采空塌陷對(duì)紅巖河水庫滲漏影響研究

王玉濤，曹曉毅

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

過去的幾十年中，煤炭資源為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的同時(shí)，在我國眾多礦區(qū)形成了大面積、大規(guī)模的采空區(qū)[1]。在越來越多的水利工程建設(shè)中遇到了由煤礦開采引起的塌陷變形問題和水庫滲漏問題，尤其以滲漏問題最為突出[2]。水庫滲漏一方面會(huì)引起土質(zhì)壩基或壩體的管涌，進(jìn)而引起建筑物的破壞等事故，造成水量的損失；另一方面還會(huì)對(duì)煤礦井下生產(chǎn)帶來一定的安全隱患。如何客觀評(píng)價(jià)由采動(dòng)引起的滲漏問題成為工程技術(shù)人員面臨的難題。

1 研究背景

1.1 水庫建設(shè)及運(yùn)行情況

湖南省紅巖河水庫位于涇河左岸一級(jí)支流，工程樞紐位于紅巖河干流下游距涇河口1 km位置，工程等級(jí)為Ⅲ等中型水庫，總庫容為8 515萬m3，年供水量2 220萬m3，設(shè)計(jì)正常蓄水位903.0 m，最高洪水位為907.6 m。

該工程于2016年4月25日正式開工建設(shè)，主體工程于2018年12月建成，2019年6月開始蓄水，水位已蓄水至879.0 m。該項(xiàng)目為彬州市招商引資PPP項(xiàng)目，采用企業(yè)投資與政府回購的運(yùn)營方式。該水庫的建成對(duì)解決縣城現(xiàn)狀供水量不足、保證率低等問題和促進(jìn)地方發(fā)展起到非常重要的作用。

1.2 礦山開采情況及引起的問題

火石咀煤礦是目前對(duì)紅巖河水庫存在影響的唯一煤礦。該礦始建于1976年，先后經(jīng)多次技術(shù)升級(jí)改造，由一座鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體小煤礦逐步發(fā)展為年產(chǎn)300萬t的大型地方煤礦企業(yè)。該礦開采4-2煤，采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝、頂板全部垮落方式管理。根據(jù)開采規(guī)劃，工作面將按照8714-8712-8710-8708-……的順序進(jìn)行開采，該礦井剩余服務(wù)年限約40 a。

受2012年11月至2013年12月8712和8714兩個(gè)工作面開采影響，自2014年2月起，水庫庫區(qū)發(fā)生大面積地面塌陷和地裂縫，水庫與采空區(qū)相對(duì)位置如圖1所示。兩個(gè)工作面寬度均為209 m，開采方向由西向東推進(jìn)，月推進(jìn)速度為130～240 m，采高7.1 m，煤層底板埋深400～450 m，高程為455～465 m。

1.3 地層巖性

研究區(qū)地層主要由三疊系、侏羅系、白堊系、新近系和第四系組成，侏羅系延安組為該區(qū)含煤地層，詳情如表1所列。

表1 地層簡表Tab.1 Stratigraphic summary

2 采動(dòng)巖體裂隙發(fā)育與滲透性研究

為了研究采空區(qū)圍巖裂隙發(fā)育特征及采動(dòng)巖體的滲透特性，2014年4～5月，在庫區(qū)共施工了4個(gè)試驗(yàn)鉆孔，平面位置如圖1所示。

依據(jù)文獻(xiàn)[3-5]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采空區(qū)地表移動(dòng)角，利用采動(dòng)影響擴(kuò)散原理，計(jì)算了采動(dòng)影響范圍。將ZK-1鉆孔布置于采動(dòng)影響以外，起到對(duì)比作用。

2.1 采動(dòng)巖體完整性

為研究采動(dòng)巖體的完整性，采用武漢中科智創(chuàng)生產(chǎn)的RSM-SY5(T)型數(shù)字聲波儀對(duì)4個(gè)試驗(yàn)鉆孔全孔段進(jìn)行了原位孔內(nèi)聲波測(cè)井及巖塊的聲波測(cè)試工作。測(cè)試時(shí)，將配有一個(gè)發(fā)射換能器及兩個(gè)接收換能器組合而成的單發(fā)雙收觀測(cè)系統(tǒng)的測(cè)井探頭置于鉆孔內(nèi)，根據(jù)兩個(gè)接收換能器接收時(shí)間差，計(jì)算巖層的縱波波速。巖塊波速測(cè)試采用在巖樣的兩端或直徑方向上放置縱波發(fā)射換能器及接收換能器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試具體步驟參考文獻(xiàn)[6]。

將試驗(yàn)所得縱向波速Vp及巖體完整性指標(biāo)Kv繪制于圖2。將巖體完整指數(shù)與試驗(yàn)點(diǎn)至采空區(qū)的距離統(tǒng)計(jì)繪制于圖3。由圖2～3可知：巖體完整性受采動(dòng)影響較大，隨著與采空區(qū)的距離由227 m減少到34 m，受采動(dòng)影響的巖體波速最大降低52.7%，平均降低17.16%。地層中的破碎及較破碎巖體所占比例由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。

圖2 鉆孔縱向波速、巖體完整性指數(shù)隨深度變化曲線Fig.2 Longitudinal wave velocity and rock mass integrity index versus depth

圖3 鉆孔巖體完整性比例Fig.3 Integrity ratio of bored rock mass

2.2 采動(dòng)巖體滲透性

2.2.1壓水試驗(yàn)方案

為查明采動(dòng)裂隙巖體的滲透性，對(duì)4個(gè)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行了121段壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)采用3級(jí)壓力5個(gè)階段方法進(jìn)行。試驗(yàn)壓力分別為P1=P5=0.3 MPa，P2=P4=0.6 MPa和P3=1.0 MPa，按照P1-P2-P3-P4-P5順序進(jìn)行，試驗(yàn)過程參考文獻(xiàn)[7]。

試驗(yàn)供水設(shè)備采用出水流量穩(wěn)定性較好的三缸往復(fù)式BW-250型泥漿泵；水位測(cè)量采用SWJ電測(cè)水位計(jì)；觀測(cè)裝置采用電磁流量計(jì)，可準(zhǔn)確計(jì)量累計(jì)流量和瞬時(shí)流量；壓力調(diào)節(jié)采用組合壓力調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)壓力平穩(wěn)調(diào)整；止水栓塞采用ZF A51型水壓式專用橡膠封隔器，通過在試驗(yàn)過程觀測(cè)，基本可達(dá)到良好的止水效果。對(duì)于局部地層破碎位置，采用組合栓塞的形式有效地解決了栓塞漏水問題。試驗(yàn)按照自上而下的順序采用雙栓塞分段進(jìn)行。

2.2.2壓水試驗(yàn)結(jié)果分析

各鉆孔地層透水率q隨深度變化如圖4所示。巖體透水率隨深度增加，總體降低趨勢(shì)與文獻(xiàn)[8]一致，但受采動(dòng)影響部分地層受采動(dòng)裂隙影響，透水率較大。

通過統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)地層的透水率變化曲線為B型(紊流型)、D型(沖蝕型)和E型(填充型)3種類型(見圖4)。121段壓水試驗(yàn)結(jié)果中，B型(紊流型)曲線共有9段，主要集中在20～50 m深度范圍，透水率基本在25.9～46.5 Lu，主要為中等透水。在試驗(yàn)過程中，裂隙狀態(tài)沒發(fā)生變化，該類典型P-Q曲線如圖5(a)～(b)所示。D型(沖蝕型)曲線共有66段，主要發(fā)生在砂巖及礫巖較堅(jiān)硬地層，透水率基本在0.1～47.1 Lu，平均為21.8 Lu，主要為中等透水(47段)。該類壓水曲線表明：在試驗(yàn)壓力作用下，巖體的滲透性增大且不能恢復(fù)原狀，裂隙已產(chǎn)生了塑性變形而且其中的充填物已被沖刷干凈，試驗(yàn)過程不可逆，該類典型P-Q曲線如圖5(c)～(d)所示。E型(填充型)曲線共有46段，主要發(fā)生在泥巖及泥質(zhì)含量較高地層，透水率基本在0.8～49.6 Lu，平均為15.9 Lu，中等透水(22段)，其余為弱透水，該類壓水曲線表明：隨試驗(yàn)壓力的增加，流量急劇增大，在降壓階段，由于裂隙被填充，流量減少，造成降壓階段流量小于升壓階段流量，該類典型P-Q曲線如圖5(e)～(f)所示。

圖4 巖體透水率隨深度變化曲線Fig.4 Water permeability curve of rock mass with depth

圖5 鉆孔壓水試驗(yàn)典型P-Q曲線Fig.5 Typical P-Q curve of borehole water pressure test

將巖體透水率與試驗(yàn)點(diǎn)至采空區(qū)的距離統(tǒng)計(jì)繪制于圖6。由圖6可知：采動(dòng)對(duì)巖體透水性影響很大，隨著與采空區(qū)的距離由227 m減少到34 m，巖體透水率大于30 Lu比例由0%提高到81.1%。同一地層的受采動(dòng)影響巖體透水率比原始地層平均提高了5.82倍。

圖6 巖體透水率分布百分比Fig.6 Permeability distribution percentage of rock mass

2.3 采動(dòng)巖體裂隙孔內(nèi)電視探測(cè)

為查明采動(dòng)圍巖裂隙發(fā)育情況，采用武漢固德科技有限公司生產(chǎn)的GD3Q-GA4D超高清全智能孔內(nèi)電視對(duì)4個(gè)鉆孔進(jìn)行了探測(cè)。探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZK-2鉆孔在52.4～69.8 m段及ZK-3鉆孔在200.0～223.6 m段發(fā)育有大量水平及垂向的采動(dòng)張拉裂縫，具體如圖7所示。

2.4 采動(dòng)巖體裂隙發(fā)育特征

通過綜合分析現(xiàn)場(chǎng)鉆探、鉆孔波速測(cè)試、壓水試驗(yàn)及孔內(nèi)電視等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。認(rèn)為在8712、8714工作面采空區(qū)邊緣存在寬度約為60 m的拉張裂隙帶。裂隙帶外側(cè)邊界由采動(dòng)移動(dòng)角控制，內(nèi)側(cè)邊界由孔內(nèi)電視、壓水試驗(yàn)及波速測(cè)試得到。具體拉張裂隙帶邊緣為鉆孔ZK-2(52.4～69.8 m)、ZK-3(200.0～223.6 m)連線所形成的條帶，形態(tài)如圖8所示。

圖8 采空區(qū)邊緣拉張裂隙帶分布Fig.8 Distribution of tensile fracture zone at the edge of mined out area

3 水庫滲漏影響評(píng)價(jià)

3.1 水庫滲漏量計(jì)算

3.1.1滲漏條件分析

火石咀煤礦井口高程838.7～838.8 m，與水庫正常蓄水位903 m之間存在約64 m水位高差。在空間上水庫蓄水與井口之間滿足長期滲流的條件。

注：a，b為ZK-2鉆孔，c，d，e為ZK-3鉆孔。圖7 孔內(nèi)彩色電視觀測(cè)圖片F(xiàn)ig.7 Color TV observation picture in the hole

煤層底板高程為460 m，最大水頭高度約443 m。在煤層開采過程中，始終要進(jìn)行井下排水工作，目前礦井排水約240 m3/h，該礦井剩余服務(wù)年限約40 a，在時(shí)間上也存在長期滲流的條件。

3.1.2滲漏量計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)結(jié)果，采動(dòng)巖體張拉裂隙帶地層滲透系數(shù)如表2所列。

表2 采動(dòng)巖體滲透系數(shù)Tab.2 Permeability coefficient of mining rock mass

與傳統(tǒng)水庫壩基滲漏和臨谷滲漏不同，采空區(qū)滲漏主要為垂直滲漏問題[9]。利用地下水流向與層狀巖(土)層的層面相垂直，整個(gè)層狀巖(土)層的滲透系數(shù)公式為

根據(jù)采動(dòng)移動(dòng)角71°，火石咀煤礦8712，8714工作面拉張裂隙帶水平寬度60 m計(jì)算，拉張裂隙帶過水?dāng)嗝婷娣e為A=46 968 m2。

水庫最大洪水位為907.6 m，煤層底板高程為460 m，總水頭高度H=447.6 m，平均滲徑由地面沿拉張裂隙帶至垮落帶頂斜距，即L=399.3 m，由此，水力坡度i=1.121。

根據(jù)達(dá)西定律公式Q=kiA，計(jì)算可得采空區(qū)引起的水庫滲漏量為1 263.63 m3/d。

水庫設(shè)計(jì)年平均徑流量4 226萬m3。由此可知，采空區(qū)引起的水庫滲漏量約占水庫設(shè)計(jì)年平均徑流量的1.09%，對(duì)水庫運(yùn)營存在一定影響。

3.2 水庫蓄水對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的影響評(píng)價(jià)

礦井水害是威脅礦井安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一，老空水透水是礦井水害中的一個(gè)主要方面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤礦發(fā)生的老空水透水事故約占煤礦水害事故的30%左右[10]。老空水來勢(shì)兇猛，水壓力大，短時(shí)間內(nèi)潰水量大，具有極大的沖擊破壞性，極易造成短時(shí)間內(nèi)淹井和人員傷亡事故。老采空區(qū)積水區(qū)是煤礦隱蔽致災(zāi)因素之一[11]。依據(jù)文獻(xiàn)[12]第四十三條規(guī)定：“……或者塌陷區(qū)內(nèi)外的地表水體可能潰入井下時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取安全防范措施，……地面裂縫和塌陷地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)及時(shí)填塞[12]”。

隨著水庫蓄水水位的不斷升高，地表水將會(huì)源源不斷地沿采動(dòng)邊緣張拉裂隙帶流向8712，8714工作面采空區(qū)內(nèi)，并且不斷匯集，逐步形成大面積老空積水區(qū)。根據(jù)火石咀煤礦4-2號(hào)煤賦存條件及開采規(guī)劃，后續(xù)開采基本處于向下俯采狀態(tài)，老空區(qū)積水對(duì)煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響：一方面增大了煤礦生產(chǎn)排水費(fèi)用，另一方面大量老采空區(qū)積水對(duì)煤礦后續(xù)生產(chǎn)巷道的延伸及開拓、工作面回采等存在嚴(yán)重的突水隱患。

4 結(jié) 論

(1) 通過鉆探、波速測(cè)試、孔內(nèi)電視及壓水試驗(yàn)等手段，查明采空區(qū)邊緣外側(cè)存在水平寬度約為60 m的張拉裂隙帶。受采動(dòng)影響，張拉裂隙帶巖體破碎，完整性較正常地層有較大幅度降低，透水率比原始地層提高了約5.82倍。

(2) 在空間和時(shí)間上，采空區(qū)存在長期滲漏條件，由采空區(qū)引起的滲漏量為1 263.63 m3/d，約占水庫設(shè)計(jì)年平均徑流量的1.09%。水庫向采空區(qū)的滲漏，將會(huì)形成大面積老空積水區(qū)，在增加煤礦排水費(fèi)用的同時(shí)，給煤礦后續(xù)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的安全隱患。

(3) 鑒于對(duì)水庫滲漏和對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的不利影響，建議在深部采空區(qū)進(jìn)行充填灌漿的基礎(chǔ)上，進(jìn)行淺部防滲處理，以確保工程運(yùn)營及煤礦的安全生產(chǎn)。