胡家山水庫壓覆煤礦的影響分析

肖對勇

(昭通市水利水電勘測設計研究院，云南 昭通 657000)

胡家山水庫位于昭通市鎮雄縣塘房鄉大擢魁辦事處水稗田村，大壩設在烏江源頭支流潑機河上游的左岸支流胡家山小河上。壩址以上徑流面積 30.1km2，多年平均徑流量2200萬m3。

胡家山水庫大壩為混凝土面板堆石壩，壩高63.2m，壩頂長268m，總庫容1542.3萬m3，可解決5.69萬人、2.85萬頭牲畜飲水困難，灌溉農田2333.33hm2。水庫的建設，對改善當地人民群眾的生產、生活條件，加快脫貧致富步伐具有重大意義。

在建設前期，由于庫區及徑流區分布有多個正在生產的小煤礦，為了分析論證煤礦采空區及待開采對成庫條件及工程布置的影響，合理布置樞紐建筑物，設計單位對煤礦采空區的勘探分析研究做了大量工作，經過多方努力最終實現了工程的落地實施。

1 水庫建設存在的問題

水庫工程的建設，涉及最為重要的問題就是礦產壓覆及開采。

本工程外業調查及資料情況顯示，胡家山水庫庫區及徑流區全部位于煤田上部，主要分布在東源塘房礦井開采范圍內，少部分位于河對門煤礦和后山煤礦開采范圍內。徑流區周邊的小煤礦主要為垮山丫口煤礦、胡家地煤礦、大石包煤礦、財源煤礦、高坡煤礦、長運煤礦、福安煤礦、永興煤礦、嶺興煤礦、羅坪煤礦、甜蕎地煤礦。針對工程區現狀情況，為保證在水庫工程建設期及蓄水后不產生安全問題，需要解決的問題如下。

(1)查明煤礦采空區對水庫蓄水的影響范圍；查明煤礦開采對水庫樞紐區的影響范圍。做好選址論證工作，做到水庫蓄水的可行性、安全性。不因后期水庫蓄水造成滲漏，給工程帶來不必要的安全隱患。

(2)根據水庫壩址選址位置，確定各煤礦開采界限，劃定工程區保護范圍；在明確了采空區邊界及劃定開采邊界后，根據工程區保護范圍，才能合理布置水庫樞紐建筑物。

本水庫工程建設的前提是解決上述2個問題，只有把問題解決了，才能開工建設水庫工程。

2 勘探分析研究

2.1 勘探煤礦開采界限

根據以往勘察成果、煤礦開采情況、現場工作的基本條件、擬探測目標體的物性特征等各項要素，本次工作選取了以瞬變電磁法、大地電磁法、激發極化電測深法探查為主，輔以地質調查以及結合已有資料分析多手段相結合的綜合工程物探方法。

地質調查主要針對第四系地層的分布、厚度；基巖的分布、厚度及下井對煤礦開采情況進行調查，旨在為后期的物探測線布置提供指導。調查主要采用人工地面掃描性的巡查方式、向當地知情者尋訪及井下調查測量方式?，F場調查及鉆探資料顯示：探測區可采煤層主要賦存高程為1470～1530m。

本次物探工作主要是針對隱伏于地面以下的煤礦開采情況進行探測。試驗表明：沒有進行開采活動的含煤巖系地層的視極化率值在11%以上，而煤礦采空后的含煤巖系地層的視極化率值在10%以下；煤礦采空后的含煤巖系地層的視電阻率值比沒有進行開采活動的含煤巖系地層的視電阻率值要高。根據采區地層這一物性特點，選取對含煤巖系地層的視電阻率、視極化率變化反應靈敏度較高的瞬變電磁法、大地電磁測深法、激發極化電測深法進行探測。

在應用上述多手段時，即以資料分析→地質調查→物探→鉆探為主要路線，同時根據逐步認識情況，互動內插進行，各手段互為指導、互為驗證。

2.1.1地質調查

由井下調查、測量工作以及煤礦業主提供的煤礦采掘工程平面圖可知：胡家山水庫庫區及徑流區全部位于鎮雄礦區煤礦北部井田東段內，地理位置：北緯27°28′45″～27°33′45″；東經104°54′22.5″～105°02′20″。近壩庫岸及渠首區域的可采煤層主要賦存高程為1460～1530m，煤層平均可采厚度1.5～2.0m左右。煤礦業主提供的采空區為1#、2#、3#區域。但根據井下調查，采空區不僅僅是1#、2#、3#區域所標示的范圍。地表見3條裂縫，應屬于采空區塌陷引起。故需通過物探手段加以核實，以規避煤礦采空塌陷區危害胡家山水庫樞紐工程的可能，確保水庫安全。

2.1.2物探法

物探法采用3種方式進行，結果見表1—3。

由表1—3可知，S1—S1′、S2—S2′、S3—S3′、S6—S6′、D1—D1′、D2—D2′、D4—D4′、J3—J3′、J4—J4′、J5—J5′、J6—J6′、J7—J7′等剖面下部存在煤礦采空區。煤礦開采界限勘探布置如圖1所示。

圖1 煤礦開采界限勘探布置示意圖

表1 瞬變電磁法成果

2.1.3鉆探法

根據物探法測定的21條剖面，其中有12條剖面下部存在煤礦采空區，為確定驗證采空區，通過鉆探手段進一步核實。本次鉆探布置點主要針對存在煤礦采空區的點位進行，共布置18個鉆探點，累計進尺1714.5m，注水試驗17段，壓水試驗157段，地質編錄鉆孔18個，穩定水位觀測18次，鉆探結果見表4。

表2 大地電磁測深法

表3 激發極化電測深法

表4 鉆孔水位觀測成果 單位：m

從壓(注)水試驗成果可以看出：第四系覆蓋層為強透水-中等透水，滲透系數K=3.71×10-2～4.47×10-4cm/s，強-弱風化基巖為強透水～微弱透水，透水率q=0.48～168.42Lu，以中等透水為主。煤層壓水試驗中等透水～弱透水，透水率q=1.82～20.69Lu，以弱透水為主。

通過鉆探，驗證了煤礦采空區分布于胡家山水庫壩址區左岸，范圍已至擬定大壩左壩肩壩腳，垂直投影壩體與采空區有小部分重疊，采空區空間面積大，頂板塌落已致地表開裂變形，主要的裂逢有3條，采空區塌陷已對擬定壩線處左壩肩構成安全威脅。

2.2 勘探成果分析

2.2.1對水庫蓄水的影響分析

根據庫區及周邊煤田勘探鉆孔ZK1606、ZK1707、ZK1809、ZK1907、ZK2007資料，庫區及周邊可采煤層為C5b煤層、C6a煤層。根據《鎮雄煤礦北部井田東段C5b煤層底板等高線與儲量計算平面圖》，C5b煤層頂板在庫區分布高層在1500～1530m，胡家山水庫庫區地面高程在1569～1625m，中間巖層厚度60～125m，最薄處位于壩前，厚60m(已扣除4m的沖積層)，大多在70～90m，庫尾處最厚。

根據計算預測，庫區煤層開采采空區導水裂隙帶最大高度在45m左右，主要發育在長興組內，少量垮入卡以頭組，導水裂縫帶未直接與庫水連通，期間分布有厚8～59m的卡以頭組(T1k)隔水巖層。綜合考慮地表巖體風化節理裂隙發育深度(弱風化上部)，采空區地表沉陷地面裂縫、蓄水后庫水壓力(最大水頭58m)，判斷庫區煤層開采后存在庫水沿裂隙下滲到礦坑的可能。

因此，滿足成庫條件(水庫蓄水)條件，胡家山水庫庫區下部煤層應禁止開采。

2.2.2對樞紐區的影響分析

樞紐區下部煤層為夾層產出，其產狀與場地巖石一致，傾角5°，屬于緩傾斜煤層，煤層上部覆蓋層厚，煤礦開采其巷道進洞基本上均分布在兩側山坡上，一般采用長壁式或偽長壁式開挖，巷道呈多層近平硐與微斜分布。在此地質與開采方式下，頂板順層移動滑塌較易，單巷道上產生的移動盆地范圍不大，多層巷道垮塌形成的移動變形會有疊加，呈地塹型。通過對庫區及樞紐區多種方法的工程勘察，并對采空區塌落度及穩定性進行分析，結果表明：水庫樞紐區左岸存在煤礦采空區，范圍已至擬定大壩左壩肩壩腳，垂直投影壩體與采空區有小部分重疊；采空區空間面積大，頂板塌落已致地表開裂變形，采空區塌陷已對擬定壩線處左壩肩構成安全威脅;采空區與壩前水庫正常水位高差140m，滲徑110m，勘察試驗表明水庫至采空區之間的砂泥巖隔水層完整，并有穩定高于正常蓄水位的地下水位存在。

按極值計算方法，胡家山水庫樞紐區下C5b煤層開采采空區地表下沉、移動與變形值見表5。

根據表5，煤層開采對地表的影響程度較嚴重，地表主要變形值均超過胡家山水庫樞紐區各水工建筑物的允許變形值(允許最大水平變形εcm<6mm/m)，不滿足工程安全的要求。

表5 地表下沉、移動與變形的預測結果

因此，胡家山水庫樞紐區下煤層應禁止開采。

3 影響分析的成果

3.1 解決水庫建設與煤礦開采矛盾的處理措施

為解決煤礦開采對胡家山水庫工程的影響，當地政府采取了以下措施。

(1)當地政府與煤礦方簽訂了協議，關閉部分小煤礦，讓出胡家山水庫建設壓覆煤田資源區。

(2)在確保水庫運行和煤礦開發“雙安全”的前提下，科學合理做出煤礦禁采邊界，留足水庫禁采區，并由國土、安監、煤炭等部門負責監管。

(3)劃定胡家山水庫水源地保護區，并制定嚴格的保護制度，做好水土保持工作。

3.2 根據工程區保護范圍，合理布置樞紐建筑物

根據勘探結果，對樞紐建筑物進行了重大調整，具體調整方案為:在已擬定壩軸線的基礎上，壩軸線右壩肩不動，左壩肩向上游偏轉180m；將永久建筑物溢洪道、輸水隧洞調整到右岸，臨時建筑物導流隧洞仍布置于左岸。

(1)調整前樞紐主要建筑物布置。樞紐主要由砼面板堆石壩、輸水隧洞、表孔溢洪洞、導流隧洞組成。輸水隧洞、表孔溢洪洞、導流隧洞均布置在左岸。大壩壩頂長231m，最大壩高63.0m；表孔溢洪洞設計最大下泄流量175m3/s，距大壩左壩肩21.5m，總長248.853m；輸水隧洞設計引用流量2.2m3/s，進口底板高程1591.50m，底板坡降i=5/1000，洞身斷面型式采用1.5m×1.8m的圓拱直墻式城門洞形，總長461m。導流洞位于表孔溢洪洞及輸水隧洞的中間，枯期導流流量12.4m3/s，進口底板高程1578.00m，底板坡降i=24/1000，洞身斷面為1.6m×2.2m的圓拱直墻型，導流隧洞全長493.306m，增加堆石用量與總投資的前提，采用縮小下游堆石區尺寸并在上游下部新增一個堆石分區的方法另擬定了6個壩料分區方案，通過二維有限元計算并結合目標函數判別共同評價分區布置優化效果，得到以下結論。

(2)調整后樞紐主要由砼面板堆石壩、輸水隧洞、溢洪道、導流隧洞組成。輸水隧洞、溢洪道均布置在右岸，導流隧洞布置在左岸。大壩壩頂長268m，最大壩高63.20m；溢洪道軸線距大壩右壩肩10.40m，最大下泄流量175m3/s，總長426.528m。輸水隧洞布置在右岸山體內，設計引用流量2.2m3/s，進口底板高程1591.50m，底板坡降i=1/1000，洞身斷面型式采用1.6m×1.9m的圓拱直墻式城門洞形，總長230m。導流隧洞布置在左岸山體內，進口底板高程1580.00m，底坡i=15/1000，洞身斷面為1.8m×2.5m的圓拱直墻型，導流隧洞全長513m。

(3)調整后的大壩距離煤礦采空區大于70m，樞紐建筑物避開了煤礦采空區塌陷影響和左岸B2崩塌滑坡體影響，通過邊坡穩定及模型模擬分析，水庫樞紐建筑物是安全的。

4 結束語

經過對胡家山水庫工程周邊的煤礦采空區分析研究，劃定開采界限和保護范圍，合理布置樞紐建筑物具有重要意義，本工程已于2015年12月30日下閘蓄水，至今已蓄水安全運行了5 a。其勘探方法以及政府與煤礦方的處理方式，對于其它類似情況的水利工程具有借鑒意義。