榆橫南區(qū)地下采煤對地表水庫壩體影響的安全性研究

魏效農(nóng)，方 剛，劉 洋，劉星合，白 晶

（1.陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司，陜西 西安710065；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；

3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安710077；4.西安科技大學 地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安710054；5.陜西延長石油集團橫山魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000）

在我國西北部地區(qū)，煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良，有諸多大型煤炭生產(chǎn)基地。但區(qū)內(nèi)水資源相對匱乏，常年干旱少雨的情況使得農(nóng)業(yè)、工業(yè)及人民生活用水成為一大難題[1-2]。由煤礦生產(chǎn)帶來的礦井水污染、淺部含水層枯竭的問題日益嚴重，民生問題與礦井的發(fā)展之間的矛盾愈發(fā)激化[3-4]。

關(guān)于地下煤層開采影響地表水庫及壩體穩(wěn)定等相關(guān)方面，多年以來，諸多研究人員及學者們從不同角度、通過不同手段均開展了分析研究工作。武雄等[5]通過室內(nèi)巖石力學試驗、現(xiàn)場測試、礦井涌水量統(tǒng)計、水質(zhì)分析、理論計算和數(shù)值模擬等綜合手段，對水庫下開采形成的地面塌陷范圍和庫區(qū)水體滲漏情況進行研究，判斷壩體的安全性和穩(wěn)定性。朱偉等[6]采用現(xiàn)場實測、工程類別研究綜放開采導裂帶發(fā)育規(guī)律，技術(shù)水庫下采煤防水安全煤巖柱合理尺寸和斷層留設(shè)安全隔離煤柱尺寸，采用概率積分法和克里格差值法預測水庫開采后地表沉陷和水庫擴大淹沒范圍，并基于實測地表裂縫臨界水平變形預測地裂縫極限發(fā)育深度。王卓然等[7]通過數(shù)值模擬對水庫大壩和壩基由采煤引起的滲流問題進行研究，以壩體作為研究對象，在上游建立1 條安全限，通過控制大壩和壩基的有效保護邊界來控制開采對淺地表造成的深度和遠度。婁高中等[8]采用理論計算分析地表移動變形，預計導水斷裂帶高度，分析斷層對壩體影響，確定工作面尺寸和開采順序，確定壩體下開采技術(shù)方案，并判斷導水斷裂帶不會波及水庫水體，斷層不會影響壩體。張進等[9]通過計算導水斷裂帶高度，判斷在保護煤柱內(nèi)限厚開采可使水庫大壩受采動影響程度顯著降低，并計算出綜放工作面合理推進速度。郭文兵等[10]構(gòu)建考慮有工作面推進方向、開采尺寸、位置、開采順序和推進速度等5個因素的協(xié)調(diào)開采模型，計算兩帶高度、采厚壩體移動和變形值，并對堤壩進行動態(tài)監(jiān)測，提出水庫壩體下厚煤層放頂煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)。王玉濤[11]通過分析房柱式采空區(qū)對擬建水庫壩基的穩(wěn)定性和滲漏性的影響，認為擬建場地采空區(qū)不穩(wěn)定，在壩體荷載作用下將引起采空區(qū)“活化”；下伏采空區(qū)對擬建水庫滲流存在嚴重影響，滲漏將導致壩體失穩(wěn)。許國勝等[12]通過分析煤層覆巖破壞高度，以及影響水庫下壓煤開采安全的可能因素，包括堤體變形破壞、壩體裂縫和動態(tài)移動變形，計算發(fā)現(xiàn)堤壩將出現(xiàn)裂縫，提出控制合理開采速度、定期巡查、注漿封堵加固等措施。張彬等[13]采用統(tǒng)計分析、理論計算和工程類比相結(jié)合的方法，研究水庫下采煤的安全性和開采對水庫壩體的影響，以此有效保護地表水和地下水資源。

以上所述的關(guān)于地表水庫、壩體安全穩(wěn)定性與地下煤層開采之間相互影響關(guān)系等方面的研究觀點、內(nèi)容、成果等對煤礦區(qū)地表塌陷、建構(gòu)筑物保護等做出了一定的幫助和貢獻，但目前在陜北侏羅紀煤田榆橫南區(qū)內(nèi)煤層回采威脅地表水庫壩體穩(wěn)定的實際研究與應(yīng)用成果尚為不足，還需繼續(xù)開展更為深入的研究和探索。

1 研究區(qū)概況

魏墻煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆橫南區(qū)中北部，現(xiàn)開采一盤區(qū)3 號首層煤層的1311 工作面。

井田含煤地層為侏羅系延安組（J2y），其基底為三疊系瓦窯堡組（T3w）、侏羅系富縣組（J1f），其上覆地層還有侏羅系直羅組（J2z）和安定組（J2a）、白堊系洛河組（K1l）以及第四系（Q）松散層等。井田內(nèi)地層平緩完整，無異常及缺失變化。

井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層及煤層傾角小于1°，總體呈一NWW 向單斜層，經(jīng)前期地震勘探發(fā)現(xiàn)有3 條小于10 m 斷點（層），其中1 條已在一盤區(qū)前期工作面采掘過程中揭露驗證，不存在導水構(gòu)造，一般對采掘工程無影響，其余斷點（層）距離較遠，均在一盤區(qū)以外。

根據(jù)在礦井一盤區(qū)多年采掘經(jīng)驗，井下開采3號煤層的直接充水水源為頂板侏羅系延安組第四段和直羅組砂巖含水層水[14]，該2 層含水層富水性弱（單位涌水量q≤0.1 L/（s·m）），且在回采前均進行頂板水探放工作，各工作面歷史回采最大涌水量均未超過80 m3/h，頂板水害基本對礦井安全生產(chǎn)不構(gòu)成影響。同時，在一盤區(qū)未來開采區(qū)域及井田外部，均不存在老采空區(qū)，礦井已完成回采的相鄰工作面設(shè)置有防水密閉墻等，故不受老采空區(qū)水威脅。

井田1313 工作面為現(xiàn)開采1311 工作面的后期接續(xù)工作面，也為一盤區(qū)西南部開采的最后1 個工作面。該工作面3 號煤層平均厚度約3.0 m，埋深265.4～421.1 m，平均約372 m，煤層上覆基巖厚度約278 m。在其地表有2 座小型水庫，分別為何家溝水庫（土壩體上下寬約3.5～5 m、高約6 m，水域面積約24 394.5 m2、周長約814.5 m；水深約1.8～2.6 m、平均2 m 左右）和駱駝脖子溝水庫（土壩體上下寬約4～12 m、高約18 m，水域面積約35 275.7 m2、周長約1 543 m；水深約6～10 m、平均8 m 左右），其中，駱駝脖子溝水庫的庫容水量相對較大，在這2 座水庫下游即為民用農(nóng)田及部分民用建筑，其水庫水體均為當?shù)剞r(nóng)用及生活用水水源。研究區(qū)位置及地物特征示意圖如圖1。

圖1 研究區(qū)位置及地物特征示意圖Fig.1 Schematic diagram of the location and feature of the study area

2 土壩體安全性分析

2.1 地表移動觀測

受地表地形、建筑等條件限制，選擇在距離工作面開切眼475 m 處布置地表移動觀測站，在觀測區(qū)地表布設(shè)了1 條走向觀測線Z 線、1 條傾向觀測線A 線，礦井首采工作面地表移動觀測點布置示意圖如圖2。

圖2 礦井首采工作面地表移動觀測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of surface movement observation points in the first mining face

通過觀測得出，觀測區(qū)內(nèi)的A 線最大下沉值為1.327 m，Z 線最大下沉值為1.460 m。在此基礎(chǔ)上，換算給出了3 號煤層開采地表巖層移動參數(shù)，觀測區(qū)部分觀測時段的概率積分法參數(shù)見表1。由表1可以看出，當采空區(qū)范圍較小時，各參數(shù)的波動較大，說明其變化是不穩(wěn)定的。隨著開采范圍的擴大，各參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，說明這時候的地表移動也已基本趨于穩(wěn)定。由此可推斷，隨著采空區(qū)的不斷增大，地表的變形不會有太大變化，采空區(qū)后面地表沉降的范圍也不會有太大變化，最后2 次的測量數(shù)據(jù)表明，地表沉降已經(jīng)穩(wěn)定[15-16]。

2.2 地表開采沉陷預計

采用在我國成熟應(yīng)用的概率積分法對1313 工作面3 號煤層開采后地表沉陷進行預計[17-18]，并以此為基礎(chǔ)，對井下開采與地表2 座水庫安全性進行影響分析。

表1 觀測區(qū)部分觀測時段的概率積分法參數(shù)Table 1 The parameters of probability integral method in the observation area

出于安全角度考慮，選用礦井1301 首采工作面地表現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)中，均以地表移動變形的最大值為主。由此可選擇的地表移動變形基礎(chǔ)參數(shù)如下：地表最大下沉值ωmax取1.46 m，煤層采高m 取3.0 m，煤層傾角α=0.5°，觀測點的最大傾斜值imax取15.85 mm/m，煤層平均埋深H 取371.74 m，傾斜主斷面上最大下沉值Wcm取1 327 mm，最大下沉點處的水平移動值Uwcm取712 mm，地表水平移動的最大值umax取712 mm。

根據(jù)公式[19-20]計算，得到1313 工作面地表移動變形的參數(shù)如下：下沉系數(shù)η=0.487、主要影響角正切值tanβ=1.25、開采影響傳播角θ=61.784°、拐點偏移距d=70 m、水平移動系數(shù)b=0.488。根據(jù)上述參數(shù)，結(jié)合地表最大下沉值、傾斜值、曲率值和水平變形值計算公式[21-22]，得出1313 工作面地表2 座水庫的水壩附近（根據(jù)最近的ZK105 號鉆孔數(shù)據(jù)取煤層采厚m0=3.25 m，其它參數(shù)不變）的地表形變值，礦井1313 工作面地表沉降造成的移動變形值一覽表見表2。

表2 礦井1313 工作面地表沉降造成的移動變形值Table 2 Moving deformation values caused by surface subsidence of No. 1313 working face

2.3 地表開采沉陷對壩體安全影響

針對地表突發(fā)性塌陷，一般分為3 種情況：①當所開采的煤層深厚比較小時，采空區(qū)頂板覆巖破壞高度達到地表，導致地表塌陷[23]；②急傾斜煤層開采時，淺部煤層露頭處的抽冒導致地表塌陷[24]；③廢棄井筒、溜煤眼、井下硐室等未進行有效處理，受長期地下水和其他動力作用影響，產(chǎn)生突發(fā)性地表塌陷[25]。

顯然，本井田只有可能復合第1 種情況。而驗證其開采后覆巖破壞高度，則需預計其導水斷裂帶。根據(jù)規(guī)程、規(guī)范[26-27]公式計算，得出的裂采比（導水斷裂帶與煤層開采厚度比值）往往小于15，甚至更小，但區(qū)內(nèi)礦井開采后覆巖破壞往往會波及更高層位。依據(jù)陜北區(qū)內(nèi)開采經(jīng)驗[28-29]，綜采一次性采全高的裂采比在14.90～34.98 之間，平均約26 左右，從安全角度出發(fā)，以區(qū)內(nèi)經(jīng)驗裂采比取整（裂采比35）進行預計，則工作面開采3 號煤層后產(chǎn)生的覆巖導水斷裂帶發(fā)育高度為105 m，而根據(jù)煤層頂板覆巖厚度、地表下沉最大深度可知，井下煤層回采后形成的上型裂隙（導水斷裂帶）不會溝通地表下行裂隙（塌陷裂隙、裂縫等），故可判斷，在一般情況下，1313 工作面開采不會造成突發(fā)性的地面塌陷，區(qū)內(nèi)地表主要以采煤引發(fā)的緩慢下沉變形為主。

再對地表水庫壩體安全性進行判別，由于本文所述2 座地表水庫為土壩體，我國現(xiàn)行規(guī)范中尚無對土質(zhì)水壩破壞評判標準，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[27]第二十條中的附表3 內(nèi)容，對1313 工作面井下3 號煤層開采后地表2 座水庫的水壩的損壞等級進行判別。結(jié)合前文預計數(shù)據(jù)以及規(guī)范中地表形變值量化等級發(fā)現(xiàn)，地下煤層回采后造成的地表變形將至少導致2座水庫土壩體破壞至“IV 級-嚴重或極度嚴重損壞”（損壞由輕微到嚴重共I～IV 級，IV 級為最高級），該級別規(guī)定數(shù)值范圍為：水平變形ε＞6.0 mm/m，傾斜i＞10.0 mm/m，曲率k＞0.6×10-3/m。

由此可見，對于1313 工作面地表的2 座水庫而言，無論是根據(jù)其垂向下沉還是根據(jù)其水平變形預計情況判斷，這2 座水庫的水壩壩體在井下工作面回采至相應(yīng)位置附近時，由于地表塌陷、移動變形，水庫土壩體勢必會產(chǎn)生極度嚴重損壞，由此將造成壩毀潰水的后果，并可能造成一定規(guī)模的經(jīng)濟損失甚至人身安全危害，煤礦必須提前采取相應(yīng)措施，確保地表人員財產(chǎn)安全不受侵害。

3 不同水體對工作面開采影響

3.1 地下水的影響

根據(jù)前文所述，礦井導水斷裂帶預計發(fā)育最大高度為105 m，而3 號煤層頂板侏羅系延安組第四段地層平均厚度約82.7 m，直羅組地層厚度約115.5 m，屆時導水斷裂帶將波及到侏羅系延安組第四段和直羅組部分砂巖含水層，該2 層含水層富水性均相對較弱。在礦井每1 個工作面開采前均會進行頂板水探放工作[14]，待工作面開采時，雖仍會有一定的頂板砂巖含水層水進入工作面，但總體水量有限，一般不會對礦井安全生產(chǎn)造成威脅。

3.2 地表水的影響

根據(jù)導裂帶發(fā)育高度與地層關(guān)系，在侏羅系直羅組地層上還有侏羅系安定組、白堊系洛河組等基巖層約80 m 左右，其上為厚超過100 m 的第四系松散層，故導水斷裂帶這類“上行裂隙”不會溝通第四系，更不會溝通地表。

而井下開采造成的地表塌陷將形成“下行裂隙”，一般平行于采空區(qū)邊界發(fā)展。地表裂縫深度與巖性及采深采厚比等因素有關(guān)，地表裂縫深度主要通過實測獲得本礦區(qū)的經(jīng)驗值，由于本礦井未進行地表裂縫深度的實測值，可以參考陜北地區(qū)或我國其他礦區(qū)、礦井的實測或經(jīng)驗值，并以此作為本次評價中“下行裂隙”預計的數(shù)據(jù)依據(jù)。根據(jù)參考資料可知，國內(nèi)現(xiàn)已知的地裂縫深一般約1.0～5.0 m，特殊條件的部分礦區(qū)可達30～70 m[30]，而在陜北地區(qū)的淺埋煤層地面塌陷形成的地裂縫深度一般為10 m左右[31]，且本次研究區(qū)屬近中埋礦井，地裂縫發(fā)育深度往往比淺埋煤層較小，但處于安全角度考慮，按照10 m 計算。由此，在該情況下計算，地裂縫不會穿透松散層，也不會溝通導水斷裂帶；從極端情況考慮，2 座水庫中，最大的駱駝脖子溝水庫水深6～10 m，即使在水庫最深處，裂隙下行發(fā)展，也難以貫穿100 m 第四系及下伏的基巖層。同時，工作面范圍內(nèi)不存在斷層等地質(zhì)構(gòu)造，故可判斷3 號煤層開采后形成的導水斷裂帶不會溝通至地表，大氣降水和地表水體不會影響礦井工作面開采。

但根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，2 座水庫均有一定的水量，且根據(jù)分析，1313 工作面回采后會造成水庫土壩體的嚴重損壞（判別標準為磚混結(jié)構(gòu)建筑物，土質(zhì)結(jié)構(gòu)壩體可能損壞更為嚴重），若不提前采取措施，將造成水庫大量水體外泄，淹沒下游農(nóng)田、建筑物甚至更嚴重后果，并將造成惡劣的社會影響，故需在礦井開采前采取相關(guān)措施進行有效防治，避免災(zāi)害發(fā)生。

4 井上下防治水措施

4.1 井下防治

針對井下水害防治而言，目前相對較為簡單，根據(jù)《煤礦防治水細則》[32]、《煤礦安全規(guī)程》[33]等要求，必須對工作面未來回采主要面臨的頂板水害進行防治，嚴格遵守“三專、兩探、一撤”制度，并采取探、防、疏、排、監(jiān)等綜合防治措施。在此過程中，還應(yīng)提前通過工作面涌水量預測，布設(shè)好相應(yīng)的排水系統(tǒng)（設(shè)備、管路、水倉等），健全礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)，完善礦井水化學數(shù)據(jù)庫，切實做到井下對頂板砂巖含水層水的科學有效防治。

4.2 地表防治

1）與當?shù)卮迕駵贤?，進行經(jīng)濟或其他補償，完成水庫水體的采前疏放。

2）實時加固地表水庫邊坡、壩體、道路等工程，一定程度上減小或彌補開采沉陷造成的破壞。

3）地表水庫及壩體的監(jiān)測和修復，在回采至地表水庫附近區(qū)域時，進行24 h 監(jiān)控，防止意外事件發(fā)生，提前準備修復工具、器械、材料準備隨時修復水庫及壩體。

4）合理布置開采規(guī)劃，盡量避免或錯開在雨季及豐水期開采地表的2 座水庫及附近區(qū)域，最大限度地減少大氣降水、地表水對水庫及壩體的影響。

5）開采工藝的調(diào)整，在井下開采臨近地表水庫及壩體區(qū)域時，應(yīng)加快開采速度及限制開采煤層高度，以此降低地表下沉變形程度和速度，有效減小采動造成的地表移動變形。

5 結(jié) 語

1）判斷3 號煤層頂板侏羅系延安組第四段和直羅組砂巖含水層為1313 工作面開采時的主要充水水源，覆巖導水斷裂帶為主要充水通道，且大氣降水、地表水體不會被溝通導入井下工作面。

2）1313 工作面開采3 號煤層后將造成地表水庫土壩體的嚴重破壞。

3）對1313 工作面開采提出“探、防、疏、排、監(jiān)”等井下防治水安全措施；對井下開采可能造成的地表水庫及土壩體危害提出疏放水體、加固工程、監(jiān)測修復、規(guī)劃開采布置、局部調(diào)整開采工藝等保護措施。