study of reasonable width of full-mechanized top-coal with large mining height[J]. Rock and Soil Mechanics, 35(S2): 460-467. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-YTLX2014S2065.htm
    Li J W. 2016. Water bursting quicksand critical hydraulic gradient computation and its application in coal mining under ditch[J]. Coal Geology of China, 28 (6): 55-57. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-ZGMT201606011.htm
    Li P J. 2012. Similar materials simulation analysis on the waterproof pillar of coal seam mining goaf beside fault[D]. Hefei: Hefei University of Technology.
    Li Y M. 2012. Research on stability of overlying strata and reasonable waterproof coal pillar with backfilling mining in steep seam under water body[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology.
    Meng Z P, Shi X C, Liu S S, et al. 2016. Evaluation model of CBM resources in abandoned coal mine and its application[J]. Journal of China Coal Society, 41 (3): 537-544. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/mtxb201603002
    Shi L Q, Han J, Liu T B, et al. 2005. Study on design of safety pillar against water-inrush through stope sill faults[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 24 (S2): 5585-5590. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-YSLX2005S2056.htm
    Tong T. 2019. Study on safety pillars in fully mechanized caving mining under thick and loose aquifer in Qingdong coal mine of Huaibei[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology.
    Wang H W, Jiang Y D, Deng B P, et al. 2014. Study of stress state of coal pillar in failure zone of coal seam under dynamic pressure of mining[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 33 (10): 2056-2063. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTotal-YSLX201410013.htm
    Wang J M. 2021. Study on overburden failure law and stability of the 81109 working face[J]. Shandong Coal Science and Technology, (5): 78-79.
    Wei J L. 2006. Study on the distribution rule of the parameters of the lowermost aquifers at Kouzidong coalfield[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology.
    Yang D M, Guo W B, Zhao G B, et al. 2019. Height of water-conducting zone in longwall top-coal caving mining under thick alluvium and soft overburden[J]. Journal of China Coal Society, 44 (11): 3308-3316.
    Zhang W B, Wu J W, Zhai X R, et al. 2020. Mining damage of mine boundary coal pillar in closed mine and its safety evaluation[J]. Industry and Mine Automation, 46 (2): 39-44.
    Zhang Y J, Kang Y H, Liu X E. 2006. Predicting on inrush of sand of mining under loosening sandstone aquifer[J]. Journal of China Coal Society, 31 (4): 429-432. http://www.researchgate.net/publication/292698392_Predicting_on_inrush_of_sand_of_mining_under_loosening_sandstone_aquifer
    Zhou Z F, Shen Q, Shi A C, et al. 2020. Prediction and prevention of seepage failure in interlayer staggered zone at left bank of Baihetan hydropower station[J]. Journal of Engineering Geology, 28 (2): 211-220.
    白斌. 2019. 厚松散层下组含水层富水性评价及安全煤岩柱留设研究——以兖州矿区鲍店煤矿为例[D]. 青岛: 山东科技大学.
    顾大钊, 颜永国, 张勇, 等. 2016. 煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析[J]. 煤炭学报, 41 (7): 1589-1597. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201607001.htm
    孔德中, 王兆会, 李小萌, 等. 2014. 大采高综放面区段煤柱合理留设研究[J]. 岩土力学, 35(增): 460-467. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2014S2065.htm
    李建文. 2016. 煤矿过沟开采突水溃砂临界水力坡度计算及应用[J]. 中国煤炭地质, 28 (6): 55-57. doi: 10.3969/j.issn.1674-1803.2016.06.11
    李鹏军. 2012. 断层附近煤层开采防水煤柱留设的相似材料模拟分析[D]. 合肥: 合肥工业大学.
    李永明. 2012. 水体下急倾斜煤层充填开采覆岩稳定性及合理防水煤柱研究[D]. 徐州: 中国矿业大学.
    孟召平, 师修昌, 刘珊珊, 等. 2016. 废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用[J]. 煤炭学报, 41 (3): 537-544. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201603003.htm
    施龙青, 韩进, 刘同彬, 等. 2005. 采场底板断层防水煤柱留设研究[J]. 岩石力学与工程学报, 24(增2): 5585-5590. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2005S2056.htm
    仝腾. 2019. 淮北青东矿厚松散含水层下综放开采安全煤岩柱留设研究[D]. 徐州: 中国矿业大学.
    王宏伟, 姜耀东, 邓保平, 等. 2014. 工作面动压影响下老窑破坏区煤柱应力状态研究[J]. 岩石力学与工程学报, 33 (10): 2056-2063. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201410013.htm
    王静民. 2021.811 09工作面覆岩破坏规律及稳定性研究[J]. 山东煤炭科技, (5): 78-79. doi: 10.3969/j.issn.1005-2801.2021.05.028
    魏继莲. 2006. 口孜东新生界底部含水层参数随机分布规律研究[D]. 淮南: 安徽理工大学.
    杨达明, 郭文兵, 赵高博, 等. 2019. 厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度[J]. 煤炭学报, 44 (11): 3308-3316. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201911003.htm
    张文斌, 吴基文, 翟晓荣, 等. 2020. 闭坑矿井矿界煤柱采动损伤及其安全性评价[J]. 工矿自动化, 46 (2): 39-44. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202002008.htm
    张玉军, 康永华, 刘秀娥. 2006. 松软砂岩含水层下煤矿开采溃砂预测[J]. 煤炭学报, 31 (4): 429-432. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2006.04.005
    周志芳, 沈琪, 石安池, 等. 2020. 白鹤滩水电工程左岸玄武岩层间错动带渗透破坏预测与防治模拟[J]. 工程地质学报, 28 (2): 211-220. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2019-574
    卓万生. 2020. 雨强对安溪县尧山村滑坡地下水渗流系统及稳定性的影响研究[J]. 工程地质学报, 28 (6): 2311-2318. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-150
  • 加载中
图(11) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  87
  • HTML全文浏览量:  87
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-29
  • 修回日期:  2021-07-25
  • 网络出版日期:  2021-09-03
  • 刊出日期:  2021-09-03

目录

    /

    返回文章
    返回