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灰場壩體下壓煤開采安全技術分析

文檔作者：龐立新文檔來源： 1．平頂山天安煤業股份有限公司 2．河南理工大學		點擊數：	更新時間： 2022年12月09日
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第5期
2011年10月
礦 山 測 量
MINE SURVEYING
No．5
0ct．20l1
doi：10．3969／j．issn．1001—358X．2011．05．032
灰場壩體下壓煤開采安全技術分析
龐立新
(1．平頂山天安煤業股份有限公司，河南平頂山467000；
2．河南理工大學，河南焦作454000)
摘要：文中以程寨溝灰場壓煤開采為實例，對灰場壩體下壓煤開采進行了安全技術分析。分析結果
認為儲灰場地表水體不會對工作面產生充水影響，灰壩下工作面開采對壩體及相關附屬水工建筑物
不會造成破壞性影響，未對壩體靜力穩定和滲流穩定造成嚴重影響，程寨溝灰場壩體下壓煤開采是
可行的。現場監測結果也表明，井下開采未對地表水工建筑物產生破壞性影響，壩體和水工建筑物
保持了正常安全運行，實現了灰場下壓煤安全開采，取得了顯著經濟效益，同時也為今后類似條件堤
壩下采煤提供了依據。
關鍵詞：灰場；壩體；開采；水工建筑物；安全
中圖分類號：TD823．83 文獻標識碼：B 文章編號：1001—358X(2011)05—0085—04
程寨溝灰場位于平頂山市寶豐縣李莊鄉程寨溝
境內，為中電投姚孟發電公司粉煤灰排放場地，灰場
地處平煤股份一礦井田西北部三水平丁二下山采區
上方，壓井田丁、戊組煤約655萬噸，造成了一礦綜
采工作面不能正常布置，嚴重影響了礦井達產能力
和出煤量，對礦區社會環境和諧發展起到了一定的
負面作用。
近年來，由于平煤股份一礦持續高產，加上礦井
逐漸進入深部開采范圍受到高瓦斯及高地溫的影
響，以及地表建(構)筑物壓煤情況嚴重，致使礦井經
常出現采掘接續緊張的局面，一定程度上制約了礦
井高產高效的實現和可持續發展。為緩解當前面臨
的緊張局面，一礦擬通過對灰場下采煤可行性論證
研究及工業性試驗，實現灰場下安全采煤。
1 概 況
1．1 程寨溝灰場介紹
程寨溝灰場東、南、西三面環山，在灰場北部筑
有大壩形成儲灰庫，屬于山谷型尾礦庫。電廠粉煤
灰則以濕排法用三條沖灰管道輸送至灰場，年入灰
量約1．46 X 10 m 。
灰場大壩主壩頂標高目前為+245 m，壩基標高
為+175 m，壩高70 m，壩頂寬度為6．75 m，大壩縱
向沿東西方向，主壩長約1 km。目前程寨溝灰場總
儲灰庫容3．36 X 10 m ，已存儲灰渣約2．8×10 m ，
現儲灰場內灰面標高約為+236．5 m，庫內水面標高
約為+235 111，攔灰壩前固結干灘面長約390 m。程
寨溝灰場及大壩如圖1、圖2所示。
圖1 儲灰場
圖2 灰場壩體
灰場大壩初級壩為透水型堆石壩，采用上游式
尾礦筑壩方法，利用庫內粉煤灰碾壓筑壩進行各級
子壩加高工程，現已建成初期壩、一級子壩、二級子
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第5期 礦 山 測 量 2011年10月
壩和三級子壩。為提高壩體排滲水性能，降低壩體
浸潤線，各級子壩均增設縱、橫向排滲水系統。其中
初期壩采用兩級泄洪豎井和直徑2．5 m鋼筋砼泄洪
設施，泄洪洞下游出口采用挑流消能方式，采用窗口
式豎井排水，后期利用多級跌水式斜槽排水。一級
子壩工程設置了垂直集滲井，結構為鋼筋籠外包土
工布，內充填塊石。和水平排滲系統由堆石集滲褥
墊、縱向排滲鋼花管、橫向排滲鋼管組成。二級子壩
加高排滲系統包括輻射井、壩外水平排滲管、輻射
管、高精度導向導水鋼管。
程寨溝灰場控制流域面積5．8 km ，設計洪水頻
率1％(百年一遇)，洪峰流量242．0 m ／s，洪水總量
1．693×10。m’；校核洪水頻率0．2％(五百年一遇)，
洪峰流量316．0 m ／s，洪水總量2．32×10 m。。
1．2 灰場下壓煤開采地質條件
一礦目前主采丁組煤，煤層層位較穩定，走向大
致為東西向，傾向北，形成單一的單斜構造，傾角8。
～ 21。。丁 煤層厚度0．3—1．85 n ，平均厚度1．0m，
在小范圍內與丁 煤層合層。丁 煤層厚度0．87～
3．28 m，平均厚2．2 m，全部可采，上距丁 煤層一般
5 m左右，下距戊組煤層一般為85 in左右。采煤方
法主要是走向長壁后退式綜合機械化開采，全部垮
落法管理頂板。
采區地表為低山丘陵地形，地表平均標高為+
240 m，丁組煤底板等高線為一460一一600 m，煤層
傾角約9。，煤層埋深約600～700 Ill，地表第四系覆
蓋層較薄，大部分基巖直接出露。煤層上覆巖層主
要由中粗砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、煤層等組成，基巖
直接出露，整個覆巖巖性屬于中硬。區域內斷層較
少，地質構造比較簡單，對灰場下采煤比較有利。
區域內水文地質條件比較簡單，煤層正常開采
主要充水水源為煤層頂板各類砂巖含水層，消耗其
靜儲量為主，充水通道為采動裂隙及構造破碎帶，頂
板砂巖含水層均屬弱一中等含水層，其充水量有限，
原則上不影響礦井生產。地表水體和基巖風化帶水
不會形成對礦井直接充水影響，但可以成為礦井充
水的間接補給水源。在自然條件下各含水層之間水
力聯系較弱，含水層內水體以層內逕流為主，大氣降
水為各巖層組補給來源。
1．3 井下開采安全分析
姚孟電廠采用濕排法將粉煤灰輸送至程寨溝儲
灰場，在儲灰場南部地勢低區域形成了大片積水區。
86
由于程寨溝灰場及地表水體的存在，地下開采引起
的巖層與地表移動，能使位于開采影響范圍內的地
表水體的水、泥砂潰入井下，威脅煤礦井下安全生
產 ]。為此，灰場下采煤應留設足夠的防水安全煤
巖柱，目的是不允許導水裂縫帶波及水體，以免水體
潰人采場造成突水甚至淹井事故。
本礦井防水安全煤巖柱垂高按下式計算 ：
H5h=Hli+日b+ (1)
式中：日。 為防水安全煤巖柱垂高m；H， 為煤層
采后導水裂縫帶高度，m；H 為保護層厚度，取3倍
采厚；珥為基巖風化帶厚度，取50 m。
中硬覆巖條件下綜采導水裂縫帶最大高度選取
計算公式如下 ：
H。；：20．22 +10
√
(2)
式中：M為煤層累計采厚，m；n為煤層開采分
層數。
灰場下丁組煤累計采厚約4．6 m，按照綜采(放
頂煤)一次采全厚計算，丁組煤開采后導水裂縫帶最
大高度為103 m，水體下開采所需防水安全煤巖柱尺
寸為170 m，工作面頂板上基巖柱最小厚度為660 m，
在保護層上尚有542 l'n巖柱仍保持其相對隔水性，
因此地表水體不會進人井下工作面，在正常條件下，
灰場下丁組煤層保護煤柱內采用綜采開采工藝，不
會改變礦井充水條件，綜采工作面充水仍以煤系頂
板基巖裂隙水為主。因此，在正常地質、采礦條件
下，灰場水體下丁組煤層保護煤柱開采是安全可行
的，儲灰場地表水體不會對工作面產生充水影響，工
作面充水水源主要是頂板砂巖水。
2 地面壩體及水工建筑物安全分析和試驗結果
灰場是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，
存在潰壩危險，一旦失事，容易造成重特大事
故H ]。鑒于灰場壩體下采煤技術難度高、安全風
險大，需對開采影響下地面壩體及水工建筑物的安
全性進行評估，以解決灰場壩體下安全開采的現實
問題。
2．1 壩體靜力穩定性驗算
按摩爾一庫倫極限平衡條件，不考慮外力，也不
考慮壩體材質的內聚力(作為安全儲備)，壩體的坡
角若小于等于灰層的內摩擦角即可保持平衡，即：
tga≤tg0 (3)
第5期 龐立新：灰場壩體下壓煤開采安全技術分析 2011年l0月
式中：口為壩體邊坡和水平面的夾角； 為壩體
粉煤灰的內摩擦角。
目前灰場壩體背水坡為1：3．7，其邊坡角約為
15．1。；取灰場內粉煤灰作三軸固結不排水剪切試驗
其有效應力強度 值為30。，邊坡穩定的安全系數
為：
K= 4 (4)
灰壩目前抗滑穩定安全系數為2．14，大于《選礦
廠尾礦設施設計規范》(ZBJ1—90)中等別為(三)灰
壩正常運行的抗滑穩定安全系數1．2，因此目前壩體
處于穩定狀態，不會發生滑坡可能。
2．2 壩體滲透穩定性驗算
由于水在壩體中的滲流受到土粒的阻力，浸潤
線產生水力坡降，成為滲透坡降(， )，滲透坡降越
大，對壩體中的土粒的壓力就越大，使土體開始產生
不允許的流土、管涌等變形的滲透坡降成為臨界坡
降(， ．)，滲透穩定安全系數k由下式表示：
K=IL／Is (5)
粉煤灰滲透系數變動范圍在3 X 10 ～8 X 10
em／s，屬于低透水性。在無反濾層覆蓋情況下，其破
壞比降為0．5～0．6，有黃砂作反濾層時，其破壞比降
約為1．0～1．6，有土工布作反濾層時，其破壞比降約
為1．4—2．0 卜引。目前灰場大壩背水坡以土工布為
反濾層，其臨界坡降取1：2，灰場壩體背水坡度為
1：3．7，滲透穩定性系數：
K=1：2／1：3．7=1．85 (6)
經計算，壩體滲透穩定性安全系數為1．85，因此
壩體滲透穩定性符合安全標準。
2．3 開采對灰壩及水工構筑物影響分析
2005—2010年，程寨溝灰場下進行了丁組煤層
保護煤柱內的試驗開采，其中主要包括一礦丁 、 一
19190、丁 一19210工作面和四礦丁5 6—32020、
丁 一32040、丁 一32060工作面，灰場及壩體區域
開采井上下對照如圖3所示。灰場下已開采丁組煤
工作面主要集中在壩體南部區域，其中丁 一32060
在攔灰壩體正下方進行了開采活動，采厚約2．2 m，
開采時間為2007．5～2008．2，開采丁組煤上分層。
利用概率積分法對灰場壩體區域開采后移動變
形程度進行預計。經計算，灰場內最大下沉約
1670 trim，壩體下沉為80～1450 nlll，壩體橫向傾斜
變形為0～3．8 mm／m，壩體縱向傾斜變形為0～
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圖3 程寨溝灰場壩體區域開采井上下對照圖
a：下沉
b：傾斜
藝
二=二 一咖一
c：水平變形
圖4 灰壩壩頂地表移動變形預計結果 ，
4．2 mm／m，壩體橫向水平變形為一1．9～2．4 mm／m，壩
體縱向水平變形為一2．5—0．9 mm／m。灰壩主壩頂界
橫向、縱向移動變形情況如圖4所示。
地表移動變形計算結果揭示，灰壩區域及附屬
水工構筑物將經受Ⅱ級采動影響。受拉伸變形影
響，壩體局部有可能出現拉伸裂縫，由于拉伸變形值
較小，裂縫影響較輕微。受地表傾斜和水平變形影
響，將會對排灰管路產生一定影響，應加強巡視。灰
場排洪、排滲將會受到一定程度采動影響，鑒于其結
構均采用鋼筋砼結構及高強度鋼管排滲，因此不會
對其正常使用造成破壞性影響。
2．4 開采試驗結果
灰場壩體移動變形現場監測結果顯示：壩體未
出現明顯的沉陷變形，監測最大下沉約260 mm；主
壩頂面出現了橫向裂縫，寬度較小。監測顯示開采
未對壩體穩定性產生影響，對個別寬度較大裂縫采
取了灌漿和開挖回填處理。
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第5期 礦 山 測 量
現場排水系統的勘查和實驗室內水質化驗顯
示，排水水質清澈，未夾帶粉煤灰等雜物，說明灰場
及壩體滲流系統是正常、穩定的，開采工作面沒有對
排滲、排洪系統產生破壞性采動影響。據現場測算，
目前整個排滲系統排水量約200～300 in ／h。
截止2010年，灰場壩體保護煤柱下共采出煤炭
資源約150萬t，極大緩解礦井接續緊張局面，創造
了顯著的經濟效益和社會效益，灰壩下工作面開采
未對壩體靜力穩定和滲流穩定造成嚴重影響，壩體
及附屬水工建筑物保持了其正常運行狀態，實現了
灰場下壓煤安全開采和水工建筑物保護雙重意義。
灰場壩體保護煤柱丁組煤其它工作面的進一步
開采，建議通過分析觀測資料及總結經驗，再進行論
證和決策。
3 結 論
(1)在正常地質采礦條件下，儲灰場地表水體下
丁組煤層保護煤柱開采認為是安全可行的，積水區
不會對工作面產生充水影響，工作面充水水源主要
是頂板砂巖水，但應根據煤礦防治水相關規定做好
礦井生產日常防治水工作。
(2)截止2010年，灰壩下工作面開采對壩體及
相關附屬水工建筑物造成Ⅱ級采動影響，分析認為
不會對灰場壩體及附屬水工建筑物產生破壞性影
響，未對壩體靜力穩定和滲流穩定造成嚴重影響。
(3)現場監測結果表明，灰壩下已采工作面的開
采未對壩體及水工建筑物產生破壞性影響。通過采
(上接第37頁)
正因為ARCGIS軟件在空間數據、元數據管理
方面的優勢，所以本人認為ARCGIS軟件的空間數
據靈活性將是地理信息主要發展方向，ARCGIS軟件
中比例可任意縮放，添加圖廓、指北針、圖例、比例尺
即可出圖。
參考文獻：
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術要求[M]．北京：中國大地出版社，2008．
[2] 吳信才．MAPGIS地理信息系統[M]．北京：電子工業
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取井下安全開采技術措施和地面建構筑物監測、維
修加固結合技術方案，實現了灰場壩體下安全開采，
解放煤炭資源約150萬t，經濟效益顯著。
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安全技術規程[s]．
作者簡介：龐立新(1970一)，男，采礦工程本科學歷，平頂山
天安煤業股份有限公司總工辦主任工程師，高級工程師，現
為河南理工大學在讀工程碩士。
(收稿日期：20l1—05—30)
出版社，2004：1—90．
[3] 范玉茹等．礦山GIS的數據質量控制研究與探討[J]
礦山測量，2008(2)．
作者簡介：東海宇(1982一)，男，甘肅敦煌人，2006年畢業于
長安大學地球科學與國土資源學院，學士學位，現在甘肅有
色地質勘查局四隊測量公司工作，測繪工程師，一直從事
GPS、GIS、數字化制圖、數據處理、圖形處理工作。
(收稿日期：2011—07—21)

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