1、重大水利工程下礦產(chǎn)開采對(duì)其安全影響評(píng)價(jià)及加固措施研究    摘要s針對(duì)我國礦產(chǎn)資源開發(fā)給相關(guān)重大水利工程的安全帶來隱患這個(gè)嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)問題，結(jié)合實(shí)際工程，首先根據(jù)相鄰礦區(qū)開采沉陷現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)楊村礦區(qū)巖土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析；然后利用數(shù)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(duì)西淝河左大堤安全的影響評(píng)價(jià)。根據(jù)現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)程和我國40多年堤下開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步提出西淝河左大堤受采動(dòng)影響的抗變形控制指標(biāo)和折減指標(biāo)。在上述研究成果的基礎(chǔ)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(hù)措施，為解決類似工程，如

2、南四湖、南水北調(diào)工程中線總干渠壓煤開采等提供一定的借鑒。關(guān)鍵詞：水利工程：礦產(chǎn)開采；安全影響評(píng)價(jià)；加固措施；堤體變形1 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(chǎn)生活問題，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，就必須對(duì)一些開采難度大、影響面廣的煤炭資源進(jìn)行開采，其中，水體下、建筑物下和鐵路下(以下簡(jiǎn)稱“三下”)就積壓大量的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國“三下”壓煤約為13764×108 t，其中建筑物下9468×108 t，鐵路下2391×108 t，水體下1905×108 t。經(jīng)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，

3、其標(biāo)志性成果是原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱“三下規(guī)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(shè)施壓有大量的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，如小浪底水利樞紐庫區(qū)壓煤量達(dá)341×10¨t 31，南四湖下壓煤9200×108 t等，淮河及其堤壩下壓煤2i0×i08 t等，多年的開采已導(dǎo)致這些重大水利工程出現(xiàn)安全隱患，如淮南礦區(qū)經(jīng)過20多年的開采，采出堤下壓煤約200×107 t，但也導(dǎo)致淮河大堤產(chǎn)生嚴(yán)重的變形破壞。截止到1995年，影響堤段總長(zhǎng)74 km，其中確保堤27 km，行洪堤47 km。確

4、保堤最大下沉450 m，最大下沉速度991 mmd，堤體最大水平變形1360 mmm，最大堤高已達(dá)1350 m；行洪堤最大下沉8 m，最大下沉速度105mmd，堤體最大的水平變形4244 mmm，最大堤高已達(dá)14 m，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(qū)現(xiàn)已形成濟(jì)寧、滕北、滕南、大屯四大礦區(qū)，與湖區(qū)有關(guān)的礦井有15對(duì)，設(shè)計(jì)能力186×10 7 ta，煤炭資源的開采對(duì)湖堤造成嚴(yán)重破壞，直接影響該湖的調(diào)蓄能力，并引發(fā)水質(zhì)惡化等礦山環(huán)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?xiàng)l例及水庫大壩安全管理?xiàng)l例等水利法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái)，要求在

5、確保水利工程安全運(yùn)行的前提下才能進(jìn)行資源開發(fā)。為此，水利部專門成立科技創(chuàng)新項(xiàng)目(SCXC200511)小組進(jìn)行攻關(guān)，項(xiàng)目名稱重大水利工程下礦產(chǎn)開采對(duì)其安全影響的評(píng)價(jià)方法及防治措施研究。該項(xiàng)目主要針對(duì)水庫和堤防兩類水利工程進(jìn)行研究，關(guān)于煤炭資源開采對(duì)水庫安全運(yùn)行的研究，課題組已發(fā)表論文進(jìn)行闡述。本文主要是以國投新集能源有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國投新集”)楊村煤礦在西淝河左大堤南側(cè)采煤為例，論述煤層開采對(duì)堤防安全的影響，該項(xiàng)目已于2005年11月通過專家的鑒定。2地質(zhì)條件西淝河左堤是淮北大堤的重要組成部分，為I級(jí)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500&#

6、215;108。根據(jù)目前規(guī)劃，國投新集楊村煤礦部分資源位于西淝河左防護(hù)堤下。這就導(dǎo)致煤層開采和堤防安全運(yùn)行之間的矛盾：一方面，西淝河左防護(hù)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(nèi)，一般情況下不允許進(jìn)行地下開采；另一方面，西淝河左防護(hù)堤下壓有大量?jī)?yōu)質(zhì)的煤炭資源，實(shí)施堤下采煤具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。楊村煤礦位于安徽省利辛縣、鳳臺(tái)縣和潁上縣境內(nèi)，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(zhǎng)11km，傾向?qū)?6 km，面積約40 km2。地層總體為一傾向NW的單斜構(gòu)造，同時(shí)伴有次一級(jí)褶曲，

7、礦區(qū)新生界松散層厚度大(4940079033 m)，煤層埋藏深，地層傾角一般在20。30。，開采煤層共4層，根據(jù)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(yuǎn)，其整體三維地質(zhì)模型，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(qū)巖土體工程力學(xué)參數(shù)楊村煤礦沒有實(shí)測(cè)和試驗(yàn)資料，巖土體工程力學(xué)參數(shù)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(jù)新集三礦的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，利用FLAC3D程序進(jìn)行反演分析，最終對(duì)參數(shù)進(jìn)行確定。本次反演分析主要依據(jù)的是新集三礦西

8、一采區(qū)的實(shí)際監(jiān)測(cè)資料。西一采區(qū)1997年首采，2000年回采完畢。在每次開采之后及后續(xù)的幾年內(nèi)，進(jìn)行地表移動(dòng)的觀測(cè)工作，獲得寶貴的監(jiān)測(cè)資料，實(shí)測(cè)A-A剖面共有1998，2001，2004年3條完整的監(jiān)測(cè)曲線，其中1998，2001年的監(jiān)測(cè)資料都是在開采過程中監(jiān)測(cè)的曲線，可用來反演巖土體的彈塑性力學(xué)參數(shù)，而2004年的實(shí)測(cè)資料則是開采4a后的監(jiān)測(cè)曲線。根據(jù)采煤實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，若不對(duì)其進(jìn)行再次擾動(dòng)，開采4 a后巖層和地表變形應(yīng)基本停止，因此，該條曲線可用來反演礦區(qū)上覆巖土體的流變參數(shù)。新集三礦西一采區(qū)三維計(jì)算模型見，實(shí)測(cè)A_A剖面。本次研究根據(jù)淮南理工大學(xué)模型試驗(yàn)所采用的參數(shù)，參考中國水利水電科學(xué)研究院

9、所建立的巖土體力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的資料及淮南礦區(qū)資料，在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出計(jì)算參數(shù)初始值。在進(jìn)行參數(shù)反演時(shí)，首先利用FLAC3D中的彈塑性模型和1998，2001年監(jiān)測(cè)曲線對(duì)巖土體的彈塑性物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行確定，再利用FLAC3D中的流變模型進(jìn)行確定。本次研究采用最適4 煤層開采引發(fā)西淝河左大堤變形預(yù)測(cè)計(jì)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(jì)算效率，本次建模西以礦區(qū)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(zhǎng)度為10 578 m，SN寬度為6 600 ITI，深度從自地表

10、7;00一1 3700 m，西淝河左大堤從西向東穿過礦區(qū)，模型共劃分102 600個(gè)單元。4監(jiān)測(cè)與加固方案41堤體整體加固防滲措施根據(jù)采動(dòng)對(duì)堤體安全的影響評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合淮河大堤現(xiàn)狀和淮南礦務(wù)局工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到西淝河左堤的防洪作用和重要性，建議對(duì)煤層開采影響到的所有堤段(約14 km)進(jìn)行加固，具體加固措施如下：(1)堤防受到采動(dòng)影響前構(gòu)筑防滲墻；(2)每年汛期前按堤防斷面標(biāo)準(zhǔn)培厚加高；(3)在堤體迎水面上鋪設(shè)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(gè)完整的防滲體系，以確保堤防的整體防滲效果。42堤體裂縫處理措施對(duì)堤體可能產(chǎn)生的裂縫，采取以下措施進(jìn)行處理：(1)對(duì)切割深

11、度較淺的橫穿堤體的裂縫均開挖回填；(2)對(duì)堤體內(nèi)部裂縫采用普遍注和重點(diǎn)注相結(jié)合的打鉆灌漿方法。43監(jiān)測(cè)方案定期對(duì)西淝河進(jìn)行表觀裂縫和堤體內(nèi)部裂縫調(diào)查，表觀裂縫采用巡查方式，堤體內(nèi)部裂縫采用物探方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果要按時(shí)報(bào)送水利主管部門。但本次研究提出的加固和監(jiān)測(cè)方案是初步的、宏觀的，在具體實(shí)施時(shí)應(yīng)委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)。5結(jié)論及建議(1)通過收集、查閱大量資料，對(duì)新集三礦的工程地質(zhì)特性和物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)相鄰采區(qū)的實(shí)際觀測(cè)資料，考慮分層開采、時(shí)間效應(yīng)和三維效應(yīng)的影響，對(duì)采區(qū)巖土體工程力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析，并結(jié)合工程類比分析，提出合理的計(jì)算分析參數(shù)，為數(shù)值計(jì)算工作奠定基礎(chǔ)。(2)運(yùn)用概率積分法和數(shù)值模擬方法，對(duì)全采、距堤500，600，800 m和1 000 m五個(gè)開采方案進(jìn)行全面的研究，獲得5個(gè)開采方案引發(fā)的地表變形規(guī)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(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合筑堤材料性質(zhì)，本次研究將三下規(guī)程中的指標(biāo)作為西淝河左大堤受采動(dòng)影響的抗變形控制指標(biāo)，即水平變形4 mmm、傾斜丁6 mmm、曲率半徑尺104 m。同時(shí)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 mmm、水平剪切變形、下沉變形4 mmm作為堤防抗變形折減指標(biāo)。(4)經(jīng)過綜合研究和論證，后