資源開采對防洪工程的影響分析

王 昕 高保彬副教授

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作454000)

0 引言

南水北調工程是新中國成立以來投資額最大、涉及面最廣的戰略性工程，事關中華民族長遠發展。其附屬防洪影響處理工程是保障南水北調主干渠安全運營的關鍵性保護工程。在礦產資源豐富的區域，防洪工程的建設會壓覆部分礦產資源，如南水北調中線河南段某防洪工程壓覆許昌某礦煤炭資源共662.45萬噸，若放棄壓覆資源的開采，會造成煤炭資源的浪費并使企業效益受損。如何讓煤炭資源不浪費，又同時保證地表防洪工程安全使用成為當務之急。

在礦山開采后地表沉陷預測方面的研究主要有:劉寶琛院士等在開采沉陷研究中率先引入概率積分法;鄒友峰、王正帥等開展開采沉陷移動變形規律及概率積分法參數的研究，研究成果主要集中在地表移動衰退期前期;丁飛等對河流下開采沉陷運用數值模擬進行預測;王明旭等針對復雜條件下兩礦共同開采時地表變形規律進行深入研究;錢鳴高等認為開采沉陷的本質是力學問題，是塊體運動和散體運動綜合的結果;王棟毅等、劉文靜運用數值模擬手段對礦體開采地表移動規律進行研究。通過上述文獻不難發現，資源開采造成地表沉陷的研究多針對地下空間，常常忽略對地表構筑物的影響分析。

本文利用系統管理中常用的重點控制法，對復雜的防洪系統進行分類分析，對防洪溝重要區段以及關鍵涵洞重點把控，并從工程實際出發，著眼于地表防洪工程變形特征，利用概率積分法進行預測，從水文地質、地層概況、防洪溝設計流量等多角度分析，得到綜合性分析結論并提出有針對性的防護建議，保證壓覆資源采后防洪工程的正常使用。

1 工程概況

1.1 防洪溝工程概況

防洪溝治理工程全長1 055m，設計底寬1.5m，設計邊坡比1∶1.5，靠近村莊處采用C20現澆混凝土護坡，按10年一遇標準設計，設計流量12m/s。工程新建涵洞3座，1#涵洞下穿省道，較為重要，2#涵洞與3#涵洞位于村莊外圍。

南水北調中線河南段防洪影響處理工程壓覆許昌某礦煤炭資源相對位置關系(如圖1)，現場概況，如圖2。

圖1 防洪工程壓覆區域相對位置Fig.1 The relative area position covered by the flood control project

圖2 防洪溝現場Fig.2 Site of flood control trench

1.2 控制重點分類

防洪溝屬線性構筑物，按照其與南水北調總干渠的距離將其溝道劃分為一般重點、較重點、重點3類，見表1。并根據其附屬涵洞功能、位置以及關聯構筑物將3座涵洞中2#、3#劃分為一般重點，由于1#涵洞下穿省道，其沉降不但影響防洪溝的功能，還會影響到省道的行車安全，故將1#涵洞劃分為重點類。

表1 構筑物重點程度分類Tab.1 Classification of emphasis of structures

1.3 采煤工藝與工作面參數

壓覆區域涉及采區共布置7個工作面，切眼寬度為150m，開采厚度為5.1m，工作面之間煤柱留設寬度30m，礦界煤柱留設寬度為20m，開采起始線與南水北調總干渠保護煤柱重合。采用走向長壁后退式綜合機械化一次采全高采煤方法，采用全部跨落法管理頂板。

1.4 壓覆區域地層概況

壓覆區域煤層距離地表600m，二煤層直接頂板主要是大占砂巖(B4)，采區范圍內穩定，上距香炭砂巖約27m，距砂鍋窯砂巖63m左右；老頂巖性為中粗粒砂巖，巖石堅硬，抗壓強度20.7～121MPa，抗拉強度1.2～4.3MPa，軟化系數0.43～0.75，穩定性良好；細砂巖抗壓強度38.4～81MPa，抗拉強度0.5～0.8MPa，巖體穩定性較好。小紫泥巖段以灰綠色砂質泥巖為主，局部夾灰綠色細砂巖，具紫斑、暗斑，含菱鐵質鮞粒，偶含炭質泥巖，平均厚14m。小紫泥巖段上部為碳質泥巖，分布有薄煤層，全段厚度為300m，上接灰白色中粗砂巖，厚約為140m，向上為第四系巖層，以粘土亞粘土為主，中含有礫石，厚度約為60m。需注意的是，防洪溝治理工程區域存在第四系孔隙潛水，埋深6.30～8.70m，高程104.48～108.20m，地表沉陷過大可能造成地下水露出形成積水。

2 壓覆區域開采沉陷預計

為了保障該礦“三下”安全開采，必須對“三下”壓煤開采后引起的地表移動變形影響程度進行預測。

采用概率積分法對該礦“三下”壓煤開采工作面進行采后地表移動變形預計。通過對該礦采礦資料及巖移報告的整理分析，確定地表變形預計參數，再將預計參數帶入確定的預計函數進行預計，是地表沉陷治理“三下”開采方案決策的重要手段。

2.1 相關參數

應用概率積分法預計走向主斷面的地表移動和變形時用到5個參數：下沉系數

q

、主要影響半徑

r

(或由

r

求得的主要影響角正切tan

β

)、拐點偏距

S

、水平移動系數

b

和開采影響傳播角

θ

,各參數取值，見表2。相關參數的計算式為：(1)下沉系數。在雙向充分采動時，下沉系數

q

為：

(1)

式中：

w

—地面最大下沉值，m；

m

—采厚，m；

α

—煤層傾角，°。下沉系數

q

主要與覆巖巖性和頂板控制方法有關?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱與壓煤開采規范》附錄五中列出我國各大礦區的下沉系數經驗值，根據該礦巖移觀測結果，

q

取值為0.73。(2)主要影響半徑

r

及主要影響角正切tan

β

。主要影響角正切tan

β

為：

(2)

式中：

H

—下山與上山方向開采邊界的采深，m；

r

—下山與上山方向的主要影響半徑，m。主要影響角正切tan

β

不隨采深變化。一般tan

β

=1.2～2.6，該礦主要影響角正切值為1.8。(3)拐點偏距

S

。由于煤壁外側采空區頂板的懸臂作用，可將下沉曲線的拐點投影到煤層上得到計算邊界，實際開采邊界與計算邊界之間沿煤層的平距稱為拐點偏距。拐點偏距就是拐點偏移采空區邊界的位置。在走向半無限開采的實測下沉曲線上確定出拐點，再將其投影到煤層上得到計算邊界，其到實際開采邊界之間的沿煤層的距離就是拐點偏距。拐點在采空區一側取正值，在采空區之外的煤柱一側取負值，該礦拐點偏距取值為0。(4)水平移動系數

b

。水平移動系數是指地表最大水平移動值和最大下沉值的比值。

(3)

式中：

u

—傾向下山與上山方向最大水平移動值。我國一般地質采礦條件下的礦區

b

值在0.2～0.3之間，該礦取值為0.29。(5)開采影響傳播角

θ

(4)

式中：

u

—傾角主斷面上地表最大下沉值點的水平移動值，該礦取值為83°。

表2 沉陷預計參數取值表Tab.2 Table of estimated parameters of subsidence

2.2 沉陷預計結果

根據采區工作面設計，結合開采實際情況，采用概率積分法，利用地表下沉預計軟件，將預計結果采用Surfer可視化，分別得出壓覆區域采后形成的沉陷盆地下沉等值線圖、水平移動等值線圖、傾斜等值線圖、地表水平變形等值線圖，如圖3。

圖3 預測結果等值線Fig.3 Contour of prediction results

3 預計結果分析

3.1 地表變形分析

如圖3(a)，壓覆區域煤層的開采會使得地表一定范圍內產生沉陷盆地，盆地中心下沉量最大，為1464mm，從盆地中心向四周外延，下沉量逐漸減小，在南水北調總干渠保護煤柱范圍內下沉量減小至50mm，而南水北調總干渠下沉量為0，不受煤層開采的影響。

從圖3(b)(c)(d)(e)可知，在沉陷盆地的四周，地表傾斜值和水平移動值最大，沿傾向傾斜值達到3.5mm/m，水平移動值達到350mm；沿走向傾斜值達到4.5mm/m，水平移動達到450mm。傾斜值較大，構筑物出現傾倒及扭轉失穩，而水平移動值較大會對線性構筑物，特別是防洪溝等，產生拉伸破壞。

從圖3中可以看出，地表變形的影響范圍并沒有波及南水北調總干渠，對南水北調總干渠無影響。而防洪溝整體處于沉陷盆地的邊緣，存在傾斜值與水平移動值較大的問題，易出現溝道變形和拉伸破壞，需要在煤層開采時做好預防措施。

3.2 溝道變形分析

沿溝道走向并垂直于水平面設置剖面，采用概率積分法，每10m進行一次點位的運算，采用Origin進行數據處理后，得到沿溝道方向下沉值剖面圖，如圖4。

圖4 防洪溝溝道下沉值剖面圖Fig.4 The cross-section drawn of subsidence valueof the flood control trench

A區段由于其距離南水北調總干渠較近，重要程度高。從圖4結合預測等值線圖可以看出，A區段靠近總干渠部分無下沉，向外延伸后該區段內下沉值極小，且水平移動與傾斜值較小。B、C區段下沉值相對較大，同時2區段均處于地表沉陷盆地邊緣，水平移動與傾斜值較大。防洪溝道的最大下沉處出現在C段，由前文重要程度劃分可知，C段重要程度較低，可做一定處理后保證正常使用。

若地表沉陷過大超過地下水水位埋深，將會使得地下水露出地表形成積水，從而對防洪溝的疏導功能造成影響。根據表3，溝道最大下沉量為1 324mm。地質勘探資料顯示，防洪溝工程場地內存在地下水為第四系孔隙潛水，水位埋深約6.30～8.70m，由此可判斷溝道的下沉未探及地下潛水水位，不會因為地下水露出而形成積水。

表3 溝道沉陷預測結果Tab.3 Prediction results of trench subsidence

觀察圖4，不難發現在溝道中心線0+800～0+900范圍內出現凹陷，將可能導致由于雨季降水的增加在溝道內形成積水，積水長期存在將會影響溝道地基穩定性，造成由于濕陷而形成的斷臺式不均勻沉降，須在雨季對該區段進行重點巡檢，及時排除積水。

3.3 涵洞變形分析

1#涵洞位于溝道中心線樁號0+108處，2#涵洞位于溝道中心線樁號0+638處，3#涵洞位于溝道中心線樁號0+824處,見表4。

表4 涵洞沉降移動值Tab.4 The movement value of culvert settlement

1#涵洞重要程度較高。從涵洞沉降預測結果看出，下沉值較小為42.74mm，最大水平移動值與最大傾斜值均發生在沿走向方向，分別為-49mm和-0.53mm/m。1#涵洞下穿省道，位置特殊且重要。其下沉變形不僅影響防洪溝，同時也對省道的安全運營存在影響。根據《采空區公路設計與施工技術細則》，1#涵洞地基基礎等級屬穩定；傾斜值小于規定的二級公路允許值4.0～6.0mm。根據《公路設計規范》，二級公路在涵洞處下沉值不能大于0.3m，該閾值遠遠大于此處涵洞下沉值。將公路與防洪溝的安全性共同考慮，分析得出1#涵洞完全滿足各方面需求。

2#、3#涵洞處于村莊外圍，重要性較1#涵洞小。雖然其下沉值與變形值較大，但下沉趨勢平緩連續，采取一定工程措施可得到控制。但需注意3#涵洞處于溝道凹陷處，該處由于形成洼地易造成積水從而影響地基穩定。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱與壓煤開采規范》水工構筑物下采煤，水工構筑物滿足防洪工程安全的有關規定和要求；水工構筑物的預計地表變形值小于允許變形值，或者預計的地表變形值大于允許變形值，但經過維修加固能夠實現安全使用要求。現行規范中未有針對于防洪溝變形最大值的規定，實際情況中，影響防洪溝安全使用的除了某段下沉形成大范圍的洼地，第二就是防洪溝截面的變化。防洪溝設計流量是依據洪水流量確定，在流量不變的條件下，橫截面積與流速相互影響，互成反比，過大的流速會對防洪溝兩邊的邊坡形成沖刷，嚴重將會造成防洪溝坡道的坍塌。所以防洪溝坡道橫截面不變形，面積不縮小，也是保證其正常發揮作用的必要條件。

4 結論

(1)壓覆資源開采不會波及南水北調總干渠，對其不會造成影響；根據概率積分法，將結果采用Surfer可視化，得到防洪溝處于沉陷盆地邊緣，特征為下沉值小，水平移動值與傾斜值較大。溝道最大下沉值為1 324mm，最大水平移動值為436mm，最大傾斜值為3.41mm/m。

(2)防洪溝安全性分析包括溝道及涵管涵洞2部分，特別是與交通線相交的涵洞應重點分析與控制。1#涵洞下穿省道，其沉降變形不僅符合防洪要求，同時也符合公路要求。

(3)地下水位是安全性評估重要影響因素。結合地質資料分析得出，防洪溝溝道下沉未觸及地下潛水水位，不會因地下水露出形成地表積水。