高陡山体下多煤层重复开采沉...矿区环境影响的累积效应分析_田延哲.pdf

第 35 卷 1 期2023 年 1 月中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.35 No.1Jan.2023doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.01.10文章编号:1674-1803(2023)01-0057-07高陡山体下多煤层重复开采沉陷对矿区环境影响的累积效应分析田延哲1,2(1.中煤科工生态环境科技有限公司,北京 100013;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710077)摘 要:为研究高陡山体下多煤层重复开采沉陷对西南矿区地质环境的影响,采用工程地质分析与 udec 数值模拟等方法,根据组成坡体的岩性、主控结构面、结构面形状及其充填物特征、节理裂隙特征分析了坡体的结构特征。基于离散元法得出多煤层重复开采过程中塑性区分布特征、岩体裂隙扩展特征、水平位移特征和纵向位移特征的变化规律,分析了多煤层重复开采沉陷对矿区环境的累积影响。结果表明:高陡山体下多煤层重复开采诱发的岩质斜坡变形破坏经历了一个复杂的时间和空间过程,具有明显的开采累积效应,重复采动引起高陡山体的附加水平移动、水平变形会导致山体变形活动更复杂,得出重复采动坡体的变形破坏演化过程:单一煤层开采扰动上覆岩体变形多煤层重复采动岩质坡体变形加剧坡体沉陷开裂岩质坡体局部塌陷和崩塌。关键词:高陡山体;重复采动;岩质边坡;变形破坏中图分类号:TD325 文献标识码:ACumulative Effect Analysis of Repeated Mining Subsidence of Multiple Coal Seams under Highand Steep Mountain on Mining EnvironmentTIAN Yanzhe1,2(1.China Coal Technology Ecological Environment Technology Co.Ltd.,Beijing 100013;2.Xian Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Co.Ltd.,Xian,Shaanxi 710077)Abstract:In order to study the influence of repeated mining subsidence of multiple coal seams under high and steep mountain on the geological environment of southwest mining area,the engineering geological analysis method and udec numerical simulation were used to analyze the structural characteristics of slope body according to the lithology,main structural plane,structural plane shape,filling characteristics,joint and fracture characteristics of the slope body.Based on the discrete element method,the distribution characteris-tics of plastic zone,the fracture propagation characteristics of rock mass,the horizontal displacement characteristics and longitudinal displacement characteristics in the process of repeated mining of multiple coal seams are obtained.The cumulative influence of repeated mining subsidence of multiple coal seams on mining environment was analyzed.The results showed that the deformation and failure of rock slope induced by repeated mining of multiple coal seams under high and steep mountain has experienced a complex time and space process,and has obvious cumulative effect of exploitation.The additional horizontal movement and horizontal deformation of high and steep mountain caused by repeated mining make the deformation activity of mountain more complicated.It is concluded that the deform-ation and failure evolution process of the repeated mining slope body:single coal seam mining disturbanceoverlying rock mass de-formationrepeated mining of multiple coal seamsaggravated deformation of rock slope bodyslope body subsidence and crackinglocal collapse and collapse of rock slope body.Keywords:high and steep mountain;repeated mining;rock slope;deformation and failur基金项目:兖矿贵州能化有限公司科技攻关项目(YKGZ2017C04),中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项(2019-2-ZD005,2019-ZD004)作者简介:田延哲(1988),男,河北邢台人,硕士,助理研究员,从事水文地质、工程地质及环境地质方面的研究工作。E-mail:326019384 收稿日期:2022-07-05责任编辑:樊小舟0 引言我国西南地区位于中国地势第一阶梯与第二阶梯过渡地带,受新生代构造运动影响,构造运动频繁,构造变形强烈,使得该地区成为我国滑坡、崩塌等地质灾害高易发区1-2。该区发育着大量“上硬下软”岩质边坡,其中上覆岩体以灰岩、白云岩等硬质岩为主,下伏地层岩性主要为泥岩、煤层等软质岩。西南地区煤炭资源开采具有开采层数多,开采时间长、重复开采扰动强度大和影响范围广等特点3-4,多煤层58 中 国 煤 炭 地 质第 35 卷联合下行开采过程中,各煤层间采动存在应力叠加影响区5,上层煤开采引起采区岩层应力重分布,影响下煤层应力的分布形态,应力场活化现象明显,造成多煤层开采造成的采空区岩层移动变形破坏现象更加严重6,这决定了西南矿区生态环境退化具有明显的“累积”特征7-8。煤层多次重复采动引发地表发生大范围的沉降,进而诱发滑坡、崩塌等地质灾害,造成了极为重大人员伤亡损失,引发社会的高度关注,如贵州开阳磷矿崩塌9、纳雍县佐家营崩塌10、毕节市大方县德兴煤矿崩塌11-12、遵义市大千岩崩塌13、威宁县下藤桥崩塌14等。总结已有学者的研究成果,多煤层重复采动呈现出的覆岩移动特征不同于单一 煤 层 开 采 影响15-16,山体下开采沉陷同时受边坡效应引起的滑移位移矢量与地下采动引起的采动位移矢量叠加影响17-18,重复采动引起的附加水平移动、水平变形会导致山体变形活动更复杂19,现有研究大都突出地下采矿作用,未考虑坡体结构特征,因此考虑坡体结构开展高陡地形条件下多煤层重复采动对矿区地质环境影响的累计效应分析对于西南地区可持续发展具有重要的理论和实践意义。本研究以贵州盘江地区发耳煤矿五采区地质条件和采矿条件为依据,针对多煤层重复采动对矿区地质环境影响问题,采用节理裂隙调查、数值模拟等方法,首先根据组成坡体的岩性、节理裂隙特征、结构面形状及其充填物特征分析了坡体的结构特征,基于离散元法探讨多煤层重复开采过程中塑性分布、岩体内部裂隙扩展、水平位移场和纵向位移场的变化规律,分析了多煤层重复开采沉陷对矿区环境的累积影响1 工程概况1.1 地形地貌发耳煤矿 2007 年对一、三盘区进行开采,开采过程中坡体产生大量采动裂隙,上覆坡体发生剥落、崩塌等地质灾害,对矿区周边村民生产生活造成威胁(图 1)。根据矿区规划,拟开发五采区作为三盘区接替盘区。五采区位于湾河两侧,湾河北侧山高坡陡,自河床至一井区五采区永宁镇组灰岩顶部最大高差为 800m。随着一井区五采区湾河北侧山体下二叠系龙潭组煤层开采,上覆坡体内部发生不连续的变形,尤其当多煤层重复采动时,大面积的采空区可能诱发和加剧地面塌陷和裂缝,不连续变形愈演愈烈,当超过岩体的抗拉强度时,坡体会发生垮塌破坏,垮塌岩体在重力作用下容易发生滚石灾害,影响山体下河流、道路安全。图 1 发耳煤矿一、三采区开采后坡体破坏Figure 1 Slope damage after mining in No.1 and No.3 miningarea of Faer Coal Mine1.2 地质条件发耳煤矿五采区位于贵州高原西部,最大高差800m。地层走向 N55 60E,倾向北西,倾角 8 28,为平缓的单斜构造。地层主要有上二叠统玄武岩组、龙潭组、下三叠统飞仙关组、永宁镇组及第四系。坡积层及崩积层多分布在同向坡、沟谷及斜坡平台上,坡体上部出露的地层为陡坡-反倾的永宁镇组灰岩,坡体近于直立,下部为缓坡-反倾的飞仙关组泥砂岩,构成西南地区典型的“上硬下软”型二元坡体结构。1.3 采矿条件发耳煤矿五采区设计生产能力为 90 万 t/a。开采煤层为二叠系龙潭组 1 煤、3 煤、5 煤、7 煤,煤层厚度 0.883.61m,层间距 535m,埋深 1201 250m,倾向长壁采煤法,工作面长度 180m,年推进长度 1 5002 200m,全部垮落法管理顶板。相关煤层特征见表 1。表 1 五采区可采煤层特征Table 1 Characteristics of minable coal seams of No.5 mining aream编号煤层厚度煤层间距顶板岩性底板岩性1#煤0.884.251.723#煤0.912.351.485#煤0.793.521.787#煤0.943.192.357.3421.6012.625.9426.4011.6319.6030.8726.57泥岩泥质粉砂岩粉砂质泥岩泥岩粉砂质泥岩泥岩粉砂质泥岩泥质粉砂岩1.4 采矿设计方案发耳煤矿五采区分为五上采区和五下采区,采1 期田延哲:高陡山体下多煤层重复开采沉陷对矿区环境影响的累积效应分析59 用下山开采。按设计开采 1#、3#、5#、7#煤层,自上而下逐层开采。工作面接续由中部向南北方向双翼交替开采,避免形成孤岛开采。2 坡体结构特征2.1 工程地质分区根据坡体地形地貌、地层岩性等影响因素,将五采区边坡分为 6 个区域(图 2)。2.2 节理裂隙统计岩体节理裂隙的分析是工程地质评价岩体特征的重要依据。本次野外调绘主要对五采区发耳河北侧出露的飞仙关组砂岩和永宁镇组灰岩进行了统计。通过分析得出坡体出露地层飞仙关组优势结构面为 19083及 9076,永宁镇组优势结构面为 24773及 15280。2.3 五采区坡体岩体结