鄭 輝，田文書(shū)，李 亮，李召龍

（1.兗礦集團(tuán)有限公司，山東鄒城 273500;2.濟(jì)寧市黃淮水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)寧 272000; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州 221116）

綜放開(kāi)采條件下河道治理的可行性研究

鄭 輝1，田文書(shū)2，李 亮3，李召龍3

（1.兗礦集團(tuán)有限公司，山東鄒城 273500;2.濟(jì)寧市黃淮水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)寧 272000; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州 221116）

以鮑店礦泗河下采煤為例，通過(guò)理論分析和模擬計(jì)算，研究了煤層開(kāi)采對(duì)堤體和河槽的影響，并對(duì)河下采煤后河道治理的可行性進(jìn)行了分析。得出的結(jié)論主要有:河下采煤不僅引起河床、灘地下沉，堤頂高程降低，堤防、灘地及護(hù)堤地開(kāi)裂，而且引起河勢(shì)改變。可以通過(guò)先進(jìn)的堤防加固技術(shù)、裂縫處理技術(shù)、護(hù)岸技術(shù)使河道的功能得到恢復(fù)。

綜放開(kāi)采;采動(dòng)影響;河道治理

水體下壓煤是我國(guó)東部礦區(qū)目前普遍面臨的問(wèn)題［1］。隨著近幾年煤炭資源越發(fā)的匱乏，很多煤礦不得不對(duì)水體下煤炭資源進(jìn)行回采，以延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，保證礦區(qū)煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。但是，煤層開(kāi)采后，移動(dòng)變形發(fā)展到地表，往往引起河道的下沉，導(dǎo)致水流速度的改變，破壞河流的沖淤平衡，同時(shí)開(kāi)采引起的大量地表裂縫使得堤防的穩(wěn)定性及防滲能力受到嚴(yán)重?fù)p害［2－3］。因此，為了保證河湖和堤防的安全，開(kāi)展煤層開(kāi)采后的河道治理的可行性研究顯得尤為重要。

1 開(kāi)采對(duì)堤體穩(wěn)定性影響分析

1.1 開(kāi)采引起堤體標(biāo)高的下降

以鮑店礦1312工作面泗河下開(kāi)采為例說(shuō)明開(kāi)采沉陷對(duì)堤體標(biāo)高下降的影響。1312工作面平均采深359m，采厚8.8m，東西長(zhǎng)約856m，南北寬約245m，由西向東橫向斜穿泗河，切眼位于工作面西部泗河右岸灘地內(nèi)，工作面穿越泗河左堤的樁號(hào)為26+050～26+300，見(jiàn)圖1。開(kāi)采后引起河道25+800～26+500段左右灘地、河床及左岸堤防變形。河堤沉陷情況如表1。

圖1 1312工作面井上下對(duì)照

表1 河堤沉陷情況

從表1中可以看出，受工作面開(kāi)采的影響，堤體的標(biāo)高發(fā)生不同程度的下降，河堤最大下沉值近5m，其防洪能力受到很大的影響。

1.2 堤體防滲及穩(wěn)定性分析

受開(kāi)采引起的拉伸變形和正曲率變形的影響，堤體一些區(qū)段會(huì)出現(xiàn)拉伸裂縫，部分區(qū)段的材料屬性會(huì)變得比設(shè)計(jì)值疏松，堤體內(nèi)部孔隙率的增大會(huì)導(dǎo)致滲流量的增加，影響堤體的滲流穩(wěn)定性。

受工作面開(kāi)采引起的傾斜變形的影響，堤體的坡度發(fā)生變化，對(duì)變陡的邊坡，其抗滑能力有所減小。在鮑店煤礦1312工作面開(kāi)采的過(guò)程中，最大出現(xiàn)68mm/m的傾斜值，可以改變邊坡坡度為3.9°，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成影響。在自然條件、水位變化和滲流的影響下，邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)。

2 開(kāi)采對(duì)河槽的影響分析

2.1 開(kāi)采沉陷引起水面線改變

以鮑店煤礦1312工作面為例說(shuō)明沉陷對(duì)水面線的影響，采用《天然河道復(fù)式斷面的水面線推算程序》，對(duì)河道沉陷前后設(shè)計(jì)洪水下的水面線進(jìn)行推算。

根據(jù)推算結(jié)果:26+100，26+200斷面沉陷最大，從26+200向上下游沉陷逐漸變小，形成了馬鞍型沉陷曲線，河底變化從25+800～26+200為負(fù)比降，從26+200～26+500段比降加大。斷面25+ 800以下河段水位沒(méi)有變化，從25+800～26+200段，水位壅高，最大壅高達(dá)40mm;26+300斷面水位基本不變，26+300～26+500段水位下降，最大下降30mm;直到29+000處，水位恢復(fù)沉陷前正常。采煤沉陷對(duì)水面線的影響不僅在塌陷段，而且將影響到超出沉陷段2.5km外的上游段。

2.2 開(kāi)采沉陷引起河勢(shì)變化

根據(jù)參考文獻(xiàn) ［4］中式1，分別計(jì)算水面線變化段河槽遭遇規(guī)劃洪水及中小洪水時(shí)的最大允許不沖流速 v不沖和最小不淤流速 v不淤。鮑店煤礦1312工作面開(kāi)采沉陷前后，泗河50a一遇洪水時(shí)流速見(jiàn)表2。

式中，c為系數(shù)，粉土取0.96;R為水力半徑，m; c'為根據(jù)河道水流泥沙性質(zhì)而定的系數(shù)，取0.6。

從表2看出，河道沉陷同樣引起流速的改變，對(duì)河槽的沖淤產(chǎn)生影響，塌陷后25+900～26+300段將出現(xiàn)淤積，26+500～26+700段產(chǎn)生沖刷。

表2 流速比較 m/s

2.3 開(kāi)采對(duì)河道流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬分析

為更為直觀地反映開(kāi)采對(duì)河道流場(chǎng)的影響情況，利用fluent軟件［5］建立數(shù)值模型，對(duì)河道25+ 800～26+500段受1312工作面開(kāi)采影響前后的流態(tài)情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.3.1 煤層開(kāi)采前河道流態(tài)分析

圖2為建立的原河道三維模型，給定進(jìn)口速度為0.5m/s時(shí)，河道內(nèi)整體流場(chǎng)情況如圖3。從圖中可以看出在河道塌陷以前流態(tài)平穩(wěn)。且從進(jìn)口斷面到下游，在重力的作用下流速有增加的趨勢(shì)，在下游6m左右流速達(dá)到最大值，為1.49m/s;出口斷面的流速0.2 m/s。

圖2 原河道三維立體圖

圖3 原河道流場(chǎng)

2.3.2 開(kāi)采影響后河道流場(chǎng)分析

開(kāi)采影響塌陷后河道三維數(shù)值模型如圖4。

分2種情況分析，一種是河道高水位時(shí)流態(tài)分布，一種是中水位時(shí)流態(tài)分布。對(duì)每種情況分別計(jì)算X，Y，Z三個(gè)方向上多個(gè)剖面的速度流線。其中，高水位時(shí)Z方向選取的剖面位置如圖5。

圖4 塌陷后河道三維立體圖

圖5 沿Z方向各剖面

在高水位時(shí)，Z1剖面流速相對(duì)比較平穩(wěn)，流速在0.8m/s左右，是流速反向的平緩漩渦分流;Z2剖面流速相對(duì)比較紊亂，流速在0.4～0.8m/s之間，是總體流速反向的、面內(nèi)漩渦分流;Z3剖面流速相對(duì)比較平穩(wěn)，流速在0.4～0.8m/s之間，是流速正向的上、下渦流的上平緩區(qū);Z4剖面流速漸變平穩(wěn)，由于存在著較大的垂直分量流速，因而在水平方向流速分布非常不均勻，流速?gòu)?m/s～1m/s～3m/s之間變化，是流速正向的水平方面的變速區(qū)，是產(chǎn)生塌陷區(qū)渦旋的主因。見(jiàn)圖6。

圖6 Z4剖面速度流線

采用同樣的方法對(duì)高水位、中水位2種情況X方向4個(gè)剖面、Y方向4個(gè)剖面和Z方向4個(gè)剖面的流態(tài)進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)分析研究，得到在開(kāi)采沉陷的影響下，河道25+900～26+300段將出現(xiàn)淤積，26+500～26+700段產(chǎn)生沖刷，與理論分析的結(jié)果一致。

3 河道治理技術(shù)的可行性分析

3.1 河道沉陷破壞程度的確定性

河下采煤將在地表形成移動(dòng)盆地，對(duì)河道造成堤防下沉、堤身裂縫等損害，對(duì)行洪安全、防汛搶險(xiǎn)及現(xiàn)有水利工程及設(shè)施造成不利影響。以大量的實(shí)測(cè)資料作基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)厚煤層綜放開(kāi)采條件下覆巖地表變形規(guī)律的研究可知，河下采煤引起的河道損毀及水利工程的不利影響在時(shí)間和空間上均是可以定量的預(yù)測(cè)出來(lái)，而且預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度是可滿足工程治理要求的。

3.2 恢復(fù)河道功能技術(shù)的可行性

3.2.1 河道及堤體下沉治理的可行性

開(kāi)采引起的堤防下沉，可以采用對(duì)堤防進(jìn)行加高加寬措施或預(yù)加固措施進(jìn)行治理。對(duì)開(kāi)采引起的河床下沉，由于下沉盆地處于淤積狀態(tài)，直至達(dá)到相對(duì)的動(dòng)態(tài)沖淤平衡狀態(tài)，可以對(duì)河床進(jìn)行人工回填或不進(jìn)行治理。對(duì)開(kāi)采引起灘地和護(hù)堤下沉、積水，喪失原有的對(duì)河堤的保護(hù)功能，可以通過(guò)對(duì)灘地和護(hù)堤地進(jìn)行回填，恢復(fù)其功能來(lái)進(jìn)行治理。目前國(guó)內(nèi)對(duì)堤防治理技術(shù)和除險(xiǎn)加固方法研究的比較充分，技術(shù)發(fā)展的比較成熟。

3.2.2 裂縫治理的可行性

河槽內(nèi)的裂縫在自然淤積作用下會(huì)逐漸被堵塞恢復(fù)，河槽內(nèi)裂縫與灘地及堤防內(nèi)裂縫在豎向上不會(huì)形成連續(xù)的通道，不需要進(jìn)行特殊處理。灘地和護(hù)堤地上的裂縫與堤防上的裂縫在高度上是不連續(xù)的，如能處理好堤防上的裂縫，對(duì)灘地及護(hù)堤地進(jìn)行恢復(fù)，裂縫對(duì)河道功能將不會(huì)構(gòu)成威脅，因此，關(guān)鍵是做好堤體裂縫的處理。國(guó)內(nèi)目前常用的治理方法有開(kāi)挖回填、充填灌漿等。這些方法在技術(shù)上比較成熟，已經(jīng)在眾多堤壩防洪搶險(xiǎn)工程中得到應(yīng)用，效果良好。

3.2.3 水面線及河勢(shì)控制的可行性

針對(duì)河下采煤引起的河道水面線改變、河勢(shì)改變等對(duì)河道造成的不利影響，可通過(guò)加高回填灘地、對(duì)河岸采取拋石護(hù)岸、砌石護(hù)岸等工程措施，控制河勢(shì)，使河勢(shì)向有利的方向發(fā)展。目前河道整治技術(shù)已經(jīng)非常成熟，為河勢(shì)控制提供了技術(shù)上的可行性。

4 結(jié)論

（1）開(kāi)采對(duì)堤體的影響主要為3個(gè)方面:堤體標(biāo)高的下降、邊坡坡度的變化和堤體材料滲流的變化。

（2）開(kāi)采對(duì)河槽影響主要為:開(kāi)采引起水面線、河勢(shì)的改變，以及對(duì)河道滲流場(chǎng)的影響。

（3）通過(guò)先進(jìn)的堤防加固技術(shù)、裂縫處理技術(shù)、護(hù)岸技術(shù)可使損毀的河床、灘地達(dá)到穩(wěn)固，使河勢(shì)得到控制、使堤防高程及完整性得到恢復(fù)。開(kāi)采結(jié)束后，河道的功能恢復(fù)在技術(shù)上是可行的。

［1］袁 亮，吳 侃.淮河堤下采煤的理論研究與技術(shù)實(shí)踐［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］李 亮.高強(qiáng)度開(kāi)采條件下堤防損害機(jī)理及治理對(duì)策研究［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2010.

［3］譚志祥，王宗勝，李運(yùn)江，等.高強(qiáng)度綜放開(kāi)采地表沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25（1）.

［4］趙振興，何建京.水力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［5］李效旭，鄭 源，茅媛婷，等.基于Fluent的泵站側(cè)向前池整流數(shù)值模擬及優(yōu)化［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2011（4）.

Feasibility of River-way Treatment under Full-mechanized Caving Mining Condition

ZHENG Hui1，TIANWen-shu2，LILiang3，LIZhao-long3

（1.Yankuang Group Corporation，Zoucheng 273500，China;2.Jininig Municipal HuanhuaiWater Survey＆Design Institute，Jining 272000，China; 3.Environment＆Survey School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China）

Taking themining coal-seam of Baodian Colliery under Si River as example，this paper researched influence of coal-seam mining on dyke and riverway and analyzed the feasibility of riverway treatmentaftermining by theoretical and simulation Following results were obtained Mining coal-seam under river would not only cause subsidence of river way and beach，surface fissure，but also change river way River way function could be recovered by advanced dyke reinforcement technology，fissure treatment technology and retaining wall technology.

full-mechanized cavingmining;influence bymining;river way treatment

TD823.8

A

1006-6225（2011）05-0040-03

2011－06－05

鄭 輝 （1971－），男，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事測(cè)量工程及開(kāi)采沉陷研究工作。

［責(zé)任編輯:張玉軍］

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