陳偉龍

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

張峰水庫是沁河干流上一座以城市生活和工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，其輸水工程包括總干、一干和二干，主要建筑物有倒虹吸、渡槽、隧洞、明渠、輸水管道、調(diào)節(jié)水池和揚水站等。

二干工程采用壓力管道輸水，從總干末端調(diào)蓄水池取水，線路向南穿許河，經(jīng)三家店、北板橋村、坡頭村至二干末端渠頭調(diào)蓄水池，向澤州縣巴公鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)供水。線路全長18.133 km，穿過喬村、界碑嶺、司家川、三家店、坡頭、莒山、八一等煤礦區(qū)，并位于喬村礦邊緣，地段存在煤礦采空區(qū)問題，對輸水線路工程產(chǎn)生不利影響。

2 煤礦采空區(qū)的破壞機理及對線路的影響

煤層大面積開采后，采空區(qū)上方巖層原有的平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲等變形和破壞，影響到地表，形成地表移動盆地，伴隨移動盆地形成的同時，地表產(chǎn)生下沉裂縫、傾斜、水平位移等一系列變形現(xiàn)象。

采空區(qū)引起的地表移動和變形，對輸水建筑物的影響主要是地表塌陷和不均勻沉陷引起的垂直變形和水平拉伸，或壓縮變形對線路地基和管線的破壞。管線破壞導(dǎo)致漏水，對煤礦安全形成威脅。

3 工程區(qū)煤田地質(zhì)及采空區(qū)現(xiàn)狀

煤系地層存在于工程區(qū)石炭系、二迭系地層中。煤系地層中含煤（線）層10～20層，主要含煤巖組為石炭系上統(tǒng)太原組和山西組。山西組（C3S）中含煤層1—5層，即1—5號煤；太原組（C3t）中含煤層10—12層，即6—16號煤。區(qū)內(nèi)可采煤層為3號、9號、15號煤。3號煤層賦存于山西組中下部，厚2.06～8.86 m，平均厚度5.46 m；9號煤層賦存于太原組中部，厚0～2.88 m，平均厚度1.18 m；15號煤處于太原組下部，厚0.32～7.01 m，平均厚度 2.88 m，夾矸 1～6層。

區(qū)域內(nèi)煤礦大面積開采3號煤層，個別煤礦小面積開采9號煤層，15號煤層在輸水線路范圍內(nèi)未開采。開采厚度分別為：3號煤層2.5～5.6 m，局部7～8 m；9號煤層2 m。

4 采空區(qū)對輸水線路影響程度

4.1 地表變形值的計算

評價采空區(qū)引起地表變形對輸水線路破壞程度，應(yīng)以地表變形的傾斜、曲率及水平變形值來評價。地表變形值按下式進(jìn)行計算：

變 形 最大變形值最大下沉值/W Wmax=η×m傾斜/T Tmax=Wmax/r曲率/K kmax=±1.52 Wmax/r2水平位移/U Umax=b×Wmax水平變形/ε εmax=±1.52b× Wmax/r

式中：m——煤層開采厚度，m；

η——下沉系數(shù)；

α——煤層法線厚度線與水平線的夾角（真傾角），度；

b——水平移動系數(shù)；

r——開采的主要影響范圍，是開采深度與主要影響角正切的比值。

4.2 地表變形值計算參數(shù)的確定

4.2.1 下沉系數(shù)η的確定

據(jù)采空區(qū)塌陷坑和沉陷盆地測量，3號煤采空區(qū)塌陷坑深為2.5~5.6 m，根據(jù)測量，晉城礦物局采空區(qū)塌陷變形最大沉陷系數(shù)在0.70~0.90之間。結(jié)合山西大部分煤礦區(qū)選用下沉系數(shù)0.65~0.90的情況，該區(qū)多開采3號煤層，因此，采空區(qū)下沉系數(shù)取0.8。

4.2.2 水平移動系數(shù)b的確定

根據(jù)龍渠塌陷盆地測量，最大下沉值按4.8 m計算，水平移動1.54 m，b=0.32。三家店礦最大下沉值4.80 m，水平移動1.49，b=0.31。從該區(qū)塌陷盆地測量情況來看，水平移動系數(shù)多在0.30~0.33之間，本工程選b=0.32。

4.2.3 tgβ 值的確定

主要影響角正切tgβ值根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第四版），覆巖類型及礦區(qū)選擇tgβ=2～2.4進(jìn)行計算。采空區(qū)地表變形值計算結(jié)果見表1。

表1 3號煤采空區(qū)地表變形值統(tǒng)計表

5 采空區(qū)輸水線路場地的適宜性評價

5.1 場地適宜性評價原則

不適宜輸水線路場地：在開采過程中可能出現(xiàn)非連續(xù)變形的地段；地表移動處于活躍階段的地段；采空區(qū)有冒頂可能地段；地表傾斜Tmax大于10 mm/m或地表曲率kmax大于6 mm/m2或地表水平變形εmax大于6 mm/m的地段。

適宜性應(yīng)專門研究地段：采空區(qū)采深采厚比小于30的地段；地表變形值處于下列范圍地段：地表傾斜Tmax為3～10 mm/m 或地表曲率 kmax為 0.2～0.6 mm/m2或地表水平εmax變形為2～6 mm/m的地段；當(dāng)采空區(qū)有活化或有較大殘余變形影響地段；非正規(guī)開采方法的采空區(qū)地段。

適宜地表埋管和水池建筑地段：已充分采動，無重復(fù)開采的老采空區(qū)地表移動盆地的中間區(qū);地表變形值不可能高于地表傾斜3 mm/m或地表曲率0.2 mm/m2或地表水平變形2 mm/m的地段。

5.2 采空區(qū)輸水線路場地適宜性評價

二干涉及的采空區(qū)共同特點是開采深度與開采厚度之比H/m＜30，一般處于16～20之間，采空區(qū)埋深較淺。司家川樁號7+772～8+757為計劃開采，地表變形不明顯，其他采空區(qū)出現(xiàn)塌陷坑、裂縫，在喬村礦東部出現(xiàn)滑坡，說明地表塌陷，滑塌現(xiàn)象嚴(yán)重，為非連續(xù)性變形，處于變形活躍階段，變形參數(shù)見表1。經(jīng)計算采空區(qū) Tmax＞10（mm/m），kmax＞0.6（mm/m2），εmax＞6（mm/m），不適宜作輸水管線場地。八一礦正在開采，經(jīng)計算，采空區(qū)Tmax=29（mm/m），kmax=0.27（mm/m2），εmax=14（mm/m），地表曲率在0.2～0.6之間，施工過程中可能出現(xiàn)地表塌陷等不利情況，應(yīng)該加強監(jiān)測，隨時采取應(yīng)急處理措施。

6 結(jié)語

壓力管線經(jīng)過采空塌陷區(qū)，存在諸多不確定因素，工程安全性短期內(nèi)尚難定論。對位于采空區(qū)范圍的線路，應(yīng)掌握采空區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、采空現(xiàn)狀、塌陷規(guī)律，尋求合理可行的處理方案，并需要施工中長期的試驗及施工結(jié)束后的觀測，以保證工程的安全及壓力管線的正常使用。