资源开采对防洪工程的影响分析

2021-05-19高保彬副教授

安全 2021年4期

王昕高保彬副教授

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000)

0 引言

南水北调工程是新中国成立以来投资额最大、涉及面最广的战略性工程，事关中华民族长远发展。其附属防洪影响处理工程是保障南水北调主干渠安全运营的关键性保护工程。在矿产资源丰富的区域，防洪工程的建设会压覆部分矿产资源，如南水北调中线河南段某防洪工程压覆许昌某矿煤炭资源共662.45万吨，若放弃压覆资源的开采，会造成煤炭资源的浪费并使企业效益受损。如何让煤炭资源不浪费，又同时保证地表防洪工程安全使用成为当务之急。

在矿山开采后地表沉陷预测方面的研究主要有:刘宝琛院士等在开采沉陷研究中率先引入概率积分法;邹友峰、王正帅等开展开采沉陷移动变形规律及概率积分法参数的研究，研究成果主要集中在地表移动衰退期前期;丁飞等对河流下开采沉陷运用数值模拟进行预测;王明旭等针对复杂条件下两矿共同开采时地表变形规律进行深入研究;钱鸣高等认为开采沉陷的本质是力学问题，是块体运动和散体运动综合的结果;王栋毅等、刘文静运用数值模拟手段对矿体开采地表移动规律进行研究。通过上述文献不难发现，资源开采造成地表沉陷的研究多针对地下空间，常常忽略对地表构筑物的影响分析。

本文利用系统管理中常用的重点控制法，对复杂的防洪系统进行分类分析，对防洪沟重要区段以及关键涵洞重点把控，并从工程实际出发，着眼于地表防洪工程变形特征，利用概率积分法进行预测，从水文地质、地层概况、防洪沟设计流量等多角度分析，得到综合性分析结论并提出有针对性的防护建议，保证压覆资源采后防洪工程的正常使用。

1 工程概况

1.1 防洪沟工程概况

防洪沟治理工程全长1 055m，设计底宽1.5m，设计边坡比1∶1.5，靠近村庄处采用C20现浇混凝土护坡，按10年一遇标准设计，设计流量12m/s。工程新建涵洞3座，1#涵洞下穿省道，较为重要，2#涵洞与3#涵洞位于村庄外围。

南水北调中线河南段防洪影响处理工程压覆许昌某矿煤炭资源相对位置关系(如图1)，现场概况，如图2。

图1 防洪工程压覆区域相对位置Fig.1 The relative area position covered by the flood control project

图2 防洪沟现场Fig.2 Site of flood control trench

1.2 控制重点分类

防洪沟属线性构筑物，按照其与南水北调总干渠的距离将其沟道划分为一般重点、较重点、重点3类，见表1。并根据其附属涵洞功能、位置以及关联构筑物将3座涵洞中2#、3#划分为一般重点，由于1#涵洞下穿省道，其沉降不但影响防洪沟的功能，还会影响到省道的行车安全，故将1#涵洞划分为重点类。

表1 构筑物重点程度分类Tab.1 Classification of emphasis of structures

1.3 采煤工艺与工作面参数

压覆区域涉及采区共布置7个工作面，切眼宽度为150m，开采厚度为5.1m，工作面之间煤柱留设宽度30m，矿界煤柱留设宽度为20m，开采起始线与南水北调总干渠保护煤柱重合。采用走向长壁后退式综合机械化一次采全高采煤方法，采用全部跨落法管理顶板。

1.4 压覆区域地层概况

压覆区域煤层距离地表600m，二煤层直接顶板主要是大占砂岩(B4)，采区范围内稳定，上距香炭砂岩约27m，距砂锅窑砂岩63m左右；老顶岩性为中粗粒砂岩，岩石坚硬，抗压强度20.7～121MPa，抗拉强度1.2～4.3MPa，软化系数0.43～0.75，稳定性良好；细砂岩抗压强度38.4～81MPa，抗拉强度0.5～0.8MPa，岩体稳定性较好。小紫泥岩段以灰绿色砂质泥岩为主，局部夹灰绿色细砂岩，具紫斑、暗斑，含菱铁质鲕粒，偶含炭质泥岩，平均厚14m。小紫泥岩段上部为碳质泥岩，分布有薄煤层，全段厚度为300m，上接灰白色中粗砂岩，厚约为140m，向上为第四系岩层，以粘土亚粘土为主，中含有砾石，厚度约为60m。需注意的是，防洪沟治理工程区域存在第四系孔隙潜水，埋深6.30～8.70m，高程104.48～108.20m，地表沉陷过大可能造成地下水露出形成积水。

2 压覆区域开采沉陷预计

为了保障该矿“三下”安全开采，必须对“三下”压煤开采后引起的地表移动变形影响程度进行预测。

采用概率积分法对该矿“三下”压煤开采工作面进行采后地表移动变形预计。通过对该矿采矿资料及岩移报告的整理分析，确定地表变形预计参数，再将预计参数带入确定的预计函数进行预计，是地表沉陷治理“三下”开采方案决策的重要手段。

2.1 相关参数

应用概率积分法预计走向主断面的地表移动和变形时用到5个参数：下沉系数

、主要影响半径

(或由

求得的主要影响角正切tan

)、拐点偏距

、水平移动系数

和开采影响传播角

,各参数取值，见表2。相关参数的计算式为：(1)下沉系数。在双向充分采动时，下沉系数

为：

(1)

式中：

—地面最大下沉值，m；

—采厚，m；

—煤层倾角，°。下沉系数

主要与覆岩岩性和顶板控制方法有关。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规范》附录五中列出我国各大矿区的下沉系数经验值，根据该矿岩移观测结果，

取值为0.73。(2)主要影响半径

及主要影响角正切tan

。主要影响角正切tan

为：

(2)

式中：

—下山与上山方向开采边界的采深，m；

—下山与上山方向的主要影响半径，m。主要影响角正切tan

不随采深变化。一般tan

=1.2～2.6，该矿主要影响角正切值为1.8。(3)拐点偏距

。由于煤壁外侧采空区顶板的悬臂作用，可将下沉曲线的拐点投影到煤层上得到计算边界，实际开采边界与计算边界之间沿煤层的平距称为拐点偏距。拐点偏距就是拐点偏移采空区边界的位置。在走向半无限开采的实测下沉曲线上确定出拐点，再将其投影到煤层上得到计算边界，其到实际开采边界之间的沿煤层的距离就是拐点偏距。拐点在采空区一侧取正值，在采空区之外的煤柱一侧取负值，该矿拐点偏距取值为0。(4)水平移动系数

。水平移动系数是指地表最大水平移动值和最大下沉值的比值。

(3)

式中：

—倾向下山与上山方向最大水平移动值。我国一般地质采矿条件下的矿区

值在0.2～0.3之间，该矿取值为0.29。(5)开采影响传播角

(4)

式中：

—倾角主断面上地表最大下沉值点的水平移动值，该矿取值为83°。

表2 沉陷预计参数取值表Tab.2 Table of estimated parameters of subsidence

2.2 沉陷预计结果

根据采区工作面设计，结合开采实际情况，采用概率积分法，利用地表下沉预计软件，将预计结果采用Surfer可视化，分别得出压覆区域采后形成的沉陷盆地下沉等值线图、水平移动等值线图、倾斜等值线图、地表水平变形等值线图，如图3。

图3 预测结果等值线Fig.3 Contour of prediction results

3 预计结果分析

3.1 地表变形分析

如图3(a)，压覆区域煤层的开采会使得地表一定范围内产生沉陷盆地，盆地中心下沉量最大，为1464mm，从盆地中心向四周外延，下沉量逐渐减小，在南水北调总干渠保护煤柱范围内下沉量减小至50mm，而南水北调总干渠下沉量为0，不受煤层开采的影响。

从图3(b)(c)(d)(e)可知，在沉陷盆地的四周，地表倾斜值和水平移动值最大，沿倾向倾斜值达到3.5mm/m，水平移动值达到350mm；沿走向倾斜值达到4.5mm/m，水平移动达到450mm。倾斜值较大，构筑物出现倾倒及扭转失稳，而水平移动值较大会对线性构筑物，特别是防洪沟等，产生拉伸破坏。

从图3中可以看出，地表变形的影响范围并没有波及南水北调总干渠，对南水北调总干渠无影响。而防洪沟整体处于沉陷盆地的边缘，存在倾斜值与水平移动值较大的问题，易出现沟道变形和拉伸破坏，需要在煤层开采时做好预防措施。

3.2 沟道变形分析

沿沟道走向并垂直于水平面设置剖面，采用概率积分法，每10m进行一次点位的运算，采用Origin进行数据处理后，得到沿沟道方向下沉值剖面图，如图4。

图4 防洪沟沟道下沉值剖面图Fig.4 The cross-section drawn of subsidence valueof the flood control trench

A区段由于其距离南水北调总干渠较近，重要程度高。从图4结合预测等值线图可以看出，A区段靠近总干渠部分无下沉，向外延伸后该区段内下沉值极小，且水平移动与倾斜值较小。B、C区段下沉值相对较大，同时2区段均处于地表沉陷盆地边缘，水平移动与倾斜值较大。防洪沟道的最大下沉处出现在C段，由前文重要程度划分可知，C段重要程度较低，可做一定处理后保证正常使用。

若地表沉陷过大超过地下水水位埋深，将会使得地下水露出地表形成积水，从而对防洪沟的疏导功能造成影响。根据表3，沟道最大下沉量为1 324mm。地质勘探资料显示，防洪沟工程场地内存在地下水为第四系孔隙潜水，水位埋深约6.30～8.70m，由此可判断沟道的下沉未探及地下潜水水位，不会因为地下水露出而形成积水。

表3 沟道沉陷预测结果Tab.3 Prediction results of trench subsidence

观察图4，不难发现在沟道中心线0+800～0+900范围内出现凹陷，将可能导致由于雨季降水的增加在沟道内形成积水，积水长期存在将会影响沟道地基稳定性，造成由于湿陷而形成的断台式不均匀沉降，须在雨季对该区段进行重点巡检，及时排除积水。

3.3 涵洞变形分析

1#涵洞位于沟道中心线桩号0+108处，2#涵洞位于沟道中心线桩号0+638处，3#涵洞位于沟道中心线桩号0+824处,见表4。

表4 涵洞沉降移动值Tab.4 The movement value of culvert settlement

1#涵洞重要程度较高。从涵洞沉降预测结果看出，下沉值较小为42.74mm，最大水平移动值与最大倾斜值均发生在沿走向方向，分别为-49mm和-0.53mm/m。1#涵洞下穿省道，位置特殊且重要。其下沉变形不仅影响防洪沟，同时也对省道的安全运营存在影响。根据《采空区公路设计与施工技术细则》，1#涵洞地基基础等级属稳定；倾斜值小于规定的二级公路允许值4.0～6.0mm。根据《公路设计规范》，二级公路在涵洞处下沉值不能大于0.3m，该阈值远远大于此处涵洞下沉值。将公路与防洪沟的安全性共同考虑，分析得出1#涵洞完全满足各方面需求。

2#、3#涵洞处于村庄外围，重要性较1#涵洞小。虽然其下沉值与变形值较大，但下沉趋势平缓连续，采取一定工程措施可得到控制。但需注意3#涵洞处于沟道凹陷处，该处由于形成洼地易造成积水从而影响地基稳定。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱与压煤开采规范》水工构筑物下采煤，水工构筑物满足防洪工程安全的有关规定和要求；水工构筑物的预计地表变形值小于允许变形值，或者预计的地表变形值大于允许变形值，但经过维修加固能够实现安全使用要求。现行规范中未有针对于防洪沟变形最大值的规定，实际情况中，影响防洪沟安全使用的除了某段下沉形成大范围的洼地，第二就是防洪沟截面的变化。防洪沟设计流量是依据洪水流量确定，在流量不变的条件下，横截面积与流速相互影响，互成反比，过大的流速会对防洪沟两边的边坡形成冲刷，严重将会造成防洪沟坡道的坍塌。所以防洪沟坡道横截面不变形，面积不缩小，也是保证其正常发挥作用的必要条件。