水利工程下矿产开采对其安全影响及加固措施探究
摘要s针对我国矿产资源开发给相关重大水利工程的安全带来隐患这个严重的现实问题，结合实际工程，首先根据相邻矿区开采沉陷现场监测曲线，运用数值模拟方法对杨村矿区岩土体力学参数进行反演分析；然后利用数值模拟软件中的弹塑性模型和流变模型及概率积分法开展煤层开采对西河左大堤安全的影响评价。根据现行国家相关规程和我国40多年堤下开采实践经验，初步提出西河左大堤受采动影响的抗变形控制指标和折减指标。在上述研究成果的基础上，最后推荐方案3(距堤600 m)为正式开采方案及提出综合防护措施，为解决类似工程，如南四湖、南水北调工程中线总干渠压煤开采等提供一定的借鉴。
关键词：水利工程：矿产开采；安全影响评价；加固措施；堤体变形
引言我国目前已探明的易采煤炭资源日益枯竭，为提高资源回收率，解决生产生活问题，实现能源的可持续发展，就必须对一些开采难度大、影响面广的煤炭资源进行开采，其中，水体下、建筑物下和铁路下(以下简称三下)就积压大量的优质煤炭资源，据不完全统计，目前全国三下压煤约为137．64×108 t，其中建筑物下94．68×108 t，铁路下23．91×108 t，水体下19．05×108 t?。经过多年研究和探索，我国在三下采煤方面取得一些可喜成果，其标志性成果是原煤炭工业部颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称《三下规程》)口J，反映我国三下采煤的总体研究水平。
我国一些重大水利设施压有大量的优质煤炭资源，如小浪底水利枢纽库区压煤量达3．41×10¨t 31，南四湖下压煤92．00×108 t等，淮河及其堤坝下压煤2．i0×i08 t等，多年的开采已导致这些重大水利工程出现安全隐患，如淮南矿区经过20多年的开采，采出堤下压煤约2．00×107 t，但也导致淮河大堤产生严重的变形破坏。截止到1995年，影响堤段总长7．4 km，其中确保堤2．7 km，行洪堤4．7 km。
确保堤最大下沉4．50 m，最大下沉速度9．91 mm／d，堤体最大水平变形13．60 mm／m，最大堤高已达13．50 m；行洪堤最大下沉8 m，最大下沉速度10．5mm／d，堤体最大的水平变形42～44 mm／m，最大堤高已达14 m[6，仅靠培厚加高堤体等工程措施维持堤防的防洪功能。再比如，南四湖区现已形成济宁、滕北、滕南、大屯四大矿区，与湖区有关的矿井有15对，设计能力1．86×10 7 t／a，煤炭资源的开采对湖堤造成严重破坏，直接影响该湖的调蓄能力，并引发水质恶化等矿山环境问题瞄。随着《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、《中华人民共和国河道管理条例》及《水库大坝安全管理条例》等水利法规的陆续出台，要求在确保水利工程安全运行的前提下才能进行资源开发。为此，水利部专门成立科技创新项目(SCXC200511)小组进行攻关，项目名称重大水利工程下矿产开采对其安全影响的评价方法及防治措施研究。该项目主要针对水库和堤防两类水利工程进行研究，关于煤炭资源开采对水库安全运行的研究，课题组已发表论文进行阐述。本文主要是以国投新集能源有限公司(以下简称国投新集)杨村煤矿在西河左大堤南侧采煤为例，论述煤层开采对堤防安全的影响，该项目已于2005年11月通过专家的鉴定。
2地质条件西河左堤是淮北大堤的重要组成部分，为I级大堤，其防洪作用不言而喻。国投新集杨村煤矿是拟建的国家特大型矿井，设计生产能力为5．00×108a。根据目前规划，国投新集杨村煤矿部分资源位于西河左防护堤下，见图1。这就导致煤层开采和堤防安全运行之间的矛盾：一方面，西河左防护堤属淮河防汛工程确保堤，在这样重要的堤防工程分布范围内，一般情况下不允许进行地下开采；另一方面，西河左防护堤下压有大量优质的煤炭资源，实施堤下采煤具有显着的经济和社会效益。杨村煤矿位于安徽省利辛县、凤台县和颍上县境内，井田范围东起F5断层，西至F504断层，与展沟矿为邻，南部到1煤层露头线，北部以F102断层和131煤层(一1 200 m等高线)为界。走向长11km，倾向宽3．6 km，面积约40 km2。地层总体为一倾向NW的单斜构造，同时伴有次一级褶曲，矿区新生界松散层厚度大(494．00～790．33 m)，煤层埋藏深，地层倾角一般在20。～30。，开采煤层共4层，根据埋深依次为131，112，8，61煤，其中131煤埋藏最浅，而61煤埋藏最深，且随着埋深的加大，下层煤北部边界距离西河左大堤越远，其整体三维地质模型见图2，图中Y轴正方向代表N；X正方向代表W；Z轴代表高程。3确定矿区岩土体工程力学参数杨村煤矿没有实测和试验资料，岩土体工程力学参数的选取是一件十分困难的事情。考虑到杨村煤矿与新集三矿相距较近，同属一套含煤地层。因此，本次研究主要根据新集三矿的现场监测资料，利用FLAC3D程序进行反演分析，最终对参数进行确定。
本次反演分析主要依据的是新集三矿西一采区的实际监测资料。西一采区1997年首采，2000年回采完毕。在每次开采之后及后续的几年内，进行地表移动的观测工作，获得宝贵的监测资料，实测A-A剖面共有1998，2001，2004年3条完整的监测曲线，其中1998，2001年的监测资料都是在开采过程中监测的曲线，可用来反演岩土体的弹塑性力学参数，而2004年的实测资料则是开采4 a后的监测曲线。根据采煤实践经验，若不对其进行再次扰动，开采4 a后岩层和地表变形应基本停止，因此，该条曲线可用来反演矿区上覆岩土体的流变参数。
新集三矿西一采区三维计算模型见图3，实测A_A剖面。本次研究根据淮南理工大学模型试验所采用的参数，参考中国水利水电科学研究院所建立的岩土体力学参数数据库中的资料及淮南矿区资料，在综合分析的基础上，提出计算参数初始值(见表1)。在进行参数反演时，首先利用FLAC3D中的弹塑性模型和1998，2001年监测曲线对岩土体的弹塑性物理力学参数进行确定，再利用FLAC3D中的流变模型进行确定。本次研究采用最适用于开采沉陷计算的诺顿指数组合模型，其标准彤式为流变参数反演4 煤层开采引发西河左大堤变形预测4．1计算模型由于杨村井田范围太大，而西河左大堤只在局部穿过杨村井田，为提高计算效率，本次建模西以矿区6线剖面为界，南以断层向南延伸一定距离为界，东以F5断层向东延伸一定距离为界，北以F103断层向北延伸一定距离为界，模型EW长度为10 578 m，SN宽度为6 600 ITI，深度从自地表±0．0～一1 370．0 m，西河左大堤从西向东穿过矿区，模型共划分102 600个单元，由于选取计算范围很大，煤层开采对边界位移的影响较小，因此模型底面取固定端约束，侧面上施加横向约束。
4．2弹塑性分析屈服准则采用莫尔一库仑准则，最终值，断层采用实体单元进行模拟。本次研究共进行5个方案的计算：(1)方案1：留设工广煤柱，4．3概率积分法分析本次研究还采用概率积分法对煤层开采引发的地表变形进行计算。概率积分法将岩石移动过程看作是一个随机的过程，并用概率理论证明岩石下沉场可用随机过程的柯尔莫哥洛夫方程式表示。该方法同几何学结合到一起，从几何学角度论证地表移动规律，由于用高斯曲线作为开采的连续影响曲线使其更加严密和符合实际。目前，该方法在国内外应用极为广泛，我国更是将该方法作为《三下规程》
的指定方法。本次计算参数来自《三下规程》，计算结果见图12。西河左大堤处地表变形最大值见表3(概率积分法)。
4．4流变分析本次研究还进行流变分析计算，由于流变计算工作量非常大，本次研究只进行方案3(距堤600 m)和方案4(距堤800 m)的计算。西河左大堤处地表变形最大值(流变模型)5 采动引发堤体变形破坏控制指标确定煤炭系统多年来一直致力于在水利设施附近进行煤炭资源开采的理论和实践研究，《三下规程》附录三对工业构筑物、技术装置及暖卫工程管网地表(地基)的允许和极限变形值对此进行明确规定。另外，淮南矿务局长期在六方堤下采煸根据现场实测资料分析，六方堤产生裂缝的变形控制指标确定为：水平变形￡=4 mm／m，地表倾斜丁=6mm／m，地表曲率K=0．000 1／m。据调查，六方堤和西河左堤的筑堤材料物理、力学性质、施工工艺极为类似L61(见表6)，因此，六方堤堤体变形的控制指标基本适用于西河左堤。另外，中国矿业大学对安徽省淮南市新庄孜矿区淮河大堤老应段堤体进行变形试验研究，得出该土体在拉伸变形达到6～8 mm／m时才会发生破坏。
水利系统目前对堤体变形破坏控制指标没有明确规定，但工程实践经验表明，对于西河左堤这样的I级水工建筑物来讲，堤体内应尽可能不产生拉应力。
综上所述，在已有研究成果和我国40多年淮河下采煤工程实践的基础上，结合筑堤材料性质，本次研究将《三下规程》中的指标作为西河左大堤受采动影响的抗变形控制指标，即水平变形￡≤4mm／m、地表倾斜丁≤6 mm]m、曲率半径尺≥104 m。
同时考虑到西河左大堤的重要性，本文尝试对上述指标进行折减，尽量提出一个让各方面都认为可确保大堤安全的指标，这个指标可能会比较保守，但可通过现场监测来逐步修正，尽量做到合理。本次研究初步提出将水平拉伸变形g≤2 mm]m、水平剪切变形、下沉变形≤4 mm]m作为堤防抗变形折减指标。
6采动对堤体安全的影响评价根据堤体抗变形控制指标和折减指标的确定，综合计算结果可看出：
(1)采用控制指标，概率积分法计算结果表明，方案1对堤防破坏最严重，超过变形破坏控制指标的堤段长约2 300 m；方案2对堤防破坏程度较方案1有较大减缓，超过变形破坏控制指标的堤段长约903 m；方案3～5对堤防破坏程度较轻。没有超过变形破坏控制指标的堤段。
(2)采用折减指标，概率积分法计算结果表明，方案1～3对堤防破坏较为严重，最大变形超过堤防的抗变形折减指标，其中方案3对堤防的破坏最小，方案4，5对堤防破坏程度较轻，没有超过堤防抗变形折减指标。若要保证堤防受采动产生的变形控制在折减指标范围内，需使得煤层开采边界距离堤防的距离≥720 m。
(3)采用控制指标，弹塑性计算结果表明，所有5个方案计算的结果均没有超过堤防控制指标。
(4)采用折减指标，弹塑性计算结果表明，方案1对堤防破坏最严重，水平拉伸变形>0．2％的堤防长度约l 527 m，水平剪切变形>0．4％的堤防长度约1 536m；方案2对堤防破坏程度较方案l有较，大减缓，水平拉伸变形>O．2％的堤防长度约206 m；方案3对堤防破坏程度较方案2又有所减缓，水平拉伸变形>0．2％的堤防长度约98 m；方案4对堤防破坏程度较轻，没有超过折减指标的堤段；方案5对堤防破坏程度最轻，也没有超过折减控制指标的堤段。
(5)流变计算结果表明，所有5个方案计算的结果均没有超过堤防控制指标。方案3煤层开采6 a后地表变形趋于稳定，超过折减指标的堤段由98 m增加至446 m：方案4也是煤层开采6 a后地表变形趋于稳定，超过折减指标计算的堤段则由0 m增至304m。
综上所述，数值模拟计算结果较概率积分法计算结果偏小，其主要原因是由于这2种计算方法的不同，概率积分法是以正态分布函数为影响函数，利用积分公式表示的地表下沉的方法，而数值模拟方法是利用岩土体本构关系进行迭代的计算方法。
本文认为，在进行地面塌陷预测研究过程中，这2种方法最好能够相互验证。
本次研究认为，煤层开采首先要确保西河左大堤的防洪安全，按最不利于堤防安全的角度来考虑，同时要兼顾不能浪费煤炭资源。概率积分法计算结果表明，方案3计算结果没有超出堤防的抗变形控制指标，但超出堤防的抗变形折减指标，不过超出幅度较低；煤层开采后虽然会对大堤变形造成一定的影响，但程度较轻。若要保证堤防受采动产生的变形控制在折减指标范围内，需使得煤层开采边界距离堤防的距离≥720 m。数值模拟计算结果表明，方案3计算结果没有超出堤防的抗变形控制指标，但超出堤防的抗变形折减指标，但超出幅度极为有限，煤层开采后也会对大堤变形造成一定的影响，但影响程度很轻。因此，本文推荐方案3(距堤600 m)为正式开采方案，该方案在采用控制指标的情况下，不会对堤防造成变形破坏；在采用折减指标的情况下，会对部分堤防造成变形破坏。但程度较轻，根据工程实践经验，经过加固是不会影响大堤的防洪功能的。另外，距堤720 m的方案同时能满足堤防抗变形控制指标和折减指标，但会浪费很多的煤炭资源，同时考虑到西河左大堤的重要性，本文提出在采动过程中需加强对地表和堤防的变形监测，根据监测结果适时调整开采边界，在确保堤防安全运行的情况下，合理地开采煤炭资源。
7监测与加固方案7．1堤体整体加固防渗措施根据采动对堤体安全的影响评价结果，结合淮河大堤现状和淮南矿务局工程实践经验【6J，同时考虑到西河左堤的防洪作用和重要性，建议对煤层开采影响到的所有堤段(约14 km)进行加固，具体加固措施如下：(1)堤防受到采动影响前构筑防渗墙；(2)每年汛期前按堤防断面标准培厚加高；(3)在堤体迎水面上铺设防渗膜，并做好防渗膜之间及防渗膜与防渗墙的搭接处理，形成一个完整的防渗体系，以确保堤防的整体防渗效果。
7．2堤体裂缝处理措施对堤体可能产生的裂缝，采取以下措施进行处理：(1)对切割深度较浅的横穿堤体的裂缝均开挖回填；(2)对堤体内部裂缝采用普遍注和重点注相结合的打钻灌浆方法。
7．3监测方案定期对西河进行表观裂缝和堤体内部裂缝调查，表观裂缝采用巡查方式，堤体内部裂缝采用物探方法进行现场监测，监测结果要按时报送水利主管部门。但本次研究提出的加固和监测方案是初步的、宏观的，在具体实施时应委托有资质的单位进行设计。
8结论及建议(1)通过收集、查阅大量资料，对新集三矿的工程地质特性和物理力学参数进行系统的总结，在此基础上，依据相邻采区的实际观测资料，考虑分层开采、时间效应和三维效应的影响，对采区岩土体工程力学参数进行反演分析，并结合工程类比分析，提出合理的计算分析参数，为数值计算工作奠定基础。
(2)运用概率积分法和数值模拟方法，对全采、距堤500，600，800 m和1 000 m五个开采方案进行全面的研究，获得5个开采方案引发的地表变形规律及堤下地表位移和变形的具体量值。
(3)在已有研究成果和我国40多年淮河下采煤工程实践的基础上，结合筑堤材料性质，本次研究将《三下规程》中的指标作为西河左大堤受采动影响的抗变形控制指标，即水平变形￡≤4 mm／m、倾斜丁≤6 mm／m、曲率半径尺≥104 m。同时考虑 到西河左大堤的重要性，本文尝试着初步提出将水平拉伸变形占≤2 mm／m、水平剪切变形、下沉变形≤4 mm／m作为堤防抗变形折减指标。
(4)经过综合研究和论证，后推荐方案3(距堤600 m)为正式开采方案，同时，对整个堤防采取综合防护措施(加固与监测)，适时调整开采边界，不仅可使煤炭资源得到合理的开发利用，而且也可保证堤防的安全运行，在经济上是合理的，在技术上是可行的。
(5)上述研究成果已通过专家鉴定，并被应用到防洪评价中，为主管部门决策提供重要科学依据，并为解决类似工程，如南四湖、南水北调工程中线总干渠压煤开采等提供重要的借鉴作用。
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