南水北調(diào)中線邯邢段選線研究

孟鎖蘭,陳寶玉

(1.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院,河北石家莊 050021;2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津 300250)

南水北調(diào)中線邯邢段選線研究

孟鎖蘭1,陳寶玉2

(1.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院,河北石家莊 050021;2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津 300250)

總干渠邯邢渠段經(jīng)過邢臺區(qū)域兩側(cè)蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源,其合理開發(fā)有利于國民經(jīng)濟的發(fā)展,同時南水北調(diào)工程是關(guān)系到國計民生的重大工程,其運行安全至關(guān)重要。通過對采空區(qū)沉降變形機理及對地面建筑物危害分析研究,確定了總干渠選擇線路的原則。在對邯邢段沿線礦產(chǎn)資源開采現(xiàn)狀進行大量地質(zhì)調(diào)查和資料分析工作的基礎(chǔ)上,多次進行線路選擇優(yōu)化比選,成功地避開采空區(qū)并大大減少了占壓礦產(chǎn)資源量,確保了總干渠施工及運行安全,同時也為類似工程選線提供了借鑒和參考。

南水北調(diào)工程;選線;資源占壓

1 工程概述

南水北調(diào)中線工程是緩解河南、河北和京津地區(qū)水資源危機的特大型跨流域調(diào)水工程,自漢江中游丹江口水庫引水,經(jīng)湖北、河南、河北,直至北京,全長1 240 km。河北省邯邢渠段全長約172 km,渠線南起自漳河北岸,沿京廣鐵路西側(cè)山前傾斜平原及低丘垅崗邊緣向北,經(jīng)過磁縣、邯鄲縣、邯鄲市、永年縣、沙河市、邢臺市、邢臺縣、內(nèi)丘縣和臨城縣,至邢石交界處止?？偢汕斔O(shè)計流量235 m3/s,加大流量265 m3/s,渠道底寬16.5～26.5 m,永久占地寬度90～305 m[1]。

渠線經(jīng)過的邢臺區(qū)域兩側(cè)蘊藏著豐富的煤炭、石墨、鐵礦、石膏及石灰石等礦產(chǎn)資源,是國家的寶貴財富和不可再生的天然資源,合理開發(fā)有利于國民經(jīng)濟的發(fā)展,同時南水北調(diào)工程是關(guān)系到國計民生的重大工程,其運行安全至關(guān)重要。為避免總干渠因礦產(chǎn)采動后地表產(chǎn)生沉降變形影響運行安全,盡量少的占壓礦產(chǎn)資源,合理選擇總干渠線路,使二者相互影響降到最低。

2 采空區(qū)沉降變形機理及危害

礦產(chǎn)資源地下開采形成一定的空間后,上覆土巖層失去了原始應(yīng)力平衡狀態(tài),在重力作用下開始垮落充填采空區(qū)。由于冒落巖石的碎脹性采空區(qū)被充滿,覆巖不再繼續(xù)冒落,將產(chǎn)生彎曲下沉、位移、裂縫。其發(fā)育程度由下往上逐步減弱,直至裂隙尖滅。采空區(qū)面積擴大到一定范圍后,巖層移動發(fā)展到地表,使地表產(chǎn)生移動和變形。地表的移動和變形在空間和時間上是連續(xù)的、漸變的,具有明顯的規(guī)律性,以致地表產(chǎn)生移動盆地、裂縫及臺階,甚至產(chǎn)生塌陷坑。煤礦采空沉降變形過程一般是緩慢的、持續(xù)的,因開采面積大,對地表影響范圍也大;而鐵礦采空由于開采礦體厚度大,采空區(qū)范圍較為集中,留設(shè)安全井柱較小,加上頂部灰?guī)r層性脆和地下水的影響,極易產(chǎn)生采空區(qū)地表沉陷,沉陷過程較短暫,沉降幅度巨大,地表表現(xiàn)主要以垂直位移為主,沉陷影響范圍較小,僅限于采空區(qū)附近。

綜上所述,礦產(chǎn)資源采動后致使地表產(chǎn)生沉降變形,危及地表建筑物使用安全。尤其是對水利工程威脅巨大,輕者降低渠底和堤身高程、水工建筑物發(fā)生傾斜,使工程原有功能降低;重者使渠水大量潰入裂縫或塌陷坑內(nèi),危及渠堤、壩等其它水工建筑物及地下開采礦井的安全,造成生命和財產(chǎn)的嚴重損失。

3 總干渠選線原則及過程

總干渠線路從1995年可行性研究設(shè)計階段進行選定線工作開始,本著南水北調(diào)工程盡可能避開采空區(qū)、少占壓礦產(chǎn)資源的原則,結(jié)合地形地貌及地面附著物分布等因素初步確定。1997年河北省南水北調(diào)辦公室委托煤炭工業(yè)部石家莊設(shè)計研究院對沿線礦產(chǎn)企業(yè)分布情況進行了調(diào)查,就有關(guān)總干渠河北省段各煤田的基本概況、煤層賦存條件、總干渠與各煤田位置關(guān)系、壓覆煤田資源量等有關(guān)問題進行了詳細論述,并對留設(shè)保護煤柱、流經(jīng)邵明煤田采空區(qū)、壓煤損失等主要工程問題及今后的工作提出了建設(shè)性意見。依據(jù)成果報告占壓煤炭資源情況,對渠線經(jīng)過東龐煤礦段進行了微調(diào),渠線東移繞過東龐煤礦資源區(qū),從而減小了壓煤損失;另外在渠線經(jīng)過的邵明煤田區(qū)域增加了對采空區(qū)地面變形觀測措施,為決策線路走向和在渠道設(shè)計中采取相應(yīng)措施提供依據(jù)。調(diào)整后總干渠保護煤柱范圍內(nèi)無采空區(qū)分布,僅占壓邢臺煤礦等7個企業(yè)煤炭資源量約1 800萬t[2]。

近些年,隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,社會對資源的開發(fā)利用量大量增加,沿總干渠兩側(cè)的礦產(chǎn)資源企業(yè)增加或不間斷生產(chǎn)使原有采空區(qū)進一步擴大,尤其是近幾年國家產(chǎn)業(yè)政策變化,允許個體私營企業(yè)開礦,這些企業(yè)由于缺乏資金和技術(shù)力量,管理落后,缺乏規(guī)范的生產(chǎn)行為,造成資源的無序開采與浪費,危害地面建筑物安全。尤其在邢臺邵明煤田區(qū),早期的亂采亂掘和近期的無規(guī)律開采形成大小不一、形態(tài)各異的地下采空區(qū),已引起地面沉降、裂縫等一系列工程地質(zhì)災(zāi)害,對即將建設(shè)的南水北調(diào)中線工程構(gòu)成了潛在威脅。

鑒于以上情況,在2004年本院為解決總干渠沿線占壓礦產(chǎn)資源、礦區(qū)開采及已有采空區(qū)沉陷對工程安全運行的影響等重大問題,對沿線開采企業(yè)進行了詳細調(diào)查和收集資料,先后走訪了河北省煤田地質(zhì)局、邢臺煤炭工業(yè)辦公室等十幾個行業(yè)主管單位,對總干渠穿越北掌、邢臺、先賢、邢北、東龐、磨窩、邵明、臨城煤田區(qū)和上鄭鐵礦區(qū)等涉及的40多個礦產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀進行了調(diào)查核實,了解了各礦井生產(chǎn)建設(shè)概況、開采資源邊界、礦層基本情況、已有采空區(qū)分布、開采現(xiàn)狀及遠景規(guī)劃等大量成果和動態(tài)資料。

通過調(diào)查,總干渠中心線兩側(cè)1 km范圍內(nèi)現(xiàn)狀分布著具有開采和探礦權(quán)礦產(chǎn)企業(yè)達40多個,礦種分為煤礦、鐵礦、石膏礦、石墨礦、石灰石礦及建筑砂礦,企業(yè)經(jīng)營性質(zhì)分為國營、集體、個體。經(jīng)過資料分析,總干渠壓覆礦產(chǎn)開采企業(yè)增至19個,壓覆資源量增加至2 965.6萬t,其中渠線經(jīng)過東龐、邵明煤田區(qū)和上鄭鐵礦區(qū)涉及的6個開采企業(yè)在總干渠永久占壓和留設(shè)保護范圍內(nèi)已有采空區(qū)分布,已對工程安全構(gòu)成威脅;另外總干渠從北掌煤田勘探區(qū)中間穿過,將河北省重點能源接替基地的北掌煤田一分為二,占壓大量較好的煤炭資源,造成北掌煤田不能合理開發(fā)利用。

針對上述情況的變化,本院組織有關(guān)技術(shù)人員多次現(xiàn)場查勘,重點對涉及采空區(qū)區(qū)域進行排查,找礦產(chǎn)開采企業(yè)技術(shù)人員座談,與礦產(chǎn)業(yè)務(wù)主管部門交換意見,開展了大量的資料分析和研究工作。對總干渠穿越北掌、東龐、邵明煤田區(qū)和上鄭鐵礦區(qū)線路進行研究和綜合經(jīng)濟技術(shù)比較后,局部進行了調(diào)整,調(diào)整后已基本避開采空區(qū)并在條件允許下移出礦產(chǎn)資源區(qū),涉及開采企業(yè)數(shù)量和壓覆礦產(chǎn)資源量大大減少,使企業(yè)和國家礦產(chǎn)資源損失降到最低。

現(xiàn)選定線路內(nèi)總干渠占壓和留設(shè)保護資源范圍內(nèi)共涉及企業(yè)17個,其中煤礦9個、探礦權(quán)2個、鐵礦2個、石墨礦1個、石灰石礦2個、建筑砂礦1個。對壓覆礦產(chǎn)資源性質(zhì)、工程安全與礦產(chǎn)資源開采的關(guān)系有了定性和定量的結(jié)論意見。

通過對總干渠線路進一步優(yōu)化,使得南水北調(diào)工程選線更為合理,確保了總干渠渠道及建筑物施工及運行安全。

4 總干渠占壓礦產(chǎn)資源量

總干渠占壓及留設(shè)保護煤柱范圍計算,采用煤炭工業(yè)部《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》,南水北調(diào)工程保護等級按Ⅰ級考慮,總干渠設(shè)計占地寬度兩側(cè)需增加圍護帶寬度按20m計算,兩側(cè)留設(shè)保護煤柱寬度計算方法采用垂直剖面法,保護煤柱邊界用移動角圈定,松散層(包括第四紀和新第三紀未成巖的沉積層)移動角φ均采用45°,基巖上山移動角β采用73°(邵明煤田區(qū)采用70°)、下山移動角γ采用73°～0.6α(邵明煤田區(qū)采用70°～0.8α)(α為開采煤層傾角)[3]。占壓及留設(shè)保護煤柱寬度=渠道永久占地寬度+兩側(cè)圍護帶寬度各20 m+礦層開采導(dǎo)致上覆土巖層垮落影響地表變形保護范圍邊界。

露天開采的石灰石礦及建筑用砂壓覆資源量計算,依據(jù)礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃中關(guān)于鐵路、省級公路、南水北調(diào)干渠兩側(cè)各300 m,通訊光纜、輸油管道、水庫等重要基礎(chǔ)設(shè)施、重大工程設(shè)施及其周圍一定范圍內(nèi)禁止開采礦產(chǎn)資源的有關(guān)規(guī)定。

2007年委托河北省保定地質(zhì)工程勘查院對總干渠沿線壓覆17個企業(yè)礦產(chǎn)資源量進行了調(diào)查評估工作,合計壓覆煤炭資源750.04萬t、鐵礦資源51.36萬t、石墨礦資源3.38萬t、石灰礦資源505.64萬t、砂礦資源59.38萬m3[4]。

5 結(jié)語

通過對采空區(qū)沉降變形機理及對地面建筑物危害分析研究,確定了總干渠選擇線路的原則,應(yīng)完全避開采空區(qū),在條件允許下盡量繞開現(xiàn)狀資源開采區(qū),從而確保工程長期安全運行。在對邯邢段沿線礦產(chǎn)資源開采現(xiàn)狀進行大量地質(zhì)調(diào)查和資料分析工作基礎(chǔ)上,線路選擇多次進行優(yōu)化比選,成功的避開采空區(qū)并大大減少占壓礦產(chǎn)資源量,確保總干渠施工及運行安全,達到工程安全與礦產(chǎn)資源合理開發(fā)利用并舉的目的。

截止目前,已委托相關(guān)單位對工程涉及的17個企業(yè)壓覆損失進行礦業(yè)權(quán)和資產(chǎn)價值評估,評估工作已基本完成。

總干渠河北省邯邢渠段即將全線動工興建,為確保工程施工和運行長期安全,建議由政府主管部門主持下盡快與礦產(chǎn)企業(yè)達成賠償協(xié)議,對總干渠構(gòu)成潛在威脅的開采企業(yè)予以關(guān)停或調(diào)整其開采范圍,嚴禁越界開采,以防止持續(xù)開采造成采空區(qū)進一步擴大對工程產(chǎn)生不利影響。

[1] 南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設(shè)計報告[R].石家莊:河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院,2004:5.

[2] 南水北調(diào)中線工程壓覆煤炭資源及采空區(qū)補救措施研究[R].石家莊:煤炭工業(yè)部石家莊設(shè)計研究院,1997:151.

[3] 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[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,1985:29.

[4] 南水北調(diào)中線總干渠工程建設(shè)河北省南段壓覆礦產(chǎn)資源調(diào)查評估報告[R].保定:河北省保定地質(zhì)工程勘察院,2007:10.

(責(zé)任編輯:胡立智)

Research on Line Selection of the Hanxing Section in the Middle Route South-to-North Water Transfer Project

MENG Suolan1,CHEN Baoyu2
(1.The Second Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang,Hebei050021;2.Hebei Inverstigation Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower,Tianjin00250)

There is rich in mineral resources in the both sides of Xingtai area which through by Hanxing channel of the main channel,rational exploitation of the resources is favorable for the development of national economy,at the same time,the South-to-North water transfer project is related to people’s livelihood,so operation safety is very important.According to the studies of settlement and defor mation of the goaf and its hazard to the ground building,the principle of line selection for the main channel was determined.Based on geological survey and data analysis for the mineral resources,the optimum comparison and selection of the line has been carried out formany times,it is successful to avoid goaf and greatly reduce the amount of resources occupancy,which ensures construction and operation safety of the main channel and provides reference for the s imilar projects.

The South-to-North water transfer project;line selection;resource tied up

TV68

A

1671-1211(2010)05-0535-03

2010-07-10;改回日期:2010-09-10

孟鎖蘭(1963-),男,高級工程師,工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察工作。E-mail:mengsuolan@sina.com