采煤沉陷對(duì)泵站平臺(tái)影響的理論計(jì)算與監(jiān)測(cè)對(duì)比研究*

化曉鋒

(南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109)

自由垮落法管理頂板開(kāi)采方式開(kāi)采地下煤炭資源必然會(huì)引起較大范圍的地面沉降，由此會(huì)對(duì)沉降范圍內(nèi)地表建(構(gòu))筑物的安全穩(wěn)定性及環(huán)境產(chǎn)生一定的不良影響[1-4]。關(guān)于煤層開(kāi)采造成的開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)，諸多研究者運(yùn)用不同手段進(jìn)行了分析研究工作，如現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[5-6]、概率積分法[7-8]、數(shù)值模擬[9-10]及相似模型等[11-12]。其中，概率積分法以其計(jì)算形式簡(jiǎn)單、理論性強(qiáng)和結(jié)果可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)目前已成為國(guó)內(nèi)最為常用的煤礦開(kāi)采地表移動(dòng)量化預(yù)測(cè)方法[7-8,13-14]。為此，本文以南水北調(diào)東線二級(jí)泵站廠區(qū)平臺(tái)南部存在高莊煤礦開(kāi)采為研究背景，采用概率積分法分析開(kāi)采沉陷對(duì)廠區(qū)平臺(tái)的影響并進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與現(xiàn)場(chǎng)地表布設(shè)的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探究高莊煤礦開(kāi)采沉陷可能影響泵站安全穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 工程概況

南水北調(diào)東線工程從江蘇揚(yáng)州附近長(zhǎng)江下游干流抽引長(zhǎng)江水，進(jìn)入南四湖下級(jí)湖，經(jīng)二級(jí)壩泵站提水進(jìn)入上級(jí)湖[15-16]。二級(jí)壩泵站是南水北調(diào)東線工程的第10級(jí)抽水梯級(jí)泵站，工程場(chǎng)地位于蘇魯兩省邊界處的南四湖，是南水北調(diào)東線工程的重要調(diào)蓄水庫(kù)和蘇魯兩省分水地點(diǎn)。二級(jí)壩泵站為大(1)型泵站，是南水北調(diào)東線工程實(shí)現(xiàn)梯級(jí)調(diào)水目標(biāo)的樞紐工程，泵站工程包括主副廠房、變電所、進(jìn)水閘、引水渠、出水渠、導(dǎo)流渠等一級(jí)主體建筑物及二級(jí)壩公路橋、引水渠交通橋等三級(jí)附屬構(gòu)筑物。泵站廠區(qū)位于南四湖上、下級(jí)湖之間的二級(jí)壩南側(cè)。

南四湖跨江蘇和山東兩省，湖下煤炭資源豐富，南水北調(diào)東線一期工程共有24座泵站工程，調(diào)查發(fā)現(xiàn)僅二級(jí)壩泵站工程受棗礦集團(tuán)高莊煤礦采煤沉陷影響較大[17-18]。泵站工程場(chǎng)地南側(cè)臨近高莊煤礦開(kāi)采的西十一采區(qū)，高莊煤礦靠近二級(jí)壩泵站廠區(qū)平臺(tái)最近的工作面為3上1107工作面。根據(jù)高莊煤礦西十一采區(qū)3上煤回采規(guī)劃，引水渠段大部分處于3上煤規(guī)劃采空范圍，北側(cè)走向回采邊界與泵站廠區(qū)平臺(tái)間距最小約350m(見(jiàn)圖1)。根據(jù)2013—2017年廠區(qū)平臺(tái)、引水渠、主副廠房等沉降監(jiān)測(cè)資料分析，主、副廠房和廠區(qū)平臺(tái)受采煤影響較小，但引水渠南部沉降較大，引水渠較大監(jiān)測(cè)范圍及南部的交通橋因開(kāi)采沉陷已沉入水下[19]?？琢钗涞萚20]結(jié)合2013—2019年的變形觀測(cè)資料分析了采煤沉陷對(duì)二級(jí)壩泵站引水渠過(guò)流能力影響，認(rèn)為現(xiàn)狀引水渠過(guò)流能力滿足設(shè)計(jì)輸水功能要求。

圖1 泵站廠區(qū)平臺(tái)與開(kāi)采工作面相對(duì)位置模型

二級(jí)壩泵站樞紐工程下面賦存的煤炭資源屬于華北型沉積煤層，為全隱蔽的石炭～二疊紀(jì)煤田。對(duì)泵站廠區(qū)平臺(tái)影響的南部高莊煤礦主采山西組含煤地層，即3煤層，在該區(qū)域大部分又分為3上和3下兩煤層，部分地段合并為一層(3煤)，基本全區(qū)可采。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，3上煤層平均厚度5.0m，3下煤層平均厚度4.0m，目前為止3下煤層仍未開(kāi)采。為與地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在此主要討論高莊煤礦開(kāi)采西十一采區(qū)3上煤層后所引起的沉降波及泵站廠區(qū)平臺(tái)。

2 基于概率積分法的采動(dòng)地表變形對(duì)廠區(qū)平臺(tái)的沉陷分析

根據(jù)泵站廠區(qū)平臺(tái)及南部已開(kāi)采的高莊煤礦西十一采區(qū)工作面位置關(guān)系，結(jié)合該區(qū)域含煤地層結(jié)構(gòu)賦存特征，采用概率積分法對(duì)西十一采區(qū)開(kāi)采沉降及波及范圍進(jìn)行了計(jì)算。首先對(duì)西十一采區(qū)進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，確定相對(duì)坐標(biāo)系，然后代入基于MATLAB基礎(chǔ)上的自行編寫(xiě)的概率積分法應(yīng)用軟件進(jìn)行各塊段開(kāi)采3上煤層所引起的開(kāi)采沉降的計(jì)算，最后進(jìn)行疊加獲得整個(gè)區(qū)域開(kāi)采3上煤層所引起的西十一采區(qū)沉降及波及范圍。在此基礎(chǔ)上，考慮殘余變形，又計(jì)算出3上煤層開(kāi)采完畢后的殘余沉降量。計(jì)算的主要結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 泵站廠區(qū)平臺(tái)4個(gè)永久坐標(biāo)點(diǎn)沉降量數(shù)據(jù) mm

圖2 3上煤層采后廠區(qū)平臺(tái)場(chǎng)地采動(dòng)沉降變形示意

采用概率積分法計(jì)算的開(kāi)采3上煤層后廠區(qū)泵站平臺(tái)4個(gè)角點(diǎn)采動(dòng)沉降量和殘余沉降量及總沉降量對(duì)比如表1所示。發(fā)現(xiàn)泵站廠區(qū)平臺(tái)從北到南受開(kāi)采影響沉降逐漸增大。東南部的17號(hào)點(diǎn)位置受影響最大，總沉降量達(dá)13.6mm。但從數(shù)值的絕對(duì)大小來(lái)說(shuō)，該值仍很小，基本接近文獻(xiàn)[13]中規(guī)定的開(kāi)采后不受影響的穩(wěn)定邊界區(qū)域。

高莊煤礦西十一采區(qū)3上煤層全部開(kāi)采完畢后所引起的沉降分布特征如圖2a所示。由此可見(jiàn)，最靠近泵站廠區(qū)平臺(tái)的3上1107工作面開(kāi)采完畢后移動(dòng)邊界線距離泵站廠區(qū)平臺(tái)最近的17號(hào)點(diǎn)約110m，沉降邊界已越過(guò)該點(diǎn)，進(jìn)入平臺(tái)約30m，但這時(shí)影響已很小。

根據(jù)泵站廠區(qū)平臺(tái)4個(gè)角點(diǎn)間距，結(jié)合概率積分法計(jì)算預(yù)測(cè)的泵站廠區(qū)平臺(tái)四角標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置的沉降變形累積值(見(jiàn)表1)，結(jié)合4個(gè)角點(diǎn)間距分別計(jì)算了開(kāi)采3上煤層后廠區(qū)平臺(tái)采動(dòng)變形梯度(見(jiàn)圖2b)。預(yù)測(cè)的泵站廠區(qū)平臺(tái)場(chǎng)地在走向、傾向方向的采動(dòng)變形梯度均在0.01%以下，量化反映了采動(dòng)引起的場(chǎng)地不均勻沉降程度非常小。

3 理論計(jì)算與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

為保證二級(jí)壩泵站安全運(yùn)行，組織實(shí)施了安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)與監(jiān)測(cè)。南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司于2012年委托山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院進(jìn)行了主要位置的相關(guān)變形監(jiān)測(cè)[21]。為此，筆者對(duì)這些監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了系統(tǒng)整理與分析，根據(jù)廠區(qū)泵站平臺(tái)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在建筑物分布特征，組成了集概率積分法計(jì)算點(diǎn)和已有歷年監(jiān)測(cè)點(diǎn)于一體的泵站廠區(qū)平臺(tái)綜合對(duì)比圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 廠區(qū)平臺(tái)剖面線(A—A′，B—B′)及場(chǎng)地主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面

為便于分析，建立了廠區(qū)泵站平臺(tái)中沿著進(jìn)水渠和出水渠兩側(cè)如圖3所示A—A′和B—B′兩主要剖面線。根據(jù)圖2所示廠區(qū)平臺(tái)場(chǎng)地采動(dòng)沉降變形坡度，可獲得整體上沿著A—A′和B—B′兩主要剖面線的開(kāi)采3上煤層沉陷引起的沉降坡降分別為0.024 5，0.024 8mm/m。結(jié)合廠區(qū)平臺(tái)主要建筑物進(jìn)水閘、進(jìn)水池和主、副廠房沿著A—A′與B—B′兩主要剖面線布置的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)各自與A點(diǎn)或B點(diǎn)間距，可初步獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處因開(kāi)采沉陷所引起的總沉降量(見(jiàn)表2)。由此可獲得廠區(qū)平臺(tái)主要建筑物3上煤層開(kāi)采完畢后的最終總沉降量大致范圍為：進(jìn)水閘橋附近11.63～12.12mm，進(jìn)水池附近8.40～8.52mm，主、副廠房附近7.74～8.33mm，出水池附近7.44～7.56mm。對(duì)比廠區(qū)平臺(tái)沿兩剖面所布設(shè)的地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，12組數(shù)據(jù)基于概率積分法理論計(jì)算的總沉降量和實(shí)際監(jiān)測(cè)的總沉降量基本一致，但各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的累計(jì)總沉降量均小于開(kāi)采3上煤層計(jì)算的總沉降量。初步分析認(rèn)為有3方面主要原因：①監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上存在不統(tǒng)一性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)時(shí)間有的早有的較晚，導(dǎo)致各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總沉降量偏小，而理論計(jì)算是按預(yù)先設(shè)計(jì)開(kāi)采時(shí)間持續(xù)計(jì)算的，是統(tǒng)一的；②各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在埋設(shè)前所在位置可能已發(fā)生開(kāi)采沉陷，這樣就無(wú)法監(jiān)測(cè)到前期沉降量，而概率積分法計(jì)算是從一開(kāi)始有沉降就考慮的；③基于概率積分法計(jì)算的開(kāi)采引起總沉降量包括殘余變形，這是需要很長(zhǎng)時(shí)間才可能達(dá)到的結(jié)果。

表2 泵站廠區(qū)平臺(tái)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)采3上煤層與監(jiān)測(cè)的沉降量部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比

主、副廠房主要測(cè)點(diǎn)2013年2月至2020年5月沉降量觀測(cè)累計(jì)沉降量和月變化量歷時(shí)變化特征曲線如圖4所示，可明顯看出，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降歷時(shí)變化曲線基本一致，整體上在波動(dòng)中基本無(wú)大變化，最大沉降量約8.7mm(JH5，2014年2月)(見(jiàn)圖4a)；月沉降量一開(kāi)始變化較大，最大變化約7.36mm(JH9，2016年1月)(見(jiàn)圖4b)。后期連續(xù)6個(gè)月基本不變，根據(jù)文獻(xiàn)[13]相關(guān)規(guī)定，主、副廠房沉降基本穩(wěn)定，開(kāi)采沉陷對(duì)主、副廠房的影響基本停止或沒(méi)受開(kāi)采沉陷影響。

圖4 主、副廠房測(cè)點(diǎn)2013年2月至2020年5月沉降量變化特征曲線

限于篇幅，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)主要建筑物同時(shí)進(jìn)行了水平位移監(jiān)測(cè)，如通過(guò)對(duì)泵站主、副廠房變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移累積量和月變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)數(shù)據(jù)在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)值也均很小，各期坐標(biāo)差基本處于測(cè)量誤差范圍內(nèi)，主、副廠房基本無(wú)水平位移產(chǎn)生；在垂直方向上，JH6，JH9，JH10 3點(diǎn)先有小幅度上升，后又緩慢沉降，年度累計(jì)沉降量變化不大，各點(diǎn)變化情況總體保持一致，變化幅度均勻且在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明泵站主、副廠房處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)系統(tǒng)分析了二級(jí)壩泵站廠區(qū)平臺(tái)工程及場(chǎng)地地質(zhì)與煤礦開(kāi)采條件相互位置關(guān)系，提出了廠區(qū)平臺(tái)南部的高莊煤礦開(kāi)采西十一采區(qū)對(duì)泵站安全運(yùn)行可能存在一定影響，建立了開(kāi)采影響范圍的理論計(jì)算模型。

2)采用概率積分法計(jì)算了開(kāi)采3上煤層對(duì)泵站廠區(qū)平臺(tái)四角位置的沉降變形累積值和采動(dòng)變形梯度，量化反映了僅開(kāi)采3上煤層引起的場(chǎng)地不均勻沉降程度對(duì)廠區(qū)泵站平臺(tái)各主要設(shè)備的影響。

3)沿著廠區(qū)平臺(tái)進(jìn)水池到出水池方向設(shè)定2條監(jiān)測(cè)線(A—A′，B—B′)，結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況，依次計(jì)算了12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)因開(kāi)采3上煤層所引起的總沉降量，與對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)總沉降量對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者沉降量基本一致，監(jiān)測(cè)值對(duì)應(yīng)小于理論計(jì)算值，并結(jié)合主、副廠房監(jiān)測(cè)值認(rèn)為泵站廠區(qū)平臺(tái)目前沉降基本穩(wěn)定。