王 昕 高保彬副教授

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000)

0 引言

南水北調(diào)工程是新中國成立以來投資額最大、涉及面最廣的戰(zhàn)略性工程，事關(guān)中華民族長遠(yuǎn)發(fā)展。其附屬防洪影響處理工程是保障南水北調(diào)主干渠安全運(yùn)營的關(guān)鍵性保護(hù)工程。在礦產(chǎn)資源豐富的區(qū)域，防洪工程的建設(shè)會壓覆部分礦產(chǎn)資源，如南水北調(diào)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(fèi)并使企業(yè)效益受損。如何讓煤炭資源不浪費(fèi)，又同時(shí)保證地表防洪工程安全使用成為當(dāng)務(wù)之急。

在礦山開采后地表沉陷預(yù)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(guī)律及概率積分法參數(shù)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(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測;王明旭等針對復(fù)雜條件下兩礦共同開采時(shí)地表變形規(guī)律進(jìn)行深入研究;錢鳴高等認(rèn)為開采沉陷的本質(zhì)是力學(xué)問題，是塊體運(yùn)動和散體運(yùn)動綜合的結(jié)果;王棟毅等、劉文靜運(yùn)用數(shù)值模擬手段對礦體開采地表移動規(guī)律進(jìn)行研究。通過上述文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，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(gòu)筑物的影響分析。

本文利用系統(tǒng)管理中常用的重點(diǎn)控制法，對復(fù)雜的防洪系統(tǒng)進(jìn)行分類分析，對防洪溝重要區(qū)段以及關(guān)鍵涵洞重點(diǎn)把控，并從工程實(shí)際出發(fā)，著眼于地表防洪工程變形特征，利用概率積分法進(jìn)行預(yù)測，從水文地質(zhì)、地層概況、防洪溝設(shè)計(jì)流量等多角度分析，得到綜合性分析結(jié)論并提出有針對性的防護(hù)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(shè)計(jì)底寬1.5m，設(shè)計(jì)邊坡比1∶1.5，靠近村莊處采用C20現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡，按10年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(diào)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(guān)系(如圖1)，現(xiàn)場概況，如圖2。

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

圖2 防洪溝現(xiàn)場Fig.2 Site of flood control trench

1.2 控制重點(diǎn)分類

防洪溝屬線性構(gòu)筑物，按照其與南水北調(diào)總干渠的距離將其溝道劃分為一般重點(diǎn)、較重點(diǎn)、重點(diǎn)3類，見表1。并根據(jù)其附屬涵洞功能、位置以及關(guān)聯(lián)構(gòu)筑物將3座涵洞中2#、3#劃分為一般重點(diǎn)，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(diǎn)類。

表1 構(gòu)筑物重點(diǎn)程度分類Tab.1 Classification of emphasis of structures

1.3 采煤工藝與工作面參數(shù)

壓覆區(qū)域涉及采區(qū)共布置7個(gè)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(shè)寬度30m，礦界煤柱留設(shè)寬度為20m，開采起始線與南水北調(diào)總干渠保護(hù)煤柱重合。采用走向長壁后退式綜合機(jī)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(qū)域地層概況

壓覆區(qū)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(qū)范圍內(nèi)穩(wěn)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(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度20.7～121MPa，抗拉強(qiáng)度1.2～4.3MPa，軟化系數(shù)0.43～0.75，穩(wěn)定性良好；細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度38.4～81MPa，抗拉強(qiáng)度0.5～0.8MPa，巖體穩(wěn)定性較好。小紫泥巖段以灰綠色砂質(zhì)泥巖為主，局部夾灰綠色細(xì)砂巖，具紫斑、暗斑，含菱鐵質(zhì)鮞粒，偶含炭質(zhì)泥巖，平均厚14m。小紫泥巖段上部為碳質(zhì)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(qū)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(qū)域開采沉陷預(yù)計(jì)

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(jìn)行預(yù)測。

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

2.1 相關(guān)參數(shù)

應(yīng)用概率積分法預(yù)計(jì)走向主斷面的地表移動和變形時(shí)用到5個(gè)參數(shù)：下沉系數(shù)

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(diǎn)偏距

S

、水平移動系數(shù)

b

和開采影響傳播角

θ

,各參數(shù)取值，見表2。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算式為：(1)下沉系數(shù)。在雙向充分采動時(shí)，下沉系數(shù)

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(shù)

q

主要與覆巖巖性和頂板控制方法有關(guān)?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱與壓煤開采規(guī)范》附錄五中列出我國各大礦區(qū)的下沉系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)該礦巖移觀測結(jié)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(diǎn)偏距

S

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

b

。水平移動系數(shù)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(zhì)采礦條件下的礦區(qū)

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(diǎn)的水平移動值，該礦取值為83°。

表2 沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)取值表Tab.2 Table of estimated parameters of subsidence

2.2 沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果

根據(jù)采區(qū)工作面設(shè)計(jì)，結(jié)合開采實(shí)際情況，采用概率積分法，利用地表下沉預(yù)計(jì)軟件，將預(yù)計(jì)結(jié)果采用Surfer可視化，分別得出壓覆區(qū)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(yù)測結(jié)果等值線Fig.3 Contour of prediction results

3 預(yù)計(jì)結(jié)果分析

3.1 地表變形分析

如圖3(a)，壓覆區(qū)域煤層的開采會使得地表一定范圍內(nèi)產(chǎn)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(diào)總干渠保護(hù)煤柱范圍內(nèi)下沉量減小至50mm，而南水北調(diào)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(dá)到3.5mm/m，水平移動值達(dá)到350mm；沿走向傾斜值達(dá)到4.5mm/m，水平移動達(dá)到450mm。傾斜值較大，構(gòu)筑物出現(xiàn)傾倒及扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，而水平移動值較大會對線性構(gòu)筑物，特別是防洪溝等，產(chǎn)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(diào)總干渠，對南水北調(diào)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(xiàn)溝道變形和拉伸破壞，需要在煤層開采時(shí)做好預(yù)防措施。

3.2 溝道變形分析

沿溝道走向并垂直于水平面設(shè)置剖面，采用概率積分法，每10m進(jìn)行一次點(diǎn)位的運(yùn)算，采用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)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(qū)段由于其距離南水北調(diào)總干渠較近，重要程度高。從圖4結(jié)合預(yù)測等值線圖可以看出，A區(qū)段靠近總干渠部分無下沉，向外延伸后該區(qū)段內(nèi)下沉值極小，且水平移動與傾斜值較小。B、C區(qū)段下沉值相對較大，同時(shí)2區(qū)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(xiàn)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(dǎo)功能造成影響。根據(jù)表3，溝道最大下沉量為1 324mm。地質(zhì)勘探資料顯示，防洪溝工程場地內(nèi)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?yàn)榈叵滤冻龆纬煞e水。

表3 溝道沉陷預(yù)測結(jié)果Tab.3 Prediction results of trench subsidence

觀察圖4，不難發(fā)現(xiàn)在溝道中心線0+800～0+900范圍內(nèi)出現(xiàn)凹陷，將可能導(dǎo)致由于雨季降水的增加在溝道內(nèi)形成積水，積水長期存在將會影響溝道地基穩(wěn)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(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)巡檢，及時(shí)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(yù)測結(jié)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(fā)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(shí)也對省道的安全運(yùn)營存在影響。根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》，1#涵洞地基基礎(chǔ)等級屬穩(wěn)定；傾斜值小于規(guī)定的二級公路允許值4.0～6.0mm。根據(jù)《公路設(shè)計(jì)規(guī)范》，二級公路在涵洞處下沉值不能大于0.3m，該閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xù)，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(wěn)定。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱與壓煤開采規(guī)范》水工構(gòu)筑物下采煤，水工構(gòu)筑物滿足防洪工程安全的有關(guān)規(guī)定和要求；水工構(gòu)筑物的預(yù)計(jì)地表變形值小于允許變形值，或者預(yù)計(jì)的地表變形值大于允許變形值，但經(jīng)過維修加固能夠?qū)崿F(xiàn)安全使用要求。現(xiàn)行規(guī)范中未有針對于防洪溝變形最大值的規(guī)定，實(shí)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(shè)計(jì)流量是依據(jù)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(yán)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(fā)揮作用的必要條件。

4 結(jié)論

(1)壓覆資源開采不會波及南水北調(diào)總干渠，對其不會造成影響；根據(jù)概率積分法，將結(jié)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(yīng)重點(diǎn)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(shí)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(jié)合地質(zhì)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。