新田煤礦開采對(duì)黔西櫻桃坪水庫滲漏影響規(guī)律分析

嚴(yán)克淵，楊序烈，高奮飛，楊長火亙

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽 550002)

新田煤礦開采對(duì)黔西櫻桃坪水庫滲漏影響規(guī)律分析

嚴(yán)克淵，楊序烈，高奮飛，楊長火亙

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 貴州 貴陽 550002)

以黔西北某擬建中型水利工程與附近煤礦相互關(guān)系為背景，在分析、評(píng)價(jià)擬建水庫與煤礦的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體特征、相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用有限元理論的滲流模型，模擬了煤礦開采對(duì)水庫滲漏的影響及不同退采距離下的水庫滲漏情況，對(duì)其滲漏水量進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了水庫滲漏的相關(guān)影響因素及煤礦開采對(duì)水庫滲漏影響的規(guī)律，為禁采區(qū)設(shè)置范圍及副壩建造位置提供了依據(jù)。

煤礦開采；水庫滲漏；影響規(guī)律；有限元；ANSYS

煤礦透水是與煤礦瓦斯、煤礦火災(zāi)、煤礦粉塵和煤礦頂板并稱的煤礦五大自然災(zāi)害之一，是僅次于煤礦瓦斯突出的嚴(yán)重事故，據(jù)統(tǒng)計(jì),目前受水害威脅的礦井約占國有重點(diǎn)煤礦的48%以上。據(jù)國內(nèi)外采掘工作面頂板破壞試驗(yàn)與突水資料顯示，煤礦透水引發(fā)機(jī)理主要有力源、含導(dǎo)水構(gòu)造地質(zhì)特征及條件[1]、地層巖性與巖體結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)條件等幾方面。就外部因素而言，物質(zhì)條件是引發(fā)透水的直接因素，在一定范圍內(nèi)，水庫與煤礦并不具備共同開發(fā)條件。據(jù)資料顯示，包括貴州夾巖水利樞紐及黔西北供水工程、黔中水利樞紐工程、黔西櫻桃坪水庫等均存在不同程度的壓覆礦問題。在一定范圍內(nèi)，煤礦開采極可能引起水庫滲漏，水庫亦可能成為煤礦透水物質(zhì)來源，如何在保證水庫與煤礦建設(shè)、運(yùn)營安全的前提下，實(shí)現(xiàn)水庫與煤礦共同開發(fā)，這是主要工程地質(zhì)問題，就目前技術(shù)條件下,要求水庫完全不漏是無法實(shí)現(xiàn)的,也是不現(xiàn)實(shí)的，目前所關(guān)心問題在于，水庫滲漏所造成的水量損失是否會(huì)影響水庫修建的目的,或產(chǎn)生其他嚴(yán)重的工程地質(zhì)問題[2-3]，如滲水量是否會(huì)對(duì)煤礦礦井產(chǎn)生潛在透水事故危險(xiǎn)等。就研究方法而言，主要包括模糊數(shù)學(xué)、條件判別法、概率積分法、觀測對(duì)比法、極限平衡法及數(shù)值模擬法等。由于巖體介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜，影響其應(yīng)力和變形的因素很多，例如巖土的結(jié)構(gòu)、孔隙、密度、應(yīng)力歷史、載荷特征、孔隙水及時(shí)間效應(yīng)等，與前幾種方法比較，數(shù)值模擬法具有明顯的可操作性、優(yōu)越性、適應(yīng)性，因有限元考慮了非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，使得實(shí)際情況在計(jì)算中能得到較好的反映[4-5]，同時(shí)，結(jié)合達(dá)西定律及滲流場邊界條件，可較好模擬不同滲流路徑及不同工況下，水庫滲漏的地下水運(yùn)移情況與滲漏量情況[6-10]，可為煤礦設(shè)置禁采區(qū)及水庫方案選擇提供依據(jù)。本文擬采用有限元ANSYS數(shù)值模擬法煤礦開采對(duì)擬建水庫滲漏影響進(jìn)行模擬，分析煤礦開采對(duì)水庫滲漏的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的工程措施及建議。

1 有限元理論模擬地下水滲流的基本原理

根據(jù)圣維南原理(Saint-Venant’s Principle)[11]，對(duì)地表強(qiáng)巖溶帶灰?guī)r滲透系數(shù)增大處理，其帶來的誤差僅是地表強(qiáng)巖溶帶灰?guī)r中單元節(jié)點(diǎn)滲透量的誤差，對(duì)整個(gè)煤礦涌水量總體影響不大，地下水滿足達(dá)西定律和滲流場微分方程，滿足有限元滲流模擬的適用條件[12]，應(yīng)用有限元法進(jìn)行地下水滲流場分析及流量計(jì)算是一種行之有效的方法。

根據(jù)達(dá)西定律：

(1)

其中：Qs為滲流量；A為斷面面積；h為測壓管水頭；ks為滲透系數(shù)；L為滲徑長度；v為斷面平均流速；J為滲透坡降。

采用滲流場微分方程：

(2)

其中：ksx、ksy為x、y方向的滲透系數(shù)。

2 新田煤礦開采對(duì)櫻桃坪水庫滲漏的影響分析

2.1 櫻桃坪水庫工程地質(zhì)環(huán)境概況

櫻桃坪水庫位于黔西縣甘棠鄉(xiāng)東北面的櫻桃村，是一座以供水、灌溉為主要功能的綜合性水庫工程，承擔(dān)黔西縣甘棠鄉(xiāng)循環(huán)工業(yè)園區(qū)供水及水庫周邊2 273.33 hm2煙區(qū)灌溉，總供水量1 710萬m3，其中，向工業(yè)園區(qū)供水1 680萬m3，煙區(qū)灌溉供水30萬m3。擬建工程主要建設(shè)內(nèi)容有水庫樞紐和輸水工程。水庫樞紐由面板堆石壩、溢洪道、放水隧洞組成；輸水工程由提水泵站、高位水池、輸水管道組成，副壩排洪隧洞[13]，水庫樞紐區(qū)布置見如圖1所示。

圖1 櫻桃坪水庫綜合地質(zhì)圖

水庫庫盆整體座落于三疊系下統(tǒng)夜郎組九級(jí)灘段(T1y3)泥巖上，庫區(qū)巖層傾角平緩，傾角3°～6°，兩岸三疊系下統(tǒng)茅草鋪組第一段(T1m1)強(qiáng)巖溶灰?guī)r分布高程均高于水庫正常蓄水位1 241 m，據(jù)壩址河心鉆孔CZK2、CZK3、CZK12、ZK2、ZK3、ZK9、ZK10資料，河床段九級(jí)灘段(T1y3)泥巖隔水層厚度大于60 m，隔水性能好，與下伏玉龍山段(T1y2)灰?guī)r完全隔開，為庫區(qū)天然鋪蓋。根據(jù)庫區(qū)水文結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造，水庫除庫尾受F3斷層切割和庫首右岸受F1斷層切割，使庫首燕家寨沖溝玉龍山段(T1y2)灰?guī)r仰沖于T1y3泥巖之上而出露于地表，存在向下游和鄰谷滲漏的可能外，其余地段九級(jí)灘段(T1y3)泥巖隔水層完整，不存在滲漏現(xiàn)象。庫首右岸受F1斷層切割，使庫首燕家寨沖溝玉龍山段(T1y2)灰?guī)r仰沖于T1y3泥巖之上而出露于地表與庫水直接接觸。

2.2 新田煤礦與櫻桃坪水庫水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

新田煤礦位于擬建的櫻桃坪水庫以南(見圖1)，煤礦礦界范圍距上壩址最近約360 m，距下壩址最近約210 m，地質(zhì)構(gòu)造同屬黔西向斜北西翼，巖層傾角平緩，傾角3°～6°，其中P3l煤系地層為測區(qū)下臥地層，埋深270 m～350 m，含可采煤層4、9層，煤層單層厚1.4 m～5.8 m[14]。

新田煤礦最低開采標(biāo)高為+750 m，低于櫻桃坪水庫上壩址方案正常蓄水位(1 241 m)491 m，低于下壩址方案(1 233 m)483 m。其間存在T1y2灰?guī)r巖溶層與新田煤礦相通，存在櫻桃坪庫水向玉龍山段(T1y2)灰?guī)r或F1、F2斷層向右岸新田煤礦滲漏的可能(如圖2所示)。經(jīng)分析，櫻桃坪水庫與新田煤礦之間出露地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)、三迭系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段(T1y1)、玉龍山段(T1y2)和九級(jí)灘段(T1y3)，茅草鋪組(T1m))，其中三迭系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段(T1y2)灰?guī)r強(qiáng)透水層存在庫水與新田煤礦相通，為櫻桃坪庫水向新田礦井滲漏的可能的主要通道。

圖2 櫻桃坪水庫與新田煤礦位置關(guān)系及滲漏分析剖面圖(圖1中A-A′剖面)

2.3 煤礦采空對(duì)櫻桃坪水庫滲漏影響分析

根據(jù)櫻桃坪水庫可行性研究階段的勘察成果，櫻桃坪水庫庫盆整體座落于三疊系下統(tǒng)夜郎組九級(jí)灘段(T1y3)泥巖上，庫區(qū)巖層傾角平緩，傾角3°～6°，庫區(qū)庫盆河床段為九級(jí)灘段(T1y3)泥巖隔水層，厚度大于60 m，隔水性能好，與下伏玉龍山段(T1y2)灰?guī)r完全隔開，為庫區(qū)天然鋪蓋。但在庫首右岸孔家坡、燕家寨一帶，受F1、F2斷層錯(cuò)斷，使玉龍山段(T1y2)灰?guī)r直接與庫水接觸，存在沿玉龍山段(T1y2)灰?guī)r向新田煤礦滲漏的可能。

為盡可能的客觀分析評(píng)價(jià)水庫滲漏量，在調(diào)查櫻桃坪水庫、新田煤礦水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用有限元模型模擬新田煤礦地下采煤的強(qiáng)疏排水對(duì)場區(qū)地下水滲流場的影響，見圖3，從而判斷新田煤礦開采形成的地下水降落漏斗對(duì)櫻桃坪水庫的影響程度。計(jì)算軟件應(yīng)用目前應(yīng)用十分廣泛的、成熟的、具有參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)的ANSYS軟件熱分析模塊來分析計(jì)算。

2.3.1 水文地質(zhì)模型的建立

根據(jù)場區(qū)地形、地質(zhì)條件及出露的地層透水性，按極強(qiáng)透水層(T1m1、T1y2-2)、強(qiáng)透水層(T1y2-1、P2m)、中等透水層(T1y1、P3c)、微透水層(T1y3、P3l)和飽氣帶組成，在計(jì)算過程中，通過反復(fù)迭代求出地下水潛水面。

圖3 新田煤礦與櫻桃坪水庫地質(zhì)結(jié)構(gòu)滲漏模型圖

模擬面積87.7 km2，包括新田煤礦礦區(qū)、櫻桃坪水庫庫區(qū)。模型采用6結(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行模擬，共44 773單元90 114結(jié)點(diǎn)[15]。

2.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)的選取

水文地質(zhì)參數(shù)的選取主要參考新田煤礦鉆孔抽水試驗(yàn)和櫻桃坪水庫壓水試驗(yàn)選取，考慮埋深及可溶鹽巖的溶蝕下限，按極強(qiáng)透水層、強(qiáng)透水層、中等透水層、微透水層、極微透水層5個(gè)等級(jí)劃分，具體參數(shù)見表1。

表1 滲透系數(shù)參數(shù)表

2.3.3 模擬分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，繪制的地下水頭等值線圖見圖4、圖5。從圖4、圖5中可見，新田煤礦在充分開采至礦界邊界時(shí)，庫水水位與新田煤礦礦井之間水位存在地下水“跌坎”，地下水位運(yùn)移速率達(dá)1×10-6m/s，直至煤礦退采1 200 m以后，“跌坎”才稍有緩和，地下水比降降至45%以下，水庫與新田煤礦之間無分水嶺存在，水庫出現(xiàn)補(bǔ)給礦井的現(xiàn)象。

圖4 新田煤礦充分開采后地下水頭等值線圖(單位m)

圖5 新田煤礦退采2 800 m后地下水頭等值線圖(單位m)

2.3.4 水庫滲漏量水量的計(jì)算

櫻桃坪水庫滲漏量計(jì)算采用ANSYS中的APDL語言統(tǒng)計(jì)庫水接觸帶各單元節(jié)點(diǎn)流量的變化，得出單寬流量，乘以水庫T1y2灰?guī)r接觸帶的長度，最終得出總的水庫滲漏量。

2.3.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)圖6，因在庫首右岸孔家坡、燕家寨一帶存在庫水與玉龍山段(T1y2-2)灰?guī)r直接，存在沿玉龍山段(T1y2-2)灰?guī)r向新田煤礦滲漏的情況，存在燕家寨沖溝存在玉龍山段(T1y2-2)灰?guī)r與庫水直接接觸，接觸帶長約860 m，經(jīng)計(jì)算，水庫滲漏量在煤礦開采范圍遠(yuǎn)離水庫2 km時(shí)滲漏量達(dá)0.158 m2/s，占下壩址水庫多年平均來水量0.81 m3/s的19.5%，為防止水庫滲漏和新田煤礦的突水事故，對(duì)上壩址同樣需阻隔庫水與T1y2-2灰?guī)r直接接觸，因巖層平緩，防滲邊界難以解決，建議在燕家寨沖溝設(shè)置副壩，以完全阻隔庫水與T1y2-2灰?guī)r直接接觸。

圖6 水庫滲漏量統(tǒng)計(jì)圖

3 水庫滲漏的防治措施

根據(jù)工程地質(zhì)測繪及基于有限元理論的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)櫻桃坪水庫，存在燕家寨沖溝在玉龍山段(T1y2-2)灰?guī)r與庫水直接接觸，接觸帶長約860 m，水庫滲漏量在煤礦退采2 km時(shí)滲漏量仍達(dá)0.158 m2/s，占?jí)沃匪畮於嗄昶骄鶃硭?.81 m3/s的19.5%，滲漏量較大。為防止水庫滲漏和新田煤礦的突水事故，建議在燕家寨沖溝修建副壩，以完全阻隔庫水與T1y2-2灰?guī)r直接接觸，經(jīng)修建副壩后，水庫具成庫建壩條件。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，繪制地下水頭等值線圖和地下水流線圖(見圖7、圖8)。從圖7中可見，新田煤礦在設(shè)置禁采區(qū)后，地下水位線將形成2個(gè)“跌坎”，其中壩下游“跌坎”為修建大壩(副壩)蓄水所致，說明大壩防滲條件較好。根據(jù)地下水流線圖，水庫蓄水后，庫水垂直地表補(bǔ)給地下水，受T1y3泥巖阻隔，入滲強(qiáng)度小于0.5×10-7m/s，在T1y2灰?guī)r中匯流，受F2斷層影響，地下水在斷層灰?guī)r錯(cuò)斷處形成匯流，具一定承壓性。根據(jù)水庫區(qū)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，單寬滲漏量為4.808×10-7m3/s，乘以水庫水面的長度710 m，即總的水庫滲漏量3.22×10-4m3/s，占水庫多年來水量的0.04%，即新田煤礦設(shè)置禁采區(qū)和櫻桃坪水庫設(shè)置副壩后(禁采區(qū)及副壩設(shè)置見圖1)，新田煤礦礦井的開采對(duì)櫻桃坪水庫的滲漏基本無影響。

圖7 設(shè)置禁采區(qū)后地下水頭等值線圖(單位：m)

圖8 設(shè)置禁采區(qū)后地下水流線圖(單位：m/s)

4 結(jié) 論

煤礦透水是煤礦開采較易發(fā)生的自然災(zāi)害之一，在一定范圍內(nèi)，水庫與煤礦并不具備共同開發(fā)條件。本文以擬建某中型水庫與附近大型煤礦為背景，通過對(duì)煤礦、水庫地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了分析，受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等的影響，煤礦開采會(huì)對(duì)水庫來水量、水庫庫容造成一定的損失，庫水向礦井滲漏同時(shí)會(huì)對(duì)煤礦造成一定的安全隱患，在工程地質(zhì)測繪的基礎(chǔ)上，通過模擬各退采距離下，水庫滲漏的情況，確定了煤礦退采范圍，據(jù)此設(shè)置禁采區(qū)，并提出了修建副壩的必要性。設(shè)置副壩與禁采區(qū)后，水庫單寬滲漏量占水庫多年來水量的0.04%，即新田煤礦礦井的開采對(duì)櫻桃坪水庫的滲漏基本無影響。

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Analysis of the Influence of Xintian Coal Mining on the Leakage of the Yingtaoping Reservoir in Qianxi

YAN Keyuan, YANG Xulie, GAO Fenfei, YANG Changxuan

(GuizhouSurvery&DesignResearchInstituteforWaterResourcesandHydropower,Guiyang,Guizhou550002,China)

Based on the relationship between the northwest of Guizhou Province and medium-sized water conservancy project and a nearby coal mine, this paper analyzed and evaluated the hydrogeological structure, reservoir and coal rock mass characteristics, on the basis of mutual relations, and a seepage model based on finite element theory was developed to simulate the leakage of reservoir and different retreat mining distance effect on reservoir leakage coal mining, the water leakage was simulated, and the influencing factors and regularity of coal mining on reservoir leakage were analyzed, which could provide basis for the ban area setting range and side dam construction.

coal mining; reservoir leakage; influence rule; finite element; ANSYS

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.037

2017-02-13

2017-03-17

嚴(yán)克淵(1984—)，男，貴州湄潭人，碩士，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察等工作。 E-mail:yankeyuan2007@126.com

TV221.2

A

1672—1144(2017)03—0178—05