新田煤矿开采对黔西樱桃坪水库渗漏影响规律分析

严克渊，杨序烈，高奋飞，杨长火亘

(贵州省水利水电勘测设计研究院， 贵州 贵阳 550002)

新田煤矿开采对黔西樱桃坪水库渗漏影响规律分析

严克渊，杨序烈，高奋飞，杨长火亘

(贵州省水利水电勘测设计研究院， 贵州 贵阳 550002)

以黔西北某拟建中型水利工程与附近煤矿相互关系为背景，在分析、评价拟建水库与煤矿的水文地质结构、岩体特征、相互关系的基础上，采用有限元理论的渗流模型，模拟了煤矿开采对水库渗漏的影响及不同退采距离下的水库渗漏情况，对其渗漏水量进行了模拟计算，分析了水库渗漏的相关影响因素及煤矿开采对水库渗漏影响的规律，为禁采区设置范围及副坝建造位置提供了依据。

煤矿开采；水库渗漏；影响规律；有限元；ANSYS

煤矿透水是与煤矿瓦斯、煤矿火灾、煤矿粉尘和煤矿顶板并称的煤矿五大自然灾害之一，是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故，据统计,目前受水害威胁的矿井约占国有重点煤矿的48%以上。据国内外采掘工作面顶板破坏试验与突水资料显示，煤矿透水引发机理主要有力源、含导水构造地质特征及条件[1]、地层岩性与岩体结构特征、物质条件等几方面。就外部因素而言，物质条件是引发透水的直接因素，在一定范围内，水库与煤矿并不具备共同开发条件。据资料显示，包括贵州夹岩水利枢纽及黔西北供水工程、黔中水利枢纽工程、黔西樱桃坪水库等均存在不同程度的压覆矿问题。在一定范围内，煤矿开采极可能引起水库渗漏，水库亦可能成为煤矿透水物质来源，如何在保证水库与煤矿建设、运营安全的前提下，实现水库与煤矿共同开发，这是主要工程地质问题，就目前技术条件下,要求水库完全不漏是无法实现的,也是不现实的，目前所关心问题在于，水库渗漏所造成的水量损失是否会影响水库修建的目的,或产生其他严重的工程地质问题[2-3]，如渗水量是否会对煤矿矿井产生潜在透水事故危险等。就研究方法而言，主要包括模糊数学、条件判别法、概率积分法、观测对比法、极限平衡法及数值模拟法等。由于岩体介质的力学性质极为复杂，影响其应力和变形的因素很多，例如岩土的结构、孔隙、密度、应力历史、载荷特征、孔隙水及时间效应等，与前几种方法比较，数值模拟法具有明显的可操作性、优越性、适应性，因有限元考虑了非线性应力-应变关系，使得实际情况在计算中能得到较好的反映[4-5]，同时，结合达西定律及渗流场边界条件，可较好模拟不同渗流路径及不同工况下，水库渗漏的地下水运移情况与渗漏量情况[6-10]，可为煤矿设置禁采区及水库方案选择提供依据。本文拟采用有限元ANSYS数值模拟法煤矿开采对拟建水库渗漏影响进行模拟，分析煤矿开采对水库渗漏的影响规律，在此基础上，提出相应的工程措施及建议。

1 有限元理论模拟地下水渗流的基本原理

根据圣维南原理(Saint-Venant’s Principle)[11]，对地表强岩溶带灰岩渗透系数增大处理，其带来的误差仅是地表强岩溶带灰岩中单元节点渗透量的误差，对整个煤矿涌水量总体影响不大，地下水满足达西定律和渗流场微分方程，满足有限元渗流模拟的适用条件[12]，应用有限元法进行地下水渗流场分析及流量计算是一种行之有效的方法。

根据达西定律：

(1)

其中：Qs为渗流量；A为断面面积；h为测压管水头；ks为渗透系数；L为渗径长度；v为断面平均流速；J为渗透坡降。

采用渗流场微分方程：

(2)

其中：ksx、ksy为x、y方向的渗透系数。

2 新田煤矿开采对樱桃坪水库渗漏的影响分析

2.1 樱桃坪水库工程地质环境概况

樱桃坪水库位于黔西县甘棠乡东北面的樱桃村，是一座以供水、灌溉为主要功能的综合性水库工程，承担黔西县甘棠乡循环工业园区供水及水库周边2 273.33 hm2烟区灌溉，总供水量1 710万m3，其中，向工业园区供水1 680万m3，烟区灌溉供水30万m3。拟建工程主要建设内容有水库枢纽和输水工程。水库枢纽由面板堆石坝、溢洪道、放水隧洞组成；输水工程由提水泵站、高位水池、输水管道组成，副坝排洪隧洞[13]，水库枢纽区布置见如图1所示。

图1 樱桃坪水库综合地质图

水库库盆整体座落于三叠系下统夜郎组九级滩段(T1y3)泥岩上，库区岩层倾角平缓，倾角3°～6°，两岸三叠系下统茅草铺组第一段(T1m1)强岩溶灰岩分布高程均高于水库正常蓄水位1 241 m，据坝址河心钻孔CZK2、CZK3、CZK12、ZK2、ZK3、ZK9、ZK10资料，河床段九级滩段(T1y3)泥岩隔水层厚度大于60 m，隔水性能好，与下伏玉龙山段(T1y2)灰岩完全隔开，为库区天然铺盖。根据库区水文结构及地质构造，水库除库尾受F3断层切割和库首右岸受F1断层切割，使库首燕家寨冲沟玉龙山段(T1y2)灰岩仰冲于T1y3泥岩之上而出露于地表，存在向下游和邻谷渗漏的可能外，其余地段九级滩段(T1y3)泥岩隔水层完整，不存在渗漏现象。库首右岸受F1断层切割，使库首燕家寨冲沟玉龙山段(T1y2)灰岩仰冲于T1y3泥岩之上而出露于地表与库水直接接触。

2.2 新田煤矿与樱桃坪水库水文地质结构分析

新田煤矿位于拟建的樱桃坪水库以南(见图1)，煤矿矿界范围距上坝址最近约360 m，距下坝址最近约210 m，地质构造同属黔西向斜北西翼，岩层倾角平缓，倾角3°～6°，其中P3l煤系地层为测区下卧地层，埋深270 m～350 m，含可采煤层4、9层，煤层单层厚1.4 m～5.8 m[14]。

新田煤矿最低开采标高为+750 m，低于樱桃坪水库上坝址方案正常蓄水位(1 241 m)491 m，低于下坝址方案(1 233 m)483 m。其间存在T1y2灰岩岩溶层与新田煤矿相通，存在樱桃坪库水向玉龙山段(T1y2)灰岩或F1、F2断层向右岸新田煤矿渗漏的可能(如图2所示)。经分析，樱桃坪水库与新田煤矿之间出露地层为二叠系上统龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)、三迭系下统夜郎组沙堡湾段(T1y1)、玉龙山段(T1y2)和九级滩段(T1y3)，茅草铺组(T1m))，其中三迭系下统夜郎组玉龙山段(T1y2)灰岩强透水层存在库水与新田煤矿相通，为樱桃坪库水向新田矿井渗漏的可能的主要通道。

图2 樱桃坪水库与新田煤矿位置关系及渗漏分析剖面图(图1中A-A′剖面)

2.3 煤矿采空对樱桃坪水库渗漏影响分析

根据樱桃坪水库可行性研究阶段的勘察成果，樱桃坪水库库盆整体座落于三叠系下统夜郎组九级滩段(T1y3)泥岩上，库区岩层倾角平缓，倾角3°～6°，库区库盆河床段为九级滩段(T1y3)泥岩隔水层，厚度大于60 m，隔水性能好，与下伏玉龙山段(T1y2)灰岩完全隔开，为库区天然铺盖。但在库首右岸孔家坡、燕家寨一带，受F1、F2断层错断，使玉龙山段(T1y2)灰岩直接与库水接触，存在沿玉龙山段(T1y2)灰岩向新田煤矿渗漏的可能。

为尽可能的客观分析评价水库渗漏量，在调查樱桃坪水库、新田煤矿水文地质结构的基础上采用有限元模型模拟新田煤矿地下采煤的强疏排水对场区地下水渗流场的影响，见图3，从而判断新田煤矿开采形成的地下水降落漏斗对樱桃坪水库的影响程度。计算软件应用目前应用十分广泛的、成熟的、具有参数化设计语言(APDL)的ANSYS软件热分析模块来分析计算。

2.3.1 水文地质模型的建立

根据场区地形、地质条件及出露的地层透水性，按极强透水层(T1m1、T1y2-2)、强透水层(T1y2-1、P2m)、中等透水层(T1y1、P3c)、微透水层(T1y3、P3l)和饱气带组成，在计算过程中，通过反复迭代求出地下水潜水面。

图3 新田煤矿与樱桃坪水库地质结构渗漏模型图

模拟面积87.7 km2，包括新田煤矿矿区、樱桃坪水库库区。模型采用6结点三角形单元进行模拟，共44 773单元90 114结点[15]。

2.3.2 水文地质参数的选取

水文地质参数的选取主要参考新田煤矿钻孔抽水试验和樱桃坪水库压水试验选取，考虑埋深及可溶盐岩的溶蚀下限，按极强透水层、强透水层、中等透水层、微透水层、极微透水层5个等级划分，具体参数见表1。

表1 渗透系数参数表

2.3.3 模拟分析

根据模拟计算结果，绘制的地下水头等值线图见图4、图5。从图4、图5中可见，新田煤矿在充分开采至矿界边界时，库水水位与新田煤矿矿井之间水位存在地下水“跌坎”，地下水位运移速率达1×10-6m/s，直至煤矿退采1 200 m以后，“跌坎”才稍有缓和，地下水比降降至45%以下，水库与新田煤矿之间无分水岭存在，水库出现补给矿井的现象。

图4 新田煤矿充分开采后地下水头等值线图(单位m)

图5 新田煤矿退采2 800 m后地下水头等值线图(单位m)

2.3.4 水库渗漏量水量的计算

樱桃坪水库渗漏量计算采用ANSYS中的APDL语言统计库水接触带各单元节点流量的变化，得出单宽流量，乘以水库T1y2灰岩接触带的长度，最终得出总的水库渗漏量。

2.3.5 数值模拟结果分析

根据图6，因在库首右岸孔家坡、燕家寨一带存在库水与玉龙山段(T1y2-2)灰岩直接，存在沿玉龙山段(T1y2-2)灰岩向新田煤矿渗漏的情况，存在燕家寨冲沟存在玉龙山段(T1y2-2)灰岩与库水直接接触，接触带长约860 m，经计算，水库渗漏量在煤矿开采范围远离水库2 km时渗漏量达0.158 m2/s，占下坝址水库多年平均来水量0.81 m3/s的19.5%，为防止水库渗漏和新田煤矿的突水事故，对上坝址同样需阻隔库水与T1y2-2灰岩直接接触，因岩层平缓，防渗边界难以解决，建议在燕家寨冲沟设置副坝，以完全阻隔库水与T1y2-2灰岩直接接触。

图6 水库渗漏量统计图

3 水库渗漏的防治措施

根据工程地质测绘及基于有限元理论的数值模拟结果，对樱桃坪水库，存在燕家寨冲沟在玉龙山段(T1y2-2)灰岩与库水直接接触，接触带长约860 m，水库渗漏量在煤矿退采2 km时渗漏量仍达0.158 m2/s，占坝址水库多年平均来水量0.81 m3/s的19.5%，渗漏量较大。为防止水库渗漏和新田煤矿的突水事故，建议在燕家寨冲沟修建副坝，以完全阻隔库水与T1y2-2灰岩直接接触，经修建副坝后，水库具成库建坝条件。

根据模拟计算结果，绘制地下水头等值线图和地下水流线图(见图7、图8)。从图7中可见，新田煤矿在设置禁采区后，地下水位线将形成2个“跌坎”，其中坝下游“跌坎”为修建大坝(副坝)蓄水所致，说明大坝防渗条件较好。根据地下水流线图，水库蓄水后，库水垂直地表补给地下水，受T1y3泥岩阻隔，入渗强度小于0.5×10-7m/s，在T1y2灰岩中汇流，受F2断层影响，地下水在断层灰岩错断处形成汇流，具一定承压性。根据水库区节点统计，单宽渗漏量为4.808×10-7m3/s，乘以水库水面的长度710 m，即总的水库渗漏量3.22×10-4m3/s，占水库多年来水量的0.04%，即新田煤矿设置禁采区和樱桃坪水库设置副坝后(禁采区及副坝设置见图1)，新田煤矿矿井的开采对樱桃坪水库的渗漏基本无影响。

图7 设置禁采区后地下水头等值线图(单位：m)

图8 设置禁采区后地下水流线图(单位：m/s)

4 结 论

煤矿透水是煤矿开采较易发生的自然灾害之一，在一定范围内，水库与煤矿并不具备共同开发条件。本文以拟建某中型水库与附近大型煤矿为背景，通过对煤矿、水库地质环境进行了分析，受地质构造、地层岩性等的影响，煤矿开采会对水库来水量、水库库容造成一定的损失，库水向矿井渗漏同时会对煤矿造成一定的安全隐患，在工程地质测绘的基础上，通过模拟各退采距离下，水库渗漏的情况，确定了煤矿退采范围，据此设置禁采区，并提出了修建副坝的必要性。设置副坝与禁采区后，水库单宽渗漏量占水库多年来水量的0.04%，即新田煤矿矿井的开采对樱桃坪水库的渗漏基本无影响。

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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

严克渊(1984—)，男，贵州湄潭人，硕士，工程师，主要从事水利水电工程地质勘察等工作。 E-mail:yankeyuan2007@126.com

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1672—1144(2017)03—0178—05