綜放開采條件下河道治理的可行性研究

鄭 輝，田文書，李 亮，李召龍

（1.兗礦集團有限公司，山東鄒城 273500;2.濟寧市黃淮水利勘測設計院，山東濟寧 272000; 3.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州 221116）

綜放開采條件下河道治理的可行性研究

鄭 輝1，田文書2，李 亮3，李召龍3

（1.兗礦集團有限公司，山東鄒城 273500;2.濟寧市黃淮水利勘測設計院，山東濟寧 272000; 3.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州 221116）

以鮑店礦泗河下采煤為例，通過理論分析和模擬計算，研究了煤層開采對堤體和河槽的影響，并對河下采煤后河道治理的可行性進行了分析。得出的結論主要有:河下采煤不僅引起河床、灘地下沉，堤頂高程降低，堤防、灘地及護堤地開裂，而且引起河勢改變?？梢酝ㄟ^先進的堤防加固技術、裂縫處理技術、護岸技術使河道的功能得到恢復。

綜放開采;采動影響;河道治理

水體下壓煤是我國東部礦區(qū)目前普遍面臨的問題［1］。隨著近幾年煤炭資源越發(fā)的匱乏，很多煤礦不得不對水體下煤炭資源進行回采，以延長礦井的服務年限，保證礦區(qū)煤炭生產的可持續(xù)發(fā)展。但是，煤層開采后，移動變形發(fā)展到地表，往往引起河道的下沉，導致水流速度的改變，破壞河流的沖淤平衡，同時開采引起的大量地表裂縫使得堤防的穩(wěn)定性及防滲能力受到嚴重損害［2－3］。因此，為了保證河湖和堤防的安全，開展煤層開采后的河道治理的可行性研究顯得尤為重要。

1 開采對堤體穩(wěn)定性影響分析

1.1 開采引起堤體標高的下降

以鮑店礦1312工作面泗河下開采為例說明開采沉陷對堤體標高下降的影響。1312工作面平均采深359m，采厚8.8m，東西長約856m，南北寬約245m，由西向東橫向斜穿泗河，切眼位于工作面西部泗河右岸灘地內，工作面穿越泗河左堤的樁號為26+050～26+300，見圖1。開采后引起河道25+800～26+500段左右灘地、河床及左岸堤防變形。河堤沉陷情況如表1。

圖1 1312工作面井上下對照

表1 河堤沉陷情況

從表1中可以看出，受工作面開采的影響，堤體的標高發(fā)生不同程度的下降，河堤最大下沉值近5m，其防洪能力受到很大的影響。

1.2 堤體防滲及穩(wěn)定性分析

受開采引起的拉伸變形和正曲率變形的影響，堤體一些區(qū)段會出現拉伸裂縫，部分區(qū)段的材料屬性會變得比設計值疏松，堤體內部孔隙率的增大會導致滲流量的增加，影響堤體的滲流穩(wěn)定性。

受工作面開采引起的傾斜變形的影響，堤體的坡度發(fā)生變化，對變陡的邊坡，其抗滑能力有所減小。在鮑店煤礦1312工作面開采的過程中，最大出現68mm/m的傾斜值，可以改變邊坡坡度為3.9°，對邊坡的穩(wěn)定性構成影響。在自然條件、水位變化和滲流的影響下，邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)。

2 開采對河槽的影響分析

2.1 開采沉陷引起水面線改變

以鮑店煤礦1312工作面為例說明沉陷對水面線的影響，采用《天然河道復式斷面的水面線推算程序》，對河道沉陷前后設計洪水下的水面線進行推算。

根據推算結果:26+100，26+200斷面沉陷最大，從26+200向上下游沉陷逐漸變小，形成了馬鞍型沉陷曲線，河底變化從25+800～26+200為負比降，從26+200～26+500段比降加大。斷面25+ 800以下河段水位沒有變化，從25+800～26+200段，水位壅高，最大壅高達40mm;26+300斷面水位基本不變，26+300～26+500段水位下降，最大下降30mm;直到29+000處，水位恢復沉陷前正常。采煤沉陷對水面線的影響不僅在塌陷段，而且將影響到超出沉陷段2.5km外的上游段。

2.2 開采沉陷引起河勢變化

根據參考文獻 ［4］中式1，分別計算水面線變化段河槽遭遇規(guī)劃洪水及中小洪水時的最大允許不沖流速 v不沖和最小不淤流速 v不淤。鮑店煤礦1312工作面開采沉陷前后，泗河50a一遇洪水時流速見表2。

式中，c為系數，粉土取0.96;R為水力半徑，m; c'為根據河道水流泥沙性質而定的系數，取0.6。

從表2看出，河道沉陷同樣引起流速的改變，對河槽的沖淤產生影響，塌陷后25+900～26+300段將出現淤積，26+500～26+700段產生沖刷。

表2 流速比較 m/s

2.3 開采對河道流場影響的數值模擬分析

為更為直觀地反映開采對河道流場的影響情況，利用fluent軟件［5］建立數值模型，對河道25+ 800～26+500段受1312工作面開采影響前后的流態(tài)情況進行模擬計算。

2.3.1 煤層開采前河道流態(tài)分析

圖2為建立的原河道三維模型，給定進口速度為0.5m/s時，河道內整體流場情況如圖3。從圖中可以看出在河道塌陷以前流態(tài)平穩(wěn)。且從進口斷面到下游，在重力的作用下流速有增加的趨勢，在下游6m左右流速達到最大值，為1.49m/s;出口斷面的流速0.2 m/s。

圖2 原河道三維立體圖

圖3 原河道流場

2.3.2 開采影響后河道流場分析

開采影響塌陷后河道三維數值模型如圖4。

分2種情況分析，一種是河道高水位時流態(tài)分布，一種是中水位時流態(tài)分布。對每種情況分別計算X，Y，Z三個方向上多個剖面的速度流線。其中，高水位時Z方向選取的剖面位置如圖5。

圖4 塌陷后河道三維立體圖

圖5 沿Z方向各剖面

在高水位時，Z1剖面流速相對比較平穩(wěn)，流速在0.8m/s左右，是流速反向的平緩漩渦分流;Z2剖面流速相對比較紊亂，流速在0.4～0.8m/s之間，是總體流速反向的、面內漩渦分流;Z3剖面流速相對比較平穩(wěn)，流速在0.4～0.8m/s之間，是流速正向的上、下渦流的上平緩區(qū);Z4剖面流速漸變平穩(wěn)，由于存在著較大的垂直分量流速，因而在水平方向流速分布非常不均勻，流速從3m/s～1m/s～3m/s之間變化，是流速正向的水平方面的變速區(qū)，是產生塌陷區(qū)渦旋的主因。見圖6。

圖6 Z4剖面速度流線

采用同樣的方法對高水位、中水位2種情況X方向4個剖面、Y方向4個剖面和Z方向4個剖面的流態(tài)進行了分析，經過分析研究，得到在開采沉陷的影響下，河道25+900～26+300段將出現淤積，26+500～26+700段產生沖刷，與理論分析的結果一致。

3 河道治理技術的可行性分析

3.1 河道沉陷破壞程度的確定性

河下采煤將在地表形成移動盆地，對河道造成堤防下沉、堤身裂縫等損害，對行洪安全、防汛搶險及現有水利工程及設施造成不利影響。以大量的實測資料作基礎，通過對厚煤層綜放開采條件下覆巖地表變形規(guī)律的研究可知，河下采煤引起的河道損毀及水利工程的不利影響在時間和空間上均是可以定量的預測出來，而且預測的準確度是可滿足工程治理要求的。

3.2 恢復河道功能技術的可行性

3.2.1 河道及堤體下沉治理的可行性

開采引起的堤防下沉，可以采用對堤防進行加高加寬措施或預加固措施進行治理。對開采引起的河床下沉，由于下沉盆地處于淤積狀態(tài)，直至達到相對的動態(tài)沖淤平衡狀態(tài)，可以對河床進行人工回填或不進行治理。對開采引起灘地和護堤下沉、積水，喪失原有的對河堤的保護功能，可以通過對灘地和護堤地進行回填，恢復其功能來進行治理。目前國內對堤防治理技術和除險加固方法研究的比較充分，技術發(fā)展的比較成熟。

3.2.2 裂縫治理的可行性

河槽內的裂縫在自然淤積作用下會逐漸被堵塞恢復，河槽內裂縫與灘地及堤防內裂縫在豎向上不會形成連續(xù)的通道，不需要進行特殊處理。灘地和護堤地上的裂縫與堤防上的裂縫在高度上是不連續(xù)的，如能處理好堤防上的裂縫，對灘地及護堤地進行恢復，裂縫對河道功能將不會構成威脅，因此，關鍵是做好堤體裂縫的處理。國內目前常用的治理方法有開挖回填、充填灌漿等。這些方法在技術上比較成熟，已經在眾多堤壩防洪搶險工程中得到應用，效果良好。

3.2.3 水面線及河勢控制的可行性

針對河下采煤引起的河道水面線改變、河勢改變等對河道造成的不利影響，可通過加高回填灘地、對河岸采取拋石護岸、砌石護岸等工程措施，控制河勢，使河勢向有利的方向發(fā)展。目前河道整治技術已經非常成熟，為河勢控制提供了技術上的可行性。

4 結論

（1）開采對堤體的影響主要為3個方面:堤體標高的下降、邊坡坡度的變化和堤體材料滲流的變化。

（2）開采對河槽影響主要為:開采引起水面線、河勢的改變，以及對河道滲流場的影響。

（3）通過先進的堤防加固技術、裂縫處理技術、護岸技術可使損毀的河床、灘地達到穩(wěn)固，使河勢得到控制、使堤防高程及完整性得到恢復。開采結束后，河道的功能恢復在技術上是可行的。

［1］袁 亮，吳 侃.淮河堤下采煤的理論研究與技術實踐［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003.

［2］李 亮.高強度開采條件下堤防損害機理及治理對策研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學，2010.

［3］譚志祥，王宗勝，李運江，等.高強度綜放開采地表沉陷規(guī)律實測研究［J］.采礦與安全工程學報，2008，25（1）.

［4］趙振興，何建京.水力學［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［5］李效旭，鄭 源，茅媛婷，等.基于Fluent的泵站側向前池整流數值模擬及優(yōu)化［J］.水利科技與經濟，2011（4）.

Feasibility of River-way Treatment under Full-mechanized Caving Mining Condition

ZHENG Hui1，TIANWen-shu2，LILiang3，LIZhao-long3

（1.Yankuang Group Corporation，Zoucheng 273500，China;2.Jininig Municipal HuanhuaiWater Survey＆Design Institute，Jining 272000，China; 3.Environment＆Survey School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China）

Taking themining coal-seam of Baodian Colliery under Si River as example，this paper researched influence of coal-seam mining on dyke and riverway and analyzed the feasibility of riverway treatmentaftermining by theoretical and simulation Following results were obtained Mining coal-seam under river would not only cause subsidence of river way and beach，surface fissure，but also change river way River way function could be recovered by advanced dyke reinforcement technology，fissure treatment technology and retaining wall technology.

full-mechanized cavingmining;influence bymining;river way treatment

TD823.8

A

1006-6225（2011）05-0040-03

2011－06－05

鄭 輝 （1971－），男，山東濟寧人，工程師，主要從事測量工程及開采沉陷研究工作。

［責任編輯:張玉軍］

技術經濟管理