溝谷區(qū)多煤層開采覆巖破壞及徑流水害防治研究

劉一龍 ，楊天鴻 ，馬 凱 ，葉 強 ，趙 永 ，趙乾百

（1.東北大學 資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110819；2.東北大學 巖石破裂與失穩(wěn)研究所, 遼寧 沈陽 110819；3.西山煤電(集團)有限責任公司 西曲礦, 山西 太原 030200）

0 引 言

礦井水害是制約礦山安全高效生產(chǎn)的主要災害之一。其中，地表水害作為礦井水害的一種主要形式，是我國西北與華北地區(qū)淺埋藏煤層與地表溝谷發(fā)育礦區(qū)面臨的突出問題[1-3]。溝谷地形淺埋煤層頂板巖層多為單一關(guān)鍵層存在或關(guān)鍵層缺失，采動后地表沉陷劇烈。覆巖裂隙發(fā)育貫穿基巖直達地表，不僅會產(chǎn)生因采空區(qū)漏風引發(fā)的煤矸自燃風險，還會破壞淺、表層水資源系統(tǒng)，并成為汛期地表積水的下滲通道[4-8]。此外，溝谷區(qū)兩側(cè)坡體在煤層采動擾動下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，滑坡堆積體堵塞河道還會形成堰塞湖[9-11]。加之近年極端天氣頻發(fā)，如2021 年山西省現(xiàn)“百年一遇”大范圍強降水，受汛情影響，山西全省60 座煤礦被迫停產(chǎn)，采動地質(zhì)災害防治不當將嚴重影響生產(chǎn)與安全。因此，研究溝谷地形下煤層采動覆巖破壞特征及其對地表山體滑坡、徑流涌水災害的影響具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者對于淺埋深與溝谷地形下煤層覆巖移動、破斷特征以及裂隙擴展貫通開展了諸多研究，但多僅限于單一煤層開采，且未提及其對地表水害產(chǎn)生的影響與防治。張杰等[12]通過多元素擬合公式及有限元差分軟件，研究了工作面過溝谷開采過程中隔水巖層的隔水性、周期性“破壞—恢復”變化特點，并提出了溝谷下留設煤柱的防突水開采措施；李建偉等[13]分析了溝谷區(qū)域淺埋煤層開采井上下地質(zhì)災害發(fā)生機理及其相互作用，認為地表溝谷對覆巖應力的影響作用隨著埋深增加而減弱，并提出了針對地表滑坡預防性控制措施；趙杰等[14]以現(xiàn)場煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，分析了淺埋煤層過溝谷開采時覆巖關(guān)鍵層破斷形式及失穩(wěn)結(jié)構(gòu)特征，建立了溝谷坡角與關(guān)鍵層破壞類型的關(guān)系；劉輝等[15]通過對西部礦區(qū)淺埋煤層開采造成的地裂縫的現(xiàn)場觀測和分析，提出了采動過程中的臨時性地裂縫治理標準和依據(jù)，并提出了初步的控制方法；孫魁等[16]研究了“對滑型”黃土滑坡的形成過程，提出了“對滑型”滑坡的形成是由黃土坡體、溝谷地貌、采礦擾動、降雨催化以及相互之間的耦合作用導致。

目前我國煤炭資源開發(fā)已進入深部開采階段，煤層重復采動作用下溝谷區(qū)坡體結(jié)構(gòu)損傷加劇，開展溝谷地形與煤層重復采動耦合作用下的覆巖破壞特征研究更符合工程實際需求。同時，針對汛期降雨引發(fā)徑流水害機理以及溝谷區(qū)水害防治方法也需深入開展研究。因此，筆者以西曲煤礦典型的溝谷區(qū)多煤層開采為工程背景，綜合應用集地表勘察、In-SAR 動態(tài)觀測、降雨?徑流分析和數(shù)值模擬為一體的“覆巖移動?地表變形?徑流積水”分析方法，探究溝谷地形下的“裂隙發(fā)育—山體滑坡—河道堵塞—涌水加劇”災害鏈形成過程，最終提出基于裂隙發(fā)育與地表淹沒范圍的溝道防滲方法，以期為溝谷區(qū)煤層開采造成的地表地質(zhì)災害防治與水資源保護提供借鑒和指導。

1 地質(zhì)概況與開采條件

研究區(qū)位于山西省古交市西曲煤礦，礦區(qū)范圍內(nèi)溝谷縱橫，地形切割劇烈（圖1）。目前西曲煤礦上組煤2+3 號煤層大部分資源已于2010 年前開采完畢，主采下部8 號煤層。本文即以8 號煤層的28306 號工作面與其上覆的2+3 號煤層形成的多煤層開采為研究工況。28306 號工作面位于西曲礦礬石溝溝谷區(qū)，礬石溝為西曲礦東部主要溝谷，貫穿井田南北，屬季節(jié)性溝谷，溝谷平時水量不大，雨季有水。雨季多集中在7、8、9、10 四個月，年平均降水量511.5 mm，降水最終匯入汾河。28306(1)號工作面因遇到風氧化帶僅推進了130 m，風氧化帶的煤層、巖層均較為破碎，裂隙發(fā)育，對井下安全生產(chǎn)帶來威脅。為確保安全，此處留設了一段近50 m 煤柱，之后繼續(xù)開采28306(2)號工作面。在28306(2)號工作面推進15 m 時，地表為一條礬石溝支溝低洼處，支溝傾向南東和東，水流易匯集沿支溝傾斜方向流入東部礬石溝內(nèi)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)與開采條件Fig.1 Geological and mining context of the study area

28306 號工作面于2021 年完成開采，開采方向由北向南，該工作面地表覆蓋層厚度90～188 m，西側(cè)為2017 年已開采結(jié)束的28307 采空區(qū)，東側(cè)為未開采的28305 采區(qū)，其上覆靠近溝谷區(qū)的2+3 號煤層由小煤窯巷柱式開采，其余2+3 號煤層由西曲礦機械化開采。8 號煤層厚度穩(wěn)定，煤厚3.90～4.20 m，平均4.10 m，煤層整體傾向西南，傾角1°～8°，一般為4°，皆采用傾斜長壁后退式、一次采全高、全部垮落法綜合機械化采煤。

圖2 為研究區(qū)鉆孔綜合柱狀圖。8 號煤上方143 m 范圍內(nèi)賦存有5 層較厚頂板（厚度不小于5 m），其中有3 層頂板巖性為泥巖（厚度小于10 m），1 層近地表的頂板巖性為細粒砂巖（厚度為5 m），頂板中19.64 m 厚的粉砂巖呈深灰?灰黑色，以石英為主，較硬，全層普遍呈致密狀，含有較少的孔隙和裂縫，再由關(guān)鍵層的定義與變形特征[17-18]，對于多層頂板組合結(jié)構(gòu)的承載滿足如下公式：

圖2 綜合地層柱狀圖Fig.2 Synthetical stratum histogram

式中：(qn)m為第n層頂板對第m層頂板的載荷；Em為第m層巖層的彈性模量；γi為第i層巖層的容重；hi為第i層巖層的厚度。

對于滿足式（2）的第n層巖層，可判定其為關(guān)鍵層：

綜上，判別19.64 m 厚的粉砂巖地層為煤層間關(guān)鍵層。8 號煤頂板地層總體屬硬質(zhì)巖，2+3 號煤上部地層主要為砂泥巖互層。

2 溝谷區(qū)巖層移動與地表變形特征

2.1 地表破壞類型及特征

圖3 為研究區(qū)現(xiàn)場勘察和航拍影像，由圖3 總結(jié)出了28306 號工作面開采引發(fā)的地表破壞類型主要為無明顯落差的地裂縫、臺階狀裂縫、滑坡與堰塞湖。在開切眼附近采空區(qū)邊界上方，地表裂隙呈現(xiàn)明顯發(fā)育的現(xiàn)象（圖3a）。這些單條裂縫的寬度在400～500 mm，且寬窄不一，頂端尖滅。裂縫群則呈現(xiàn)弧形或橢圓形的展布特征。在同一地區(qū)，大部分地裂縫的展布方向近乎平行。但在礬石溝支溝區(qū)域，由于地形的陡峭山坡，地勢西高東低，因此地裂縫的展布方向比較雜亂。臺階狀裂縫出現(xiàn)在井下采煤工作面切眼位置及采區(qū)邊界附近的地表，是由淺埋煤層開采頂板初次切落所造成的（圖3b）。這些臺階狀地裂縫的深度不盡相同，一般不超過3 m。地裂縫在垂直方向上呈現(xiàn)“V”字形，上部較寬，下部較窄，兩壁陡峭，呈現(xiàn)出明顯的臺階狀，其裂縫長度一般在幾米到幾十米不等。在采空區(qū)上方地形切割強烈的溝谷邊坡地帶地表出現(xiàn)黃土層及砂層崩塌、崩滑，崩塌塊呈破碎狀，完全喪失原有的結(jié)構(gòu)（圖3c）。至2021年7 月31 日工作面回采結(jié)束，地裂縫已擴展至全地表。溝谷區(qū)地下煤層開采導致地下垮塌引發(fā)覆巖漸進式破壞，進一步引發(fā)地表溝谷坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，使得地表坡體的穩(wěn)定性受到影響。降雨等自然力的作用加劇了地表坡體的滑動和崩塌（圖3d），堵塞河道還引發(fā)了土石流和堰塞湖等次生地質(zhì)災害（圖3e、圖3f）。

圖3 研究區(qū)現(xiàn)場勘察和航拍影像Fig.3 Field survey and UAV image in the study area

2.2 地表沉降的空間擴展過程

InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）技術(shù)是一種利用合成孔徑雷達（SAR）成像的干涉測量方法，可以實現(xiàn)毫米級的地表形變監(jiān)測，具有范圍廣、時間跨度大、受氣候干擾小等優(yōu)勢，已成功應用于觀測滑坡的動態(tài)變形過程[19-20]和采煤引起的地表沉降[21-22]。地表沉降是深部巖層變形、破斷影響至地表的體現(xiàn)，具有明顯的滯后性，且滯后周期較長。28306(2)號工作面開采時間為2020?10?31—2021?07?31，因此分析了2021 年1 月至2022 年9 月期間的時間序列InSAR 形變監(jiān)測結(jié)果，如圖4 所示，28306(2)號工作面地表累積沉降自北向南擴展，與開采推進方向一致。圖4 為基于InSAR 數(shù)據(jù)的研究區(qū)累計沉降，圖4a 展示了此次研究的InSAR 形變范圍，至2021 年1 月9 日，工作面累計推進約176.23 m，開采引發(fā)的地表沉降已開始顯現(xiàn)（圖4b），此階段巖層移動為非充分采動階段；至2021 年2 月26 日，工作面累計推進約348.18 m，此階段地表沉降值增大，時間序列InSAR 形變監(jiān)測得到的地表累計沉降值已達到?69.4 mm（圖4c）；至2021 年4 月15 日，工作面累計推進約494.5 m，巖層移動為充分采動階段，沉降范圍擴大（圖4d）；至2021 年7 月31 日工作面完成回采，此時累計推進約680.52 m。由圖4e 可知，28307 號采空區(qū)在28306 號工作面采動影響下地表發(fā)生殘余沉降，地下開采造成的塌陷面積明顯大于實際開采面積，但與平緩地表形成的橢圓形塌陷區(qū)不同。本次塌陷區(qū)形狀與溝谷地形走勢大體相同，特別是28306 號工作面東側(cè)由北向南延伸的礬石溝溝谷處的InSAR 結(jié)果位移云圖，具有明顯分界特征。盡管28306 號工作面的煤炭開采活動已終止，但地表下沉量仍在增加。至2022 年9 月，28306 號工作面的最大地面沉降量達到–98.66 mm（圖4f）。

圖4 基于InSAR 數(shù)據(jù)的研究區(qū)累計沉降Fig.4 Cumulative subsidence in the study area based on In-SAR data

為分析地下煤層開采后造成地表沉降的空間擴展過程，選取了AA’主斷面上最大下沉監(jiān)測點，并繪制了隨時間變化的沉降曲線（圖5），研究區(qū)地表沉降總體可劃分為3 個階段：第1 階段為初始沉降階段（2021?01?09—2021?04?15），此階段煤層開采過后，致使煤層頂板受到破壞，覆巖漸進式坍塌引起地表沉降，這一階段累計沉降指標為10 mm；第2 階段為加速沉降階段（2021?04?15—2021?10?09）。在煤層開采達到充分采動后，地表移動變形活躍，采空區(qū)周圍的地層受到壓縮產(chǎn)生變形，地表沉降持續(xù)時間較長；第3 階段為長期沉降階段，時間尺度拉長，地下巖層移動會趨于穩(wěn)定。雖然地下空洞的存在會使地表沉降持續(xù)進行，但沉降速度逐漸減緩，沉降量也會逐漸減小，6 個月的沉降值不超過30 mm。

圖5 地表最大沉降點累計沉降值Fig.5 Cumulative settlement value of the maximum settlement point on the ground

自2022 年2 月8 日后，地表沉降達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，估算終采后地表達到充分沉降的滯后周期為5～7 個月，較該礦區(qū)記錄的中深埋煤層終采后地表達到充分沉降的滯后周期短了1～2 個月。受限于現(xiàn)有SAR 衛(wèi)星的極軌飛行和側(cè)視成像模式，In-SAR 形變觀測值對南北向形變不敏感，導致該方法在對溝谷區(qū)地表的應用中，存在局部入射角過大/小的問題，進一步導致視線向位移與實際位移相差較大。但InSAR 技術(shù)可展示煤層地下開采造成地表沉降的空間擴展過程的持續(xù)性與階段性，進一步得出煤層終采后地表達到充分沉降的滯后周期，指導未達到充分沉降范圍內(nèi)的地表河道優(yōu)先采用“柔性治理”技術(shù)。

2.3 覆巖垮落和變形特征

在分析巖層漸進式破壞過程中，三維離散單元法程序3DEC 應用廣泛，此軟件較好還原出了材料介質(zhì)破壞過程中的不連續(xù)特性?；谠囼灢蓤龅牡乇淼雀呔€和鉆孔柱狀圖，沿著圖1 中的I—I’和II—II’剖面分別建立了用于3DEC 數(shù)值計算的三維地質(zhì)模型。圖6 為數(shù)值計算模型及開采范圍，圖6a 中的數(shù)值方案1 主要用于研究28306 號工作面推進過程中覆巖垮落特征及礬石溝支溝處坡體破壞特征，圖6b中的數(shù)值方案2 主要用于研究向溝開采對河床的穩(wěn)定性影響，同時考慮了上部2+3 號煤層巷柱式開采工況。

圖6 數(shù)值計算模型及開采范圍Fig.6 Numerical calculation model and mining range

考慮到塊體數(shù)量將影響計算的效率，對厚度太薄巖層按照四舍五入的原則進行合并和簡化，并將數(shù)值計算模型簡化為0°。數(shù)值模型中涉及到的巖性主要有5 種（砂巖、砂泥巖互層、砂質(zhì)泥巖、煤和石灰?guī)r），這5 種巖體力學參數(shù)見表1。所用參數(shù)的可靠性已在此礦山的已有文獻[23-24]中得到驗證。模型塊體采用莫爾?庫倫模型，節(jié)理模型采用節(jié)理面接觸庫倫滑移模型。模型四周均為法向位移約束，模型底界面限制水平方向和垂直方向位移，地表曲面為自由邊界。煤層開采方向從左至右，詳細的開采參數(shù)如圖6 所示。

表1 煤巖物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖7 為巖層移動與地表變形特征數(shù)值方案1 計算過程中，首先對2+3 號煤層進行開采，然后對8 號煤層進行開采。結(jié)合礦山現(xiàn)場勘察報告，淺部2+3號煤層開采后形成了無明顯落差的地裂縫，塌陷坑較少，偶發(fā)坡體滑移。下部煤層28306(1)號工作面推進至20 m 時頂板初次垮落（圖7a），這與現(xiàn)場記錄的工作面頂板初次垮落步距（19 m）接近，且小于西曲礦8 號煤平均頂板初次垮落步距35～40 m，主要原因在于頂板存在風化現(xiàn)象。28306(1)號工作面推進至100 m 時關(guān)鍵層發(fā)生破斷（圖7b），這與CHENG 等[23]通過微震監(jiān)測得到的西曲礦8 號煤頂板關(guān)鍵層發(fā)生破斷結(jié)果接近。關(guān)鍵層破斷后，下部煤層開采擾動已影響至上覆地表，地表發(fā)生二次變形、損傷，并產(chǎn)生明顯地表沉降（圖7c）。28306(2)號工作面推進至110 m 時，關(guān)鍵層以下形成大面積離層，繼續(xù)開采至120～130 m 時，礬石溝支溝北側(cè)坡體在采動與地形拉伸作用下向臨空面一側(cè)發(fā)生劇烈變形（圖7d），重復采動后地表具有明顯落差的臺階裂縫數(shù)量增加，塌陷坑范圍擴大，地表下沉加劇，地表巖層移動范圍擴大，溝谷坡體產(chǎn)生大量裂隙。

圖7 巖層移動與地表變形特征Fig.7 Characteristics of strata movement and surface deformation

淺埋溝谷地形下煤層開采后，圍巖應力重新分布，巖層不斷變形并周期性破斷，煤層間關(guān)鍵層以下巖層垮落后巖層移動范圍無明顯外擴特征，此范圍的巖層張拉破裂形成的裂隙居多，剪切破裂次之，以豎向裂隙為主，主要集中在頂板上方23 m 范圍內(nèi)（圖7e）；相反，關(guān)鍵層以上巖層剪切破裂形成的裂隙占比增加，關(guān)鍵層破斷后覆巖裂隙不斷向上發(fā)育，如圖8 所示。巖層移動破壞了溝谷兩側(cè)坡體穩(wěn)定性，圖8 中溝谷地形對淺部巖層移動與裂隙發(fā)育特征的影響作用加強，在巖土體重力作用下坡體易發(fā)生剪切滑移。同時，坡體地表形成的大量裂隙向深部擴展并與覆巖上行裂隙貫通，由此溝通地表形成導水通道，這些裂隙對地表降水的截流作用會造成井下涌水量的突增。

圖8 覆巖裂隙與坡體裂隙發(fā)育特征Fig.8 Development characteristics of overlying strata and slope fractures

圖9 為重復采動作用下覆巖二次破壞特征，如圖9 所示，數(shù)值方案2（圖1 中II—II’剖面）中首先對上部2+3 號煤巷柱式開采，每開采20 m 后留設20 m煤柱，然后開采其下部的28306 號工作面，開采方向皆朝向礬石溝方向。因淺部煤層“巷柱式”開采，留設的大量煤柱較大程度地減少了應力集中的擾動，覆巖垮落并不充分。在28306 號工作面開采結(jié)束后，由于層間關(guān)鍵層破斷，淺部2+3 號煤采空區(qū)在重復采動作用下發(fā)生“活化”，地裂縫劇烈發(fā)育，成為了地表水主要下滲通道。

圖9 重復采動作用下覆巖二次破壞特征Fig.9 Secondary failure characteristics of overlying strata under repeated mining

28305 號工作面（待采）位于28306 號工作面東側(cè)，且處于礬石溝溝谷正下方。通過離散元程序模擬28305 號工作面開挖，結(jié)果如圖10 所示，28305 號工作面過溝開采至100 m 時關(guān)鍵層下方產(chǎn)生大范圍離層裂隙，關(guān)鍵層彎曲的變形引起了地表沉降與坡體變形。當工作面推進至120 m 時，地表河床發(fā)生大范圍沉降，采動裂隙貫通至地表以及兩側(cè)山坡。28305 號工作面的開采將影響地表河床穩(wěn)定性，引發(fā)溝谷水下滲，因此，開展河床加固以及溝谷區(qū)地表防滲治理是必要的。

圖10 溝谷下開采引發(fā)的地表沉降與裂隙發(fā)育特征Fig.10 Characteristics of surface subsidence and fractures development caused by mining under the gully

3 礬石溝降雨?徑流特征及徑流水害防治

3.1 礬石溝小流域降雨?徑流模擬

采用河道水力計算程序HEC-RAS 開展礬石溝小流域降雨?徑流模擬。軟件二維水動力學模型的數(shù)值計算混合了有限體積法和有限差分法，可有效計算二維圣維南方程組[25]。軟件中水動力研究模式，可對研究區(qū)流域?qū)崿F(xiàn)降雨影響分析，進行穩(wěn)定、快速的洪水淹沒模擬。非恒定流模擬的計算公式采用連續(xù)性方程（式（3））和動量方程（式（4））。

式中：H為水面高程，m；h為水深，m；u，v分別為x、y方向上的平均流速，m/s；q為項源，代表降雨等外部信息。

式中：V為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；vt為水平方向運動黏度，m/s2；cf為河床底部糙率；f為科里奧利系數(shù)；k為垂直方向單位矢量。

高精度的DSM 可滿足HEC-RAS 模擬小流域的洪水淹沒的精度，研究采用無人機傾斜攝影測量獲取了研究區(qū)DSM 數(shù)據(jù)。設置二維網(wǎng)格的空間步長為5 m，網(wǎng)格數(shù)量為24 428 個，根據(jù)研究區(qū)植被覆蓋和土地利用類型，選取河道糙率值為0.035，草地糙率值為0.04，耕地糙率值為0.03。本案例模型選取全局降水為入流條件。下邊界為河道出口，并假設此處因采動滑坡引發(fā)堰塞湖。全局降水數(shù)據(jù)選取2021 年10 月3 日00:00 至2021 年10 月6 日23:00共4 天95 h 的降雨數(shù)據(jù)（表2），模擬計算間隔為1 h，輸出水力要素間隔為1 h。

根據(jù)二維非恒定流模擬結(jié)果，2021 年10 月4 日至10 月6 日不同時刻降水淹沒深度對比如圖11 所示（圖11a 為4 日0 點降雨淹沒范圍；圖11b 為5 日0點降雨淹沒范圍；圖11c 為6 日0 點降雨淹沒范圍），可以看出礬石溝匯水由高流向低洼河道，下游堰塞湖積水深度最大處近8 m，成為井下涌水的潛在危險源。同時得到了降雨期間全局淹沒時間百分比圖（圖11d），礬石溝及其支流的淹沒時間百分比超過50%，這些區(qū)域也在煤礦開采引起的最大沉降區(qū)范圍內(nèi)，滿足這2 個特征的區(qū)域被稱為淹沒及最大沉降區(qū)，這需要保證該區(qū)內(nèi)溝谷河床穩(wěn)定性。盡管沖溝邊坡兩側(cè)的淹沒百分比僅為20%，但采動滑坡作用下坡體裂隙發(fā)育，需要及時填埋溝谷兩側(cè)邊坡裂縫，符合這2 個特征的區(qū)域被稱為淹沒及裂縫發(fā)育區(qū)，這是防滲的重點區(qū)域，地裂縫采用分層填埋，而其余區(qū)域可以被稱為徑流區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的地裂縫可直接單層填埋。

圖11 降雨引發(fā)的研究區(qū)地表淹沒過程Fig.11 Ground inundation process caused by rainfall in the study area

3.2 礦山地表徑流水害防治方法

開展礦山地表徑流水害防治的研究不僅會減小地表水引發(fā)礦山涌突水事故風險，通過地表裂縫填埋和河床防滲加固，也極大減少了煤層開采對地表水、土壤等環(huán)境造成影響，可以有效減少開采過程中對地表水的污染，保證地表水的質(zhì)量與水資源的可持續(xù)利用。通過前述研究總結(jié)得到了礬石溝致災因素主要為多煤層開采形成的地表張拉裂縫、采動沉降引發(fā)的邊坡失穩(wěn)以及汛期溝谷積水下滲。本小節(jié)針對上述問題提出了以下治理措施，并取得了良好的應用效果。

針對溝谷區(qū)不再發(fā)育且裂縫寬度小于0.1 m 的地表裂縫可直接填埋，當?shù)乇砹芽p寬度大于0.1 m時，采用由淺至深的黃土表土層+三合土防滲層+碎石塊襯墊層的分層填充，各分層厚度可控制在0.3～0.5 m。溝谷兩側(cè)坡體上的地裂縫在蠕變與滯后沉降作用下仍有加劇破壞趨勢，提前對潛在滑坡區(qū)實施削坡處理，削坡后的坡角為30°～45°。對溝谷區(qū)河床防滲治理為主，對地表積水疏放為輔。在工作面開采之前，對地表低洼區(qū)域進行填平處理，盡量保持河床坡度一致。實施土方工程延河道加高構(gòu)筑堤壩，防止河床大面積塌陷后溝流外溢。在工作面開采過程中，及時清理溝谷兩側(cè)滑移堆積體；最后，在構(gòu)筑好的堤壩一旁備足填堵裂縫用的沙土、三合土和碎石。對受山體滑坡影響，易堵塞、積水的河道采用涵管引流的方式進行治理，保證正常行洪，減小井下入滲量。

對沉降未穩(wěn)定的河床（停采后5～7 個月內(nèi)）采用紅黏土、尼龍網(wǎng)柔性材料進行治理，受重復采動影響河床不易開裂，防滲效果好，治理方法如下：①清理河道碎石，整平河床形成河道基槽并擴寬至4～6 m以上，在河道彎曲系數(shù)較大區(qū)段進行河道改直；②河道鋪設200 mm 厚度黏土墊層后夯實，在墊層上方鋪設一層鋼塑土工柵格，上方再鋪設一層復合土工膜加強防滲水效果，覆蓋500 mm 厚紅膠土后夯實；③上方再交替施工兩層由鋼塑土工柵格和紅膠土組成的700 mm 厚加筋土層并壓實，形成可靠的防滲層；④在表層紅膠土上方鋪設200 mm 厚碎石并壓實嵌入紅膠土，提高河床表面強度，防止流水沖刷及車輛行駛破壞河道；⑤河道兩側(cè)采用抗紫外線生態(tài)袋壘筑800 mm 高度的護壩，形成護壩后進行充填，與山腳形成一定坡度，確保山體流水能正常匯入河道；⑥河道與各支溝交匯處留設匯水口，匯水口兩側(cè)采用片石混凝土砌壩20 m，確保各支溝匯水暢通，匯水口兩側(cè)不被流水沖刷破壞。實施“柔性”技術(shù)治理后的河床斷面及治理效果如圖12 所示。

圖12 河床斷面及加固效果Fig.12 River bed section and reinforcement effect

4 結(jié) 論

1）通過對礬石溝地表破壞類型的多手段綜合分析及運用離散元法數(shù)值模擬計算，揭示了多煤層開采地表沉降與溝谷采動滑坡耦合作用下的覆巖破壞及裂隙發(fā)育特征。煤層間關(guān)鍵層以下巖層垮落后巖層移動范圍無明顯外擴特征，以張拉破裂形成的豎向裂隙發(fā)育為主。關(guān)鍵層上方巖層剪切破裂形成的裂隙占比增加，在采動沉降效應與重力作用下溝谷坡體易發(fā)生剪切滑移，導致坡體下行裂隙與覆巖上行裂隙貫通，貫通裂隙對地表降水的截流作用會導致井下涌水量增大。

2）通過降雨?徑流模擬與礬石溝高精度的DSM再現(xiàn)了山西“百年一遇”暴雨期間礬石溝流域不同歷時雨水淹沒范圍與淹沒時間百分比。坡體兩側(cè)的徑流區(qū)屬于重點防滲區(qū)，需要及時采取裂縫填埋、防滲等防治措施。

3）溝谷區(qū)地下多煤層開采引發(fā)的覆巖沉降效應對地表地貌造成不可逆影響，會引發(fā)“裂隙發(fā)育—山體滑坡—河道堵塞—涌水加劇”復雜災害鏈。提出了溝谷地形下地表徑流水害綜合防治方法，即徑流區(qū)、淹沒及裂隙發(fā)育區(qū)地表裂縫填埋、潛在滑坡區(qū)削坡治理、淹沒及最大沉降區(qū)河床“柔性”加固。不僅減小了地表水引發(fā)礦山涌突水事故風險，也保證了地表水的質(zhì)量與水資源的可持續(xù)利用。

4）后續(xù)將重點探究汛期地表水入滲采場機理及井下涌水量變化規(guī)律，指導礦山企業(yè)探放水。