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水利工程下礦產開采對其安全影響及加固措施探究
摘要s針對我國礦產資源開發給相關重大水利工程的安全帶來隱患這個嚴重的現實問題，結合實際工程，首先根據相鄰礦區開采沉陷現場監測曲線，運用數值模擬方法對楊村礦區巖土體力學參數進行反演分析；然后利用數值模擬軟件中的彈塑性模型和流變模型及概率積分法開展煤層開采對西淝河左大堤安全的影響評價。根據現行國家相關規程和我國40多年堤下開采實踐經驗，初步提出西淝河左大堤受采動影響的抗變形控制指標和折減指標。在上述研究成果的基礎上，最后推薦方案3(距堤600 m)為正式開采方案及提出綜合防護措施，為解決類似工程，如南四湖、南水北調工程中線總干渠壓煤開采等提供一定的借鑒。
關鍵詞：水利工程：礦產開采；安全影響評價；加固措施；堤體變形
引言我國目前已探明的易采煤炭資源日益枯竭，為提高資源回收率，解決生產生活問題，實現能源的可持續發展，就必須對一些開采難度大、影響面廣的煤炭資源進行開采，其中，水體下、建筑物下和鐵路下(以下簡稱三下)就積壓大量的優質煤炭資源，據不完全統計，目前全國三下壓煤約為137．64×108 t，其中建筑物下94．68×108 t，鐵路下23．91×108 t，水體下19．05×108 t?。經過多年研究和探索，我國在三下采煤方面取得一些可喜成果，其標志性成果是原煤炭工業部頒發的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱《三下規程》)口J，反映我國三下采煤的總體研究水平。
我國一些重大水利設施壓有大量的優質煤炭資源，如小浪底水利樞紐庫區壓煤量達3．41×10¨t 31，南四湖下壓煤92．00×108 t等，淮河及其堤壩下壓煤2．i0×i08 t等，多年的開采已導致這些重大水利工程出現安全隱患，如淮南礦區經過20多年的開采，采出堤下壓煤約2．00×107 t，但也導致淮河大堤產生嚴重的變形破壞。截止到1995年，影響堤段總長7．4 km，其中確保堤2．7 km，行洪堤4．7 km。
確保堤最大下沉4．50 m，最大下沉速度9．91 mm／d，堤體最大水平變形13．60 mm／m，最大堤高已達13．50 m；行洪堤最大下沉8 m，最大下沉速度10．5mm／d，堤體最大的水平變形42～44 mm／m，最大堤高已達14 m[6，僅靠培厚加高堤體等工程措施維持堤防的防洪功能。再比如，南四湖區現已形成濟寧、滕北、滕南、大屯四大礦區，與湖區有關的礦井有15對，設計能力1．86×10 7 t／a，煤炭資源的開采對湖堤造成嚴重破壞，直接影響該湖的調蓄能力，并引發水質惡化等礦山環境問題瞄。隨著《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》、《中華人民共和國河道管理條例》及《水庫大壩安全管理條例》等水利法規的陸續出臺，要求在確保水利工程安全運行的前提下才能進行資源開發。為此，水利部專門成立科技創新項目(SCXC200511)小組進行攻關，項目名稱重大水利工程下礦產開采對其安全影響的評價方法及防治措施研究。該項目主要針對水庫和堤防兩類水利工程進行研究，關于煤炭資源開采對水庫安全運行的研究，課題組已發表論文進行闡述。本文主要是以國投新集能源有限公司(以下簡稱國投新集)楊村煤礦在西淝河左大堤南側采煤為例，論述煤層開采對堤防安全的影響，該項目已于2005年11月通過專家的鑒定。
2地質條件西淝河左堤是淮北大堤的重要組成部分，為I級大堤，其防洪作用不言而喻。國投新集楊村煤礦是擬建的國家特大型礦井，設計生產能力為5．00×108a。根據目前規劃，國投新集楊村煤礦部分資源位于西淝河左防護堤下，見圖1。這就導致煤層開采和堤防安全運行之間的矛盾：一方面，西淝河左防護堤屬淮河防汛工程確保堤，在這樣重要的堤防工程分布范圍內，一般情況下不允許進行地下開采；另一方面，西淝河左防護堤下壓有大量優質的煤炭資源，實施堤下采煤具有顯著的經濟和社會效益。楊村煤礦位于安徽省利辛縣、鳳臺縣和潁上縣境內，井田范圍東起F5斷層，西至F504斷層，與展溝礦為鄰，南部到1煤層露頭線，北部以F102斷層和131煤層(一1 200 m等高線)為界。走向長11km，傾向寬3．6 km，面積約40 km2。地層總體為一傾向NW的單斜構造，同時伴有次一級褶曲，礦區新生界松散層厚度大(494．00～790．33 m)，煤層埋藏深，地層傾角一般在20。～30。，開采煤層共4層，根據埋深依次為131，112，8，61煤，其中131煤埋藏最淺，而61煤埋藏最深，且隨著埋深的加大，下層煤北部邊界距離西淝河左大堤越遠，其整體三維地質模型見圖2，圖中Y軸正方向代表N；X正方向代表W；Z軸代表高程。3確定礦區巖土體工程力學參數楊村煤礦沒有實測和試驗資料，巖土體工程力學參數的選取是一件十分困難的事情。考慮到楊村煤礦與新集三礦相距較近，同屬一套含煤地層。因此，本次研究主要根據新集三礦的現場監測資料，利用FLAC3D程序進行反演分析，最終對參數進行確定。
本次反演分析主要依據的是新集三礦西一采區的實際監測資料。西一采區1997年首采，2000年回采完畢。在每次開采之后及后續的幾年內，進行地表移動的觀測工作，獲得寶貴的監測資料，實測A-A剖面共有1998，2001，2004年3條完整的監測曲線，其中1998，2001年的監測資料都是在開采過程中監測的曲線，可用來反演巖土體的彈塑性力學參數，而2004年的實測資料則是開采4 a后的監測曲線。根據采煤實踐經驗，若不對其進行再次擾動，開采4 a后巖層和地表變形應基本停止，因此，該條曲線可用來反演礦區上覆巖土體的流變參數。
新集三礦西一采區三維計算模型見圖3，實測A_A剖面。本次研究根據淮南理工大學模型試驗所采用的參數，參考中國水利水電科學研究院所建立的巖土體力學參數數據庫中的資料及淮南礦區資料，在綜合分析的基礎上，提出計算參數初始值(見表1)。在進行參數反演時，首先利用FLAC3D中的彈塑性模型和1998，2001年監測曲線對巖土體的彈塑性物理力學參數進行確定，再利用FLAC3D中的流變模型進行確定。本次研究采用最適用于開采沉陷計算的諾頓指數組合模型，其標準彤式為流變參數反演4 煤層開采引發西淝河左大堤變形預測4．1計算模型由于楊村井田范圍太大，而西淝河左大堤只在局部穿過楊村井田，為提高計算效率，本次建模西以礦區6線剖面為界，南以斷層向南延伸一定距離為界，東以F5斷層向東延伸一定距離為界，北以F103斷層向北延伸一定距離為界，模型EW長度為10 578 m，SN寬度為6 600 ITI，深度從自地表±0．0～一1 370．0 m，西淝河左大堤從西向東穿過礦區，模型共劃分102 600個單元，由于選取計算范圍很大，煤層開采對邊界位移的影響較小，因此模型底面取固定端約束，側面上施加橫向約束。
4．2彈塑性分析屈服準則采用莫爾一庫侖準則，最終值，斷層采用實體單元進行模擬。本次研究共進行5個方案的計算：(1)方案1：留設工廣煤柱，4．3概率積分法分析本次研究還采用概率積分法對煤層開采引發的地表變形進行計算。概率積分法將巖石移動過程看作是一個隨機的過程，并用概率理論證明巖石下沉場可用隨機過程的柯爾莫哥洛夫方程式表示。該方法同幾何學結合到一起，從幾何學角度論證地表移動規律，由于用高斯曲線作為開采的連續影響曲線使其更加嚴密和符合實際。目前，該方法在國內外應用極為廣泛，我國更是將該方法作為《三下規程》
的指定方法。本次計算參數來自《三下規程》，計算結果見圖12。西淝河左大堤處地表變形最大值見表3(概率積分法)。
4．4流變分析本次研究還進行流變分析計算，由于流變計算工作量非常大，本次研究只進行方案3(距堤600 m)和方案4(距堤800 m)的計算。西淝河左大堤處地表變形最大值(流變模型)5 采動引發堤體變形破壞控制指標確定煤炭系統多年來一直致力于在水利設施附近進行煤炭資源開采的理論和實踐研究，《三下規程》附錄三對工業構筑物、技術裝置及暖衛工程管網地表(地基)的允許和極限變形值對此進行明確規定。另外，淮南礦務局長期在六方堤下采煸根據現場實測資料分析，六方堤產生裂縫的變形控制指標確定為：水平變形￡=4 mm／m，地表傾斜丁=6mm／m，地表曲率K=0．000 1／m。據調查，六方堤和西淝河左堤的筑堤材料物理、力學性質、施工工藝極為類似L61(見表6)，因此，六方堤堤體變形的控制指標基本適用于西淝河左堤。另外，中國礦業大學對安徽省淮南市新莊孜礦區淮河大堤老應段堤體進行變形試驗研究，得出該土體在拉伸變形達到6～8 mm／m時才會發生破壞。
水利系統目前對堤體變形破壞控制指標沒有明確規定，但工程實踐經驗表明，對于西淝河左堤這樣的I級水工建筑物來講，堤體內應盡可能不產生拉應力。
綜上所述，在已有研究成果和我國40多年淮河下采煤工程實踐的基礎上，結合筑堤材料性質，本次研究將《三下規程》中的指標作為西淝河左大堤受采動影響的抗變形控制指標，即水平變形￡≤4mm／m、地表傾斜丁≤6 mm]m、曲率半徑尺≥104 m。
同時考慮到西淝河左大堤的重要性，本文嘗試對上述指標進行折減，盡量提出一個讓各方面都認為可確保大堤安全的指標，這個指標可能會比較保守，但可通過現場監測來逐步修正，盡量做到合理。本次研究初步提出將水平拉伸變形g≤2 mm]m、水平剪切變形、下沉變形≤4 mm]m作為堤防抗變形折減指標。
6采動對堤體安全的影響評價根據堤體抗變形控制指標和折減指標的確定，綜合計算結果可看出：
(1)采用控制指標，概率積分法計算結果表明，方案1對堤防破壞最嚴重，超過變形破壞控制指標的堤段長約2 300 m；方案2對堤防破壞程度較方案1有較大減緩，超過變形破壞控制指標的堤段長約903 m；方案3～5對堤防破壞程度較輕。沒有超過變形破壞控制指標的堤段。
(2)采用折減指標，概率積分法計算結果表明，方案1～3對堤防破壞較為嚴重，最大變形超過堤防的抗變形折減指標，其中方案3對堤防的破壞最小，方案4，5對堤防破壞程度較輕，沒有超過堤防抗變形折減指標。若要保證堤防受采動產生的變形控制在折減指標范圍內，需使得煤層開采邊界距離堤防的距離≥720 m。
(3)采用控制指標，彈塑性計算結果表明，所有5個方案計算的結果均沒有超過堤防控制指標。
(4)采用折減指標，彈塑性計算結果表明，方案1對堤防破壞最嚴重，水平拉伸變形>0．2％的堤防長度約l 527 m，水平剪切變形>0．4％的堤防長度約1 536m；方案2對堤防破壞程度較方案l有較，大減緩，水平拉伸變形>O．2％的堤防長度約206 m；方案3對堤防破壞程度較方案2又有所減緩，水平拉伸變形>0．2％的堤防長度約98 m；方案4對堤防破壞程度較輕，沒有超過折減指標的堤段；方案5對堤防破壞程度最輕，也沒有超過折減控制指標的堤段。
(5)流變計算結果表明，所有5個方案計算的結果均沒有超過堤防控制指標。方案3煤層開采6 a后地表變形趨于穩定，超過折減指標的堤段由98 m增加至446 m：方案4也是煤層開采6 a后地表變形趨于穩定，超過折減指標計算的堤段則由0 m增至304m。
綜上所述，數值模擬計算結果較概率積分法計算結果偏小，其主要原因是由于這2種計算方法的不同，概率積分法是以正態分布函數為影響函數，利用積分公式表示的地表下沉的方法，而數值模擬方法是利用巖土體本構關系進行迭代的計算方法。
本文認為，在進行地面塌陷預測研究過程中，這2種方法最好能夠相互驗證。
本次研究認為，煤層開采首先要確保西淝河左大堤的防洪安全，按最不利于堤防安全的角度來考慮，同時要兼顧不能浪費煤炭資源。概率積分法計算結果表明，方案3計算結果沒有超出堤防的抗變形控制指標，但超出堤防的抗變形折減指標，不過超出幅度較低；煤層開采后雖然會對大堤變形造成一定的影響，但程度較輕。若要保證堤防受采動產生的變形控制在折減指標范圍內，需使得煤層開采邊界距離堤防的距離≥720 m。數值模擬計算結果表明，方案3計算結果沒有超出堤防的抗變形控制指標，但超出堤防的抗變形折減指標，但超出幅度極為有限，煤層開采后也會對大堤變形造成一定的影響，但影響程度很輕。因此，本文推薦方案3(距堤600 m)為正式開采方案，該方案在采用控制指標的情況下，不會對堤防造成變形破壞；在采用折減指標的情況下，會對部分堤防造成變形破壞。但程度較輕，根據工程實踐經驗，經過加固是不會影響大堤的防洪功能的。另外，距堤720 m的方案同時能滿足堤防抗變形控制指標和折減指標，但會浪費很多的煤炭資源，同時考慮到西淝河左大堤的重要性，本文提出在采動過程中需加強對地表和堤防的變形監測，根據監測結果適時調整開采邊界，在確保堤防安全運行的情況下，合理地開采煤炭資源。
7監測與加固方案7．1堤體整體加固防滲措施根據采動對堤體安全的影響評價結果，結合淮河大堤現狀和淮南礦務局工程實踐經驗【6J，同時考慮到西淝河左堤的防洪作用和重要性，建議對煤層開采影響到的所有堤段(約14 km)進行加固，具體加固措施如下：(1)堤防受到采動影響前構筑防滲墻；(2)每年汛期前按堤防斷面標準培厚加高；(3)在堤體迎水面上鋪設防滲膜，并做好防滲膜之間及防滲膜與防滲墻的搭接處理，形成一個完整的防滲體系，以確保堤防的整體防滲效果。
7．2堤體裂縫處理措施對堤體可能產生的裂縫，采取以下措施進行處理：(1)對切割深度較淺的橫穿堤體的裂縫均開挖回填；(2)對堤體內部裂縫采用普遍注和重點注相結合的打鉆灌漿方法。
7．3監測方案定期對西淝河進行表觀裂縫和堤體內部裂縫調查，表觀裂縫采用巡查方式，堤體內部裂縫采用物探方法進行現場監測，監測結果要按時報送水利主管部門。但本次研究提出的加固和監測方案是初步的、宏觀的，在具體實施時應委托有資質的單位進行設計。
8結論及建議(1)通過收集、查閱大量資料，對新集三礦的工程地質特性和物理力學參數進行系統的總結，在此基礎上，依據相鄰采區的實際觀測資料，考慮分層開采、時間效應和三維效應的影響，對采區巖土體工程力學參數進行反演分析，并結合工程類比分析，提出合理的計算分析參數，為數值計算工作奠定基礎。
(2)運用概率積分法和數值模擬方法，對全采、距堤500，600，800 m和1 000 m五個開采方案進行全面的研究，獲得5個開采方案引發的地表變形規律及堤下地表位移和變形的具體量值。
(3)在已有研究成果和我國40多年淮河下采煤工程實踐的基礎上，結合筑堤材料性質，本次研究將《三下規程》中的指標作為西淝河左大堤受采動影響的抗變形控制指標，即水平變形￡≤4 mm／m、傾斜丁≤6 mm／m、曲率半徑尺≥104 m。同時考慮 到西淝河左大堤的重要性，本文嘗試著初步提出將水平拉伸變形占≤2 mm／m、水平剪切變形、下沉變形≤4 mm／m作為堤防抗變形折減指標。
(4)經過綜合研究和論證，后推薦方案3(距堤600 m)為正式開采方案，同時，對整個堤防采取綜合防護措施(加固與監測)，適時調整開采邊界，不僅可使煤炭資源得到合理的開發利用，而且也可保證堤防的安全運行，在經濟上是合理的，在技術上是可行的。
(5)上述研究成果已通過專家鑒定，并被應用到防洪評價中，為主管部門決策提供重要科學依據，并為解決類似工程，如南四湖、南水北調工程中線總干渠壓煤開采等提供重要的借鑒作用。
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