1、重大水利工程下礦產(chǎn)開采對其安全影響評價及加固措施研究    摘要s針對我國礦產(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嚴(yán)重的現(xiàn)實問題，結(jié)合實際工程，首先根據(jù)相鄰礦區(qū)開采沉陷現(xiàn)場監(jiān)測曲線，運用數(shù)值模擬方法對楊村礦區(qū)巖土體力學(xué)參數(shù)進行反演分析；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西淝河左大堤安全的影響評價。根據(jù)現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)程和我國40多年堤下開采實踐經(jīng)驗，初步提出西淝河左大堤受采動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；安全影響評價；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，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)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(yōu)質(zhì)煤炭資源，據(jù)不完全統(tǒng)計，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，設(shè)計能力186×10 7 ta，煤炭資源的開采對湖堤造成嚴(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條例及水庫大壩安全管理條例等水利法規(guī)的陸續(xù)出臺，要求在

5、確保水利工程安全運行的前提下才能進行資源開發(fā)。為此，水利部專門成立科技創(chuàng)新項目(SCXC200511)小組進行攻關(guān)，項目名稱重大水利工程下礦產(chǎn)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(guān)于煤炭資源開采對水庫安全運行的研究，課題組已發(fā)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(cè)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(zhì)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(shè)計生產(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堤下。這就導(dǎo)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(nèi)，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(yōu)質(zhì)的煤炭資源，實施堤下采煤具有顯著的經(jīng)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(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，同時伴有次一級褶曲，

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)楊村煤礦沒有實測和試驗資料，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)場監(jiān)測資料，利用FLAC3D程序進行反演分析，最終對參數(shù)進行確定。本次反演分析主要依據(jù)的是新集三礦西

8、一采區(qū)的實際監(jiān)測資料。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)，進行地表移動的觀測工作，獲得寶貴的監(jiān)測資料，實測A-A剖面共有1998，2001，2004年3條完整的監(jiān)測曲線，其中1998，2001年的監(jiān)測資料都是在開采過程中監(jiān)測的曲線，可用來反演巖土體的彈塑性力學(xué)參數(shù)，而2004年的實測資料則是開采4a后的監(jiān)測曲線。根據(jù)采煤實踐經(jīng)驗，若不對其進行再次擾動，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)三維計算模型見，實測A_A剖面。本次研究根據(jù)淮南理工大學(xué)模型試驗所采用的參數(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，提出計算參數(shù)初始值。在進行參數(shù)反演時，首先利用FLAC3D中的彈塑性模型和1998，2001年監(jiān)測曲線對巖土體的彈塑性物理力學(xué)參數(shù)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4 煤層開采引發(fā)西淝河左大堤變形預(yù)測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(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個單元。4監(jiān)測與加固方案41堤體整體加固防滲措施根據(jù)采動對堤體安全的影響評價結(jié)果，結(jié)合淮河大堤現(xiàn)狀和淮南礦務(wù)局工程實踐經(jīng)驗，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(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堤體可能產(chǎn)生的裂縫，采取以下措施進行處理：(1)對切割深

11、度較淺的橫穿堤體的裂縫均開挖回填；(2)對堤體內(nèi)部裂縫采用普遍注和重點注相結(jié)合的打鉆灌漿方法。43監(jiān)測方案定期對西淝河進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行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果要按時報送水利主管部門。但本次研究提出的加固和監(jiān)測方案是初步的、宏觀的，在具體實施時應(yīng)委托有資質(zhì)的單位進行設(shè)計。5結(jié)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(zhì)特性和物理力學(xué)參數(shù)進行系統(tǒng)的總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)相鄰采區(qū)的實際觀測資料，考慮分層開采、時間效應(yīng)和三維效應(yīng)的影響，對采區(qū)巖土體工程力學(xué)參數(shù)進行反演分析，并結(jié)合工程類比分析，提出合理的計算分析參數(shù)，為數(shù)值計算工作奠定基礎(chǔ)。(2)運用概率積分法和數(shù)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(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