石門(mén)河下采煤對(duì)河堤的安全性分析

張彥賓，李德海，賈安立，李景方

(1.河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南焦作 454000;2.河南煤化集團(tuán)趙固一礦，河南新鄉(xiāng) 453634)

石門(mén)河下采煤對(duì)河堤的安全性分析

張彥賓1，李德海1，賈安立2，李景方1

(1.河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南焦作 454000;2.河南煤化集團(tuán)趙固一礦，河南新鄉(xiāng) 453634)

石門(mén)河位于趙固一礦首采區(qū)內(nèi)，解放石門(mén)河下煤炭資源迫在眉睫，而河堤下開(kāi)采在保證煤礦安全生產(chǎn)的前提下，必須保護(hù)水資源和河堤的安全使用。在確定開(kāi)采方案的基礎(chǔ)上，選用礦區(qū)實(shí)測(cè)得出地表移動(dòng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，針對(duì)各階段開(kāi)采對(duì)石門(mén)河河堤造成的危害性進(jìn)行了分析，根據(jù)危害程度計(jì)算出河堤加固的土方量和土體裂縫長(zhǎng)度，然后建立FLAC3D模型對(duì)河堤的滲流進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明水不會(huì)滲出堤外。研究結(jié)果對(duì)堤下采煤具有一定的指導(dǎo)意義，為開(kāi)采沉陷的堤壩治理提供了科學(xué)依據(jù)。

河堤;沉陷預(yù)計(jì);滲流;數(shù)值模擬

1 石門(mén)河及地質(zhì)狀況概述

趙固一礦位于焦作煤田東部，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為2.4 Mt/a。礦井開(kāi)采的二1煤層，屬近水平發(fā)育的穩(wěn)定型厚煤層，煤層傾角2～6°。趙固一礦首采區(qū)范圍內(nèi)分布有貫穿南北的石門(mén)河流及5個(gè)村莊。受石門(mén)河影響的工作面有4個(gè)，共計(jì)壓煤面積為1208200m2，共壓煤9.11Mt。根據(jù)測(cè)量，石門(mén)河河堤右岸較完好，堤高為1.5～2.4m，河堤頂寬2.7～3.7m，河堤內(nèi)坡角較緩，外坡角較陡，約為55°;左岸堤高1.5～2.2m，河堤頂寬1.5～3m，橋下游已無(wú)河堤，且橋上游部分河堤損毀嚴(yán)重。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，河水流量為24.5m3/s。趙固礦區(qū)被巨厚松散層覆蓋，石門(mén)河是該礦首采區(qū)上部的惟一河流，在采煤過(guò)程中難免會(huì)破壞該河堤，造成水體外溢淹沒(méi)農(nóng)田村莊。

2 開(kāi)采方案的確定及預(yù)計(jì)結(jié)果

地表移動(dòng)變形沉陷預(yù)計(jì)應(yīng)先確定回采區(qū)域范圍、預(yù)計(jì)參數(shù)，然后運(yùn)用概率積分法預(yù)計(jì)出在不同的開(kāi)采順序下地表的沉陷情況。根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)的基本原理，概率積分法預(yù)計(jì)所需的幾個(gè)預(yù)計(jì)參數(shù)為:下沉系數(shù)q、主要影響角正切tan β、水平移動(dòng)系數(shù)b、開(kāi)采影響傳播角θ和拐點(diǎn)偏移距s等。趙固一礦屬新建礦井，根據(jù)首采工作面觀測(cè)資料和擬合結(jié)果，巖移參數(shù)可參照下列數(shù)值取值:下沉系數(shù)q=0.98;地表水平移動(dòng)系數(shù)b=0.32;主要影響角正切tanβ=3.07;松散層厚度480m;松散層移動(dòng)角φ=42°;松散層泊松比μ=0.3;煤層厚度m=3.5m;采深、巖性系數(shù)c=8.3;拐點(diǎn)偏移距s=－0.05H。

為了研究問(wèn)題的方便，把石門(mén)河河堤適當(dāng)簡(jiǎn)化，并定出了計(jì)算的起始點(diǎn)，如圖1所示。根據(jù)確定的開(kāi)采方案分4個(gè)階段進(jìn)行預(yù)計(jì)。預(yù)計(jì)階段一:回采11011，11051工作面;預(yù)計(jì)階段二:回采11011，11051，11091工作面;預(yù)計(jì)階段三:回采11011，11051，11091，11031工作面;預(yù)計(jì)階段四:回采11011，11051，11091，11031，11071工作面。

圖1 河堤簡(jiǎn)化工作面布置

根據(jù)以上所選取的參數(shù)值，運(yùn)用概率積分法，得到地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)結(jié)果。各階段開(kāi)采后，石門(mén)河河堤也將隨之發(fā)生下沉和變形，為了保證石門(mén)河河水不溢出河道及維持河道功能正常運(yùn)行，需要提前根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果的下沉值對(duì)河堤進(jìn)行土方回填加固。地表移動(dòng)變形及加固土方量計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 預(yù)計(jì)結(jié)果及土方量

圖2，圖3所示是開(kāi)采階段三和四河堤的最大水平變形剖面圖。

圖2 預(yù)計(jì)階段三工作面開(kāi)采后左右河堤剖面最大水平變形曲線(xiàn)

圖3 預(yù)計(jì)階段四工作面開(kāi)采后左右河堤剖面最大水平變形曲線(xiàn)

由表1可知，工作面11011，11031，11051，11071，11091開(kāi)采后，左側(cè)河堤最大下沉值為3255mm，右側(cè)河堤最大下沉值為3228mm，土方工程量為99366.7m3。文獻(xiàn) ［9］規(guī)定:河堤的允許拉伸變形為6mm/m;極限拉伸變形為9mm/m。由表1可知，開(kāi)采階段二最大拉伸變形為14.6mm/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)程規(guī)定的6mm/m的允許值和9mm/m的極限值。所以，在回采11031工作面時(shí)要提前對(duì)河堤加固并及時(shí)檢查。開(kāi)采階段四左河堤最大拉伸變形為5.5mm/m，右河堤最大拉伸變形為5.7mm/m，說(shuō)明全采結(jié)束后拉伸裂縫部分閉合。

3 開(kāi)采對(duì)河堤穩(wěn)定性的影響分析

在開(kāi)采過(guò)程中及開(kāi)采完成后必然導(dǎo)致河堤下沉，而且因水平變形引起的拉伸和壓縮會(huì)毀壞河堤，因此，根據(jù)預(yù)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)提前采取河堤加高、加固措施［8］。

3.1 下沉對(duì)河堤影響

下沉最主要的影響是由于河堤的下沉導(dǎo)致水溢出，從而造成村莊、農(nóng)田被淹。均勻的下沉對(duì)河堤的安全性影響不大，根據(jù)沉陷預(yù)計(jì)提前加高河堤可以避免河堤因沉陷造成河水外溢。對(duì)于不均勻的下沉可能在一些情況下河堤加高不到位，造成河水外溢沖毀河堤，但是準(zhǔn)確的沉陷預(yù)計(jì)和及時(shí)加高河堤能夠有效地防止安全事故發(fā)生。

3.2 河堤處裂縫分析

在采動(dòng)過(guò)程中，河堤受到動(dòng)態(tài)影響，形成動(dòng)態(tài)裂縫。隨著回采的進(jìn)行，工作面前方的裂縫動(dòng)態(tài)閉合，回采工作結(jié)束，形成最終的地表裂縫。由于回采工作面上方地表裂縫區(qū)是隨工作面推進(jìn)而同步前移，在該區(qū)內(nèi)的任意一條裂縫從產(chǎn)生到開(kāi)始閉合要經(jīng)歷工作面推進(jìn)一個(gè)裂縫區(qū)寬度所需的時(shí)間，從開(kāi)始閉合到完全閉合同樣要經(jīng)歷工作面推進(jìn)一個(gè)裂縫區(qū)寬度所需的時(shí)間。因此，裂縫從產(chǎn)生到閉合所持續(xù)的時(shí)間可用下式計(jì)算:

式中，T為裂縫持續(xù)時(shí)間，d;L為工作面上方裂縫區(qū)最大寬度 (裂縫帶寬度一般為40～70m);v為工作面推進(jìn)速度，m/d。

采空區(qū)上覆巖體變形時(shí)在其中產(chǎn)生寬闊的拉伸和壓縮變形區(qū)，而且不形成明顯的平行于層面的中性層。盡管水平變形的符號(hào)沿豎直線(xiàn) (圖4)P1，P11和P2，P22是變化的，但它與薄層彈性梁的變形不同，拉伸帶是沿對(duì)角方向由巖體的下部向上部邊緣延伸，水平變形沿豎向方向是逐漸減小的。

在地表拉伸區(qū)位置，沿豎向方向變形εz則是壓縮變形，且隨著深度增大而增大。因此肯定存在一個(gè)面，在該面上 εz+εx=0，且 εx＜εJ，εx為 x 方向的移動(dòng)變形;εz為z方向的移動(dòng)變形;εJ為土產(chǎn)生裂縫的極應(yīng)變值;地表裂縫發(fā)育至該面終止。

圖4 采動(dòng)巖體中水平移動(dòng)的分布

根據(jù)土的極限平衡條件和摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則可知，產(chǎn)生裂縫的深度按照下面公式計(jì)算:

式中，h為裂縫深度;μ為材料的泊松比;E為材料的彈性模量;C為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;γ為密度，N/m3。

根據(jù)該礦表土層的物理力學(xué)性質(zhì)，E=13.1MPa，μ=0.30，C=0.029MPa，φ =18°，γ=15876N/m3，由公式可得εJ=7.92mm/m，裂縫深度γ約為5.027m。考慮到土體物理力學(xué)參數(shù)的差異，所計(jì)算的裂縫深度會(huì)發(fā)生一定變化，有時(shí)裂縫深度可達(dá)6m以上。

裂縫始終從地表面開(kāi)始，不會(huì)從土體內(nèi)部某一深度處產(chǎn)生，土體內(nèi)部一般只產(chǎn)生層面之間的離層現(xiàn)象。因此，裂縫的切割深度線(xiàn)與地表面起伏一致，即無(wú)論地表面如何起伏，裂縫深度基本一致。

4 河堤滲流數(shù)值模擬分析

為了研究在水壓變化的情況下，河堤及河堤下土層的滲流情況和最大水頭梯度建立了FLAC3D滲流數(shù)值模型［5－7］。滲流預(yù)計(jì)方案:河堤頂寬 3m，坡角1∶4，河堤縱向長(zhǎng)度按50m預(yù)計(jì)，河堤底部厚度按10m預(yù)計(jì)，橫向長(zhǎng)度按103m預(yù)計(jì)，共劃分10580個(gè)單元。河堤、河床的滲流預(yù)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

堤頂安全超高值不應(yīng)小于2m，所以，在模擬時(shí)河堤頂部以下2m受河水影響，以上不受影響。滲流方案預(yù)計(jì)模型見(jiàn)圖5，預(yù)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖6。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算可知，河堤滲流最大水頭梯度為0.276，河堤下土層最大水頭梯度0.301。

河堤下土層臨界水頭梯度Icr按修正的Tersaghi公式計(jì)算，即

式中，Gs為比重;n為孔隙率。取安全系數(shù)m=3，則河堤下土層允許水頭梯度［I］=Icr/m=0.38627。

表2 河堤、河床滲透參數(shù)

圖5 滲流預(yù)計(jì)方案模型

圖6 滲流區(qū)域水頭等色圖

對(duì)河堤土層滲流，令θ為坡角，則臨界水頭梯度Icr計(jì)算為:

取安全系數(shù)m=3，則河堤土層允許水頭梯度:［I］=Icr/m=0.3748。

河堤下土層的允許水頭梯度為0.38627，大于數(shù)值模擬結(jié)果，說(shuō)明河水不會(huì)從河堤滲流到堤外;河堤土層的允許水頭梯度為0.3784，大于數(shù)值模擬的結(jié)果，說(shuō)明河水不會(huì)從河堤土層滲流到堤外。

5 結(jié)論

(1)由首采面觀測(cè)的數(shù)據(jù)擬合出地表移動(dòng)參數(shù)預(yù)測(cè)在工作面開(kāi)采的各個(gè)階段對(duì)石門(mén)河河堤產(chǎn)生影響，并根據(jù)預(yù)計(jì)下沉值計(jì)算出各開(kāi)采階段的河堤加高的土方量。

(2)根據(jù)各個(gè)階段開(kāi)采對(duì)河堤產(chǎn)生不同影響，當(dāng)開(kāi)采階段二時(shí)，地表產(chǎn)生水平變形對(duì)河堤破壞較大，也最劇烈，應(yīng)提前加固河堤，并做好地表觀測(cè)工作。

(3)根據(jù)土的極限平衡條件，得出土的極應(yīng)變值和河堤的裂縫深度為5.027m，在采礦過(guò)程中要及時(shí)處理裂縫，防止河堤漏水。

(4)通過(guò)對(duì)河堤建立數(shù)值模型求出了河堤滲流最大水頭梯度為0.276，運(yùn)用Tersaghi公式對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出河水不會(huì)從河堤土層滲流到堤外，在采取有效安全措施的情況下石門(mén)河下采煤是安全的。

［1］何國(guó)清，楊 倫，凌賡娣.開(kāi)采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［2］李德海.巨厚松散層下條帶開(kāi)采技術(shù)研究［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

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［9］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

Dyke Safety Analysis of Coal Mining under Shimen River

ZHANG Yan-bin1，LI De-hai1，JIA An-li2，LI Jing-fang1
(1.Energy School，Henan University of Polytechnic，Jiaozuo 454000，China;2.Zhaogu 1st Mine，Henan Coal＆ Chemical Group，Xinxiang 453634，China)

1st mining area of Zhaogu 1st Mine is under Shimen River，so it is very urgent that mining coal under the river.Not only safe mining，but also water resource and dike safety must be ensured.Applying surface movement parameters from on-site observation data，surface subsidence was predicted on the basis of mining projection and influence of mining at different phrases on dike was analyzed.Earth volume for reinforcement and earth crack length was calculated by influence degree.FLAC3Dwas applied to simulating dike seepage.Results showed that water would not ooze from dike.This provided scientific reference for mining coal under dike.

river dyke;subsidence prediction;seep;numerical simulation

TD823.23

A

1006-6225(2012)03-0070-04

2012－02－27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41072225)

張彥賓 (1979－)，男，河北邢臺(tái)人，博士研究生，主要從事巖層移動(dòng)與“三下”采煤等方面的教學(xué)與科研工作。

［責(zé)任編輯張玉軍］