石门河下采煤对河堤的安全性分析

张彦宾，李德海，贾安立，李景方

(1.河南理工大学能源学院，河南焦作 454000;2.河南煤化集团赵固一矿，河南新乡 453634)

石门河下采煤对河堤的安全性分析

张彦宾1，李德海1，贾安立2，李景方1

(1.河南理工大学能源学院，河南焦作 454000;2.河南煤化集团赵固一矿，河南新乡 453634)

石门河位于赵固一矿首采区内，解放石门河下煤炭资源迫在眉睫，而河堤下开采在保证煤矿安全生产的前提下，必须保护水资源和河堤的安全使用。在确定开采方案的基础上，选用矿区实测得出地表移动参数进行预计，针对各阶段开采对石门河河堤造成的危害性进行了分析，根据危害程度计算出河堤加固的土方量和土体裂缝长度，然后建立FLAC3D模型对河堤的渗流进行数值模拟，结果表明水不会渗出堤外。研究结果对堤下采煤具有一定的指导意义，为开采沉陷的堤坝治理提供了科学依据。

河堤;沉陷预计;渗流;数值模拟

1 石门河及地质状况概述

赵固一矿位于焦作煤田东部，矿井设计生产能力为2.4 Mt/a。矿井开采的二1煤层，属近水平发育的稳定型厚煤层，煤层倾角2～6°。赵固一矿首采区范围内分布有贯穿南北的石门河流及5个村庄。受石门河影响的工作面有4个，共计压煤面积为1208200m2，共压煤9.11Mt。根据测量，石门河河堤右岸较完好，堤高为1.5～2.4m，河堤顶宽2.7～3.7m，河堤内坡角较缓，外坡角较陡，约为55°;左岸堤高1.5～2.2m，河堤顶宽1.5～3m，桥下游已无河堤，且桥上游部分河堤损毁严重。现场实测，河水流量为24.5m3/s。赵固矿区被巨厚松散层覆盖，石门河是该矿首采区上部的惟一河流，在采煤过程中难免会破坏该河堤，造成水体外溢淹没农田村庄。

2 开采方案的确定及预计结果

地表移动变形沉陷预计应先确定回采区域范围、预计参数，然后运用概率积分法预计出在不同的开采顺序下地表的沉陷情况。根据概率积分法预计的基本原理，概率积分法预计所需的几个预计参数为:下沉系数q、主要影响角正切tan β、水平移动系数b、开采影响传播角θ和拐点偏移距s等。赵固一矿属新建矿井，根据首采工作面观测资料和拟合结果，岩移参数可参照下列数值取值:下沉系数q=0.98;地表水平移动系数b=0.32;主要影响角正切tanβ=3.07;松散层厚度480m;松散层移动角φ=42°;松散层泊松比μ=0.3;煤层厚度m=3.5m;采深、岩性系数c=8.3;拐点偏移距s=－0.05H。

为了研究问题的方便，把石门河河堤适当简化，并定出了计算的起始点，如图1所示。根据确定的开采方案分4个阶段进行预计。预计阶段一:回采11011，11051工作面;预计阶段二:回采11011，11051，11091工作面;预计阶段三:回采11011，11051，11091，11031工作面;预计阶段四:回采11011，11051，11091，11031，11071工作面。

图1 河堤简化工作面布置

根据以上所选取的参数值，运用概率积分法，得到地表移动变形预测结果。各阶段开采后，石门河河堤也将随之发生下沉和变形，为了保证石门河河水不溢出河道及维持河道功能正常运行，需要提前根据预测结果的下沉值对河堤进行土方回填加固。地表移动变形及加固土方量计算见表1。

表1 预计结果及土方量

图2，图3所示是开采阶段三和四河堤的最大水平变形剖面图。

图2 预计阶段三工作面开采后左右河堤剖面最大水平变形曲线

图3 预计阶段四工作面开采后左右河堤剖面最大水平变形曲线

由表1可知，工作面11011，11031，11051，11071，11091开采后，左侧河堤最大下沉值为3255mm，右侧河堤最大下沉值为3228mm，土方工程量为99366.7m3。文献 ［9］规定:河堤的允许拉伸变形为6mm/m;极限拉伸变形为9mm/m。由表1可知，开采阶段二最大拉伸变形为14.6mm/m，远远大于规程规定的6mm/m的允许值和9mm/m的极限值。所以，在回采11031工作面时要提前对河堤加固并及时检查。开采阶段四左河堤最大拉伸变形为5.5mm/m，右河堤最大拉伸变形为5.7mm/m，说明全采结束后拉伸裂缝部分闭合。

3 开采对河堤稳定性的影响分析

在开采过程中及开采完成后必然导致河堤下沉，而且因水平变形引起的拉伸和压缩会毁坏河堤，因此，根据预测相关数据提前采取河堤加高、加固措施［8］。

3.1 下沉对河堤影响

下沉最主要的影响是由于河堤的下沉导致水溢出，从而造成村庄、农田被淹。均匀的下沉对河堤的安全性影响不大，根据沉陷预计提前加高河堤可以避免河堤因沉陷造成河水外溢。对于不均匀的下沉可能在一些情况下河堤加高不到位，造成河水外溢冲毁河堤，但是准确的沉陷预计和及时加高河堤能够有效地防止安全事故发生。

3.2 河堤处裂缝分析

在采动过程中，河堤受到动态影响，形成动态裂缝。随着回采的进行，工作面前方的裂缝动态闭合，回采工作结束，形成最终的地表裂缝。由于回采工作面上方地表裂缝区是随工作面推进而同步前移，在该区内的任意一条裂缝从产生到开始闭合要经历工作面推进一个裂缝区宽度所需的时间，从开始闭合到完全闭合同样要经历工作面推进一个裂缝区宽度所需的时间。因此，裂缝从产生到闭合所持续的时间可用下式计算:

式中，T为裂缝持续时间，d;L为工作面上方裂缝区最大宽度 (裂缝带宽度一般为40～70m);v为工作面推进速度，m/d。

采空区上覆岩体变形时在其中产生宽阔的拉伸和压缩变形区，而且不形成明显的平行于层面的中性层。尽管水平变形的符号沿竖直线 (图4)P1，P11和P2，P22是变化的，但它与薄层弹性梁的变形不同，拉伸带是沿对角方向由岩体的下部向上部边缘延伸，水平变形沿竖向方向是逐渐减小的。

在地表拉伸区位置，沿竖向方向变形εz则是压缩变形，且随着深度增大而增大。因此肯定存在一个面，在该面上 εz+εx=0，且 εx＜εJ，εx为 x 方向的移动变形;εz为z方向的移动变形;εJ为土产生裂缝的极应变值;地表裂缝发育至该面终止。

图4 采动岩体中水平移动的分布

根据土的极限平衡条件和摩尔库伦准则可知，产生裂缝的深度按照下面公式计算:

式中，h为裂缝深度;μ为材料的泊松比;E为材料的弹性模量;C为黏聚力;φ为内摩擦角;γ为密度，N/m3。

根据该矿表土层的物理力学性质，E=13.1MPa，μ=0.30，C=0.029MPa，φ =18°，γ=15876N/m3，由公式可得εJ=7.92mm/m，裂缝深度γ约为5.027m。考虑到土体物理力学参数的差异，所计算的裂缝深度会发生一定变化，有时裂缝深度可达6m以上。

裂缝始终从地表面开始，不会从土体内部某一深度处产生，土体内部一般只产生层面之间的离层现象。因此，裂缝的切割深度线与地表面起伏一致，即无论地表面如何起伏，裂缝深度基本一致。

4 河堤渗流数值模拟分析

为了研究在水压变化的情况下，河堤及河堤下土层的渗流情况和最大水头梯度建立了FLAC3D渗流数值模型［5－7］。渗流预计方案:河堤顶宽 3m，坡角1∶4，河堤纵向长度按50m预计，河堤底部厚度按10m预计，横向长度按103m预计，共划分10580个单元。河堤、河床的渗流预计参数见表2。

堤顶安全超高值不应小于2m，所以，在模拟时河堤顶部以下2m受河水影响，以上不受影响。渗流方案预计模型见图5，预计结果见图6。

通过数值模拟计算可知，河堤渗流最大水头梯度为0.276，河堤下土层最大水头梯度0.301。

河堤下土层临界水头梯度Icr按修正的Tersaghi公式计算，即

式中，Gs为比重;n为孔隙率。取安全系数m=3，则河堤下土层允许水头梯度［I］=Icr/m=0.38627。

表2 河堤、河床渗透参数

图5 渗流预计方案模型

图6 渗流区域水头等色图

对河堤土层渗流，令θ为坡角，则临界水头梯度Icr计算为:

取安全系数m=3，则河堤土层允许水头梯度:［I］=Icr/m=0.3748。

河堤下土层的允许水头梯度为0.38627，大于数值模拟结果，说明河水不会从河堤渗流到堤外;河堤土层的允许水头梯度为0.3784，大于数值模拟的结果，说明河水不会从河堤土层渗流到堤外。

5 结论

(1)由首采面观测的数据拟合出地表移动参数预测在工作面开采的各个阶段对石门河河堤产生影响，并根据预计下沉值计算出各开采阶段的河堤加高的土方量。

(2)根据各个阶段开采对河堤产生不同影响，当开采阶段二时，地表产生水平变形对河堤破坏较大，也最剧烈，应提前加固河堤，并做好地表观测工作。

(3)根据土的极限平衡条件，得出土的极应变值和河堤的裂缝深度为5.027m，在采矿过程中要及时处理裂缝，防止河堤漏水。

(4)通过对河堤建立数值模型求出了河堤渗流最大水头梯度为0.276，运用Tersaghi公式对模拟数据进行比较，得出河水不会从河堤土层渗流到堤外，在采取有效安全措施的情况下石门河下采煤是安全的。

［1］何国清，杨 伦，凌赓娣.开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1991.

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［3］余华中，李德海.厚松散层放顶煤开采条件下地表移动参数研究［J］.焦作工学院学报，2003，22(6):413－416.

［4］廖学东.厚松散层下煤层开采对地面堤坝的影响分析 ［J］.中国矿业，2008，17(8):83－86.

［5］高明中，余忠林.煤矿开采沉陷预测的数值模拟［J］.安徽理工大学学报 (自然科学版)，2003，23(1):11－17.

［6］袁 亮，杜广森，吴 侃.淮河下采煤河堤的移动变形特征及其控制［J］.矿山测量，2001(S):60－64.

［7］马立强，张东升，缪协兴，等.FLAC3D模拟采动岩体渗流规律［J］.湖南科技大学学报 (自然科学版)，2006，21(3).

［8］郭轲轶，寇金亭，张国显.北汝河下采煤采动影响评价与河堤加固措施［A］.第七届全国矿山测量学术会议论文集［C］ .2008，67－69.

［9］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

Dyke Safety Analysis of Coal Mining under Shimen River

ZHANG Yan-bin1，LI De-hai1，JIA An-li2，LI Jing-fang1
(1.Energy School，Henan University of Polytechnic，Jiaozuo 454000，China;2.Zhaogu 1st Mine，Henan Coal＆ Chemical Group，Xinxiang 453634，China)

1st mining area of Zhaogu 1st Mine is under Shimen River，so it is very urgent that mining coal under the river.Not only safe mining，but also water resource and dike safety must be ensured.Applying surface movement parameters from on-site observation data，surface subsidence was predicted on the basis of mining projection and influence of mining at different phrases on dike was analyzed.Earth volume for reinforcement and earth crack length was calculated by influence degree.FLAC3Dwas applied to simulating dike seepage.Results showed that water would not ooze from dike.This provided scientific reference for mining coal under dike.

river dyke;subsidence prediction;seep;numerical simulation

TD823.23

A

1006-6225(2012)03-0070-04

2012－02－27

国家自然科学基金资助项目 (41072225)

张彦宾 (1979－)，男，河北邢台人，博士研究生，主要从事岩层移动与“三下”采煤等方面的教学与科研工作。

［责任编辑张玉军］