胡家山水庫壓覆煤礦的影響分析

肖對勇

(昭通市水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昭通 657000)

胡家山水庫位于昭通市鎮(zhèn)雄縣塘房鄉(xiāng)大擢魁辦事處水稗田村，大壩設(shè)在烏江源頭支流潑機(jī)河上游的左岸支流胡家山小河上。壩址以上徑流面積 30.1km2，多年平均徑流量2200萬m3。

胡家山水庫大壩為混凝土面板堆石壩，壩高63.2m，壩頂長268m，總庫容1542.3萬m3，可解決5.69萬人、2.85萬頭牲畜飲水困難，灌溉農(nóng)田2333.33hm2。水庫的建設(shè)，對改善當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳a(chǎn)、生活條件，加快脫貧致富步伐具有重大意義。

在建設(shè)前期，由于庫區(qū)及徑流區(qū)分布有多個正在生產(chǎn)的小煤礦，為了分析論證煤礦采空區(qū)及待開采對成庫條件及工程布置的影響，合理布置樞紐建筑物，設(shè)計單位對煤礦采空區(qū)的勘探分析研究做了大量工作，經(jīng)過多方努力最終實現(xiàn)了工程的落地實施。

1 水庫建設(shè)存在的問題

水庫工程的建設(shè)，涉及最為重要的問題就是礦產(chǎn)壓覆及開采。

本工程外業(yè)調(diào)查及資料情況顯示，胡家山水庫庫區(qū)及徑流區(qū)全部位于煤田上部，主要分布在東源塘房礦井開采范圍內(nèi)，少部分位于河對門煤礦和后山煤礦開采范圍內(nèi)。徑流區(qū)周邊的小煤礦主要為垮山丫口煤礦、胡家地煤礦、大石包煤礦、財源煤礦、高坡煤礦、長運煤礦、福安煤礦、永興煤礦、嶺興煤礦、羅坪煤礦、甜蕎地煤礦。針對工程區(qū)現(xiàn)狀情況，為保證在水庫工程建設(shè)期及蓄水后不產(chǎn)生安全問題，需要解決的問題如下。

(1)查明煤礦采空區(qū)對水庫蓄水的影響范圍；查明煤礦開采對水庫樞紐區(qū)的影響范圍。做好選址論證工作，做到水庫蓄水的可行性、安全性。不因后期水庫蓄水造成滲漏，給工程帶來不必要的安全隱患。

(2)根據(jù)水庫壩址選址位置，確定各煤礦開采界限，劃定工程區(qū)保護(hù)范圍；在明確了采空區(qū)邊界及劃定開采邊界后，根據(jù)工程區(qū)保護(hù)范圍，才能合理布置水庫樞紐建筑物。

本水庫工程建設(shè)的前提是解決上述2個問題，只有把問題解決了，才能開工建設(shè)水庫工程。

2 勘探分析研究

2.1 勘探煤礦開采界限

根據(jù)以往勘察成果、煤礦開采情況、現(xiàn)場工作的基本條件、擬探測目標(biāo)體的物性特征等各項要素，本次工作選取了以瞬變電磁法、大地電磁法、激發(fā)極化電測深法探查為主，輔以地質(zhì)調(diào)查以及結(jié)合已有資料分析多手段相結(jié)合的綜合工程物探方法。

地質(zhì)調(diào)查主要針對第四系地層的分布、厚度；基巖的分布、厚度及下井對煤礦開采情況進(jìn)行調(diào)查，旨在為后期的物探測線布置提供指導(dǎo)。調(diào)查主要采用人工地面掃描性的巡查方式、向當(dāng)?shù)刂檎邔ぴL及井下調(diào)查測量方式。現(xiàn)場調(diào)查及鉆探資料顯示：探測區(qū)可采煤層主要賦存高程為1470～1530m。

本次物探工作主要是針對隱伏于地面以下的煤礦開采情況進(jìn)行探測。試驗表明：沒有進(jìn)行開采活動的含煤巖系地層的視極化率值在11%以上，而煤礦采空后的含煤巖系地層的視極化率值在10%以下；煤礦采空后的含煤巖系地層的視電阻率值比沒有進(jìn)行開采活動的含煤巖系地層的視電阻率值要高。根據(jù)采區(qū)地層這一物性特點，選取對含煤巖系地層的視電阻率、視極化率變化反應(yīng)靈敏度較高的瞬變電磁法、大地電磁測深法、激發(fā)極化電測深法進(jìn)行探測。

在應(yīng)用上述多手段時，即以資料分析→地質(zhì)調(diào)查→物探→鉆探為主要路線，同時根據(jù)逐步認(rèn)識情況，互動內(nèi)插進(jìn)行，各手段互為指導(dǎo)、互為驗證。

2.1.1地質(zhì)調(diào)查

由井下調(diào)查、測量工作以及煤礦業(yè)主提供的煤礦采掘工程平面圖可知：胡家山水庫庫區(qū)及徑流區(qū)全部位于鎮(zhèn)雄礦區(qū)煤礦北部井田東段內(nèi)，地理位置：北緯27°28′45″～27°33′45″；東經(jīng)104°54′22.5″～105°02′20″。近壩庫岸及渠首區(qū)域的可采煤層主要賦存高程為1460～1530m，煤層平均可采厚度1.5～2.0m左右。煤礦業(yè)主提供的采空區(qū)為1#、2#、3#區(qū)域。但根據(jù)井下調(diào)查，采空區(qū)不僅僅是1#、2#、3#區(qū)域所標(biāo)示的范圍。地表見3條裂縫，應(yīng)屬于采空區(qū)塌陷引起。故需通過物探手段加以核實，以規(guī)避煤礦采空塌陷區(qū)危害胡家山水庫樞紐工程的可能，確保水庫安全。

2.1.2物探法

物探法采用3種方式進(jìn)行，結(jié)果見表1—3。

由表1—3可知，S1—S1′、S2—S2′、S3—S3′、S6—S6′、D1—D1′、D2—D2′、D4—D4′、J3—J3′、J4—J4′、J5—J5′、J6—J6′、J7—J7′等剖面下部存在煤礦采空區(qū)。煤礦開采界限勘探布置如圖1所示。

圖1 煤礦開采界限勘探布置示意圖

表1 瞬變電磁法成果

2.1.3鉆探法

根據(jù)物探法測定的21條剖面，其中有12條剖面下部存在煤礦采空區(qū)，為確定驗證采空區(qū)，通過鉆探手段進(jìn)一步核實。本次鉆探布置點主要針對存在煤礦采空區(qū)的點位進(jìn)行，共布置18個鉆探點，累計進(jìn)尺1714.5m，注水試驗17段，壓水試驗157段，地質(zhì)編錄鉆孔18個，穩(wěn)定水位觀測18次，鉆探結(jié)果見表4。

表2 大地電磁測深法

表3 激發(fā)極化電測深法

表4 鉆孔水位觀測成果 單位：m

從壓(注)水試驗成果可以看出：第四系覆蓋層為強(qiáng)透水-中等透水，滲透系數(shù)K=3.71×10-2～4.47×10-4cm/s，強(qiáng)-弱風(fēng)化基巖為強(qiáng)透水～微弱透水，透水率q=0.48～168.42Lu，以中等透水為主。煤層壓水試驗中等透水～弱透水，透水率q=1.82～20.69Lu，以弱透水為主。

通過鉆探，驗證了煤礦采空區(qū)分布于胡家山水庫壩址區(qū)左岸，范圍已至擬定大壩左壩肩壩腳，垂直投影壩體與采空區(qū)有小部分重疊，采空區(qū)空間面積大，頂板塌落已致地表開裂變形，主要的裂逢有3條，采空區(qū)塌陷已對擬定壩線處左壩肩構(gòu)成安全威脅。

2.2 勘探成果分析

2.2.1對水庫蓄水的影響分析

根據(jù)庫區(qū)及周邊煤田勘探鉆孔ZK1606、ZK1707、ZK1809、ZK1907、ZK2007資料，庫區(qū)及周邊可采煤層為C5b煤層、C6a煤層。根據(jù)《鎮(zhèn)雄煤礦北部井田東段C5b煤層底板等高線與儲量計算平面圖》，C5b煤層頂板在庫區(qū)分布高層在1500～1530m，胡家山水庫庫區(qū)地面高程在1569～1625m，中間巖層厚度60～125m，最薄處位于壩前，厚60m(已扣除4m的沖積層)，大多在70～90m，庫尾處最厚。

根據(jù)計算預(yù)測，庫區(qū)煤層開采采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大高度在45m左右，主要發(fā)育在長興組內(nèi)，少量垮入卡以頭組，導(dǎo)水裂縫帶未直接與庫水連通，期間分布有厚8～59m的卡以頭組(T1k)隔水巖層。綜合考慮地表巖體風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育深度(弱風(fēng)化上部)，采空區(qū)地表沉陷地面裂縫、蓄水后庫水壓力(最大水頭58m)，判斷庫區(qū)煤層開采后存在庫水沿裂隙下滲到礦坑的可能。

因此，滿足成庫條件(水庫蓄水)條件，胡家山水庫庫區(qū)下部煤層應(yīng)禁止開采。

2.2.2對樞紐區(qū)的影響分析

樞紐區(qū)下部煤層為夾層產(chǎn)出，其產(chǎn)狀與場地巖石一致，傾角5°，屬于緩傾斜煤層，煤層上部覆蓋層厚，煤礦開采其巷道進(jìn)洞基本上均分布在兩側(cè)山坡上，一般采用長壁式或偽長壁式開挖，巷道呈多層近平硐與微斜分布。在此地質(zhì)與開采方式下，頂板順層移動滑塌較易，單巷道上產(chǎn)生的移動盆地范圍不大，多層巷道垮塌形成的移動變形會有疊加，呈地塹型。通過對庫區(qū)及樞紐區(qū)多種方法的工程勘察，并對采空區(qū)塌落度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：水庫樞紐區(qū)左岸存在煤礦采空區(qū)，范圍已至擬定大壩左壩肩壩腳，垂直投影壩體與采空區(qū)有小部分重疊；采空區(qū)空間面積大，頂板塌落已致地表開裂變形，采空區(qū)塌陷已對擬定壩線處左壩肩構(gòu)成安全威脅;采空區(qū)與壩前水庫正常水位高差140m，滲徑110m，勘察試驗表明水庫至采空區(qū)之間的砂泥巖隔水層完整，并有穩(wěn)定高于正常蓄水位的地下水位存在。

按極值計算方法，胡家山水庫樞紐區(qū)下C5b煤層開采采空區(qū)地表下沉、移動與變形值見表5。

根據(jù)表5，煤層開采對地表的影響程度較嚴(yán)重，地表主要變形值均超過胡家山水庫樞紐區(qū)各水工建筑物的允許變形值(允許最大水平變形εcm<6mm/m)，不滿足工程安全的要求。

表5 地表下沉、移動與變形的預(yù)測結(jié)果

因此，胡家山水庫樞紐區(qū)下煤層應(yīng)禁止開采。

3 影響分析的成果

3.1 解決水庫建設(shè)與煤礦開采矛盾的處理措施

為解決煤礦開采對胡家山水庫工程的影響，當(dāng)?shù)卣扇×艘韵麓胧?/p>

(1)當(dāng)?shù)卣c煤礦方簽訂了協(xié)議，關(guān)閉部分小煤礦，讓出胡家山水庫建設(shè)壓覆煤田資源區(qū)。

(2)在確保水庫運行和煤礦開發(fā)“雙安全”的前提下，科學(xué)合理做出煤礦禁采邊界，留足水庫禁采區(qū)，并由國土、安監(jiān)、煤炭等部門負(fù)責(zé)監(jiān)管。

(3)劃定胡家山水庫水源地保護(hù)區(qū)，并制定嚴(yán)格的保護(hù)制度，做好水土保持工作。

3.2 根據(jù)工程區(qū)保護(hù)范圍，合理布置樞紐建筑物

根據(jù)勘探結(jié)果，對樞紐建筑物進(jìn)行了重大調(diào)整，具體調(diào)整方案為:在已擬定壩軸線的基礎(chǔ)上，壩軸線右壩肩不動，左壩肩向上游偏轉(zhuǎn)180m；將永久建筑物溢洪道、輸水隧洞調(diào)整到右岸，臨時建筑物導(dǎo)流隧洞仍布置于左岸。

(1)調(diào)整前樞紐主要建筑物布置。樞紐主要由砼面板堆石壩、輸水隧洞、表孔溢洪洞、導(dǎo)流隧洞組成。輸水隧洞、表孔溢洪洞、導(dǎo)流隧洞均布置在左岸。大壩壩頂長231m，最大壩高63.0m；表孔溢洪洞設(shè)計最大下泄流量175m3/s，距大壩左壩肩21.5m，總長248.853m；輸水隧洞設(shè)計引用流量2.2m3/s，進(jìn)口底板高程1591.50m，底板坡降i=5/1000，洞身斷面型式采用1.5m×1.8m的圓拱直墻式城門洞形，總長461m。導(dǎo)流洞位于表孔溢洪洞及輸水隧洞的中間，枯期導(dǎo)流流量12.4m3/s，進(jìn)口底板高程1578.00m，底板坡降i=24/1000，洞身斷面為1.6m×2.2m的圓拱直墻型，導(dǎo)流隧洞全長493.306m，增加堆石用量與總投資的前提，采用縮小下游堆石區(qū)尺寸并在上游下部新增一個堆石分區(qū)的方法另擬定了6個壩料分區(qū)方案，通過二維有限元計算并結(jié)合目標(biāo)函數(shù)判別共同評價分區(qū)布置優(yōu)化效果，得到以下結(jié)論。

(2)調(diào)整后樞紐主要由砼面板堆石壩、輸水隧洞、溢洪道、導(dǎo)流隧洞組成。輸水隧洞、溢洪道均布置在右岸，導(dǎo)流隧洞布置在左岸。大壩壩頂長268m，最大壩高63.20m；溢洪道軸線距大壩右壩肩10.40m，最大下泄流量175m3/s，總長426.528m。輸水隧洞布置在右岸山體內(nèi)，設(shè)計引用流量2.2m3/s，進(jìn)口底板高程1591.50m，底板坡降i=1/1000，洞身斷面型式采用1.6m×1.9m的圓拱直墻式城門洞形，總長230m。導(dǎo)流隧洞布置在左岸山體內(nèi)，進(jìn)口底板高程1580.00m，底坡i=15/1000，洞身斷面為1.8m×2.5m的圓拱直墻型，導(dǎo)流隧洞全長513m。

(3)調(diào)整后的大壩距離煤礦采空區(qū)大于70m，樞紐建筑物避開了煤礦采空區(qū)塌陷影響和左岸B2崩塌滑坡體影響，通過邊坡穩(wěn)定及模型模擬分析，水庫樞紐建筑物是安全的。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對胡家山水庫工程周邊的煤礦采空區(qū)分析研究，劃定開采界限和保護(hù)范圍，合理布置樞紐建筑物具有重要意義，本工程已于2015年12月30日下閘蓄水，至今已蓄水安全運行了5 a。其勘探方法以及政府與煤礦方的處理方式，對于其它類似情況的水利工程具有借鑒意義。