煤矿采空区对张峰水库输水工程压力管线的影响

陈伟龙

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

张峰水库是沁河干流上一座以城市生活和工业用水、农村人畜饮水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大型水利枢纽工程，其输水工程包括总干、一干和二干，主要建筑物有倒虹吸、渡槽、隧洞、明渠、输水管道、调节水池和扬水站等。

二干工程采用压力管道输水，从总干末端调蓄水池取水，线路向南穿许河，经三家店、北板桥村、坡头村至二干末端渠头调蓄水池，向泽州县巴公镇工业区供水。线路全长18.133 km，穿过乔村、界碑岭、司家川、三家店、坡头、莒山、八一等煤矿区，并位于乔村矿边缘，地段存在煤矿采空区问题，对输水线路工程产生不利影响。

2 煤矿采空区的破坏机理及对线路的影响

煤层大面积开采后，采空区上方岩层原有的平衡状态被打破，产生冒落、断裂和弯曲等变形和破坏，影响到地表，形成地表移动盆地，伴随移动盆地形成的同时，地表产生下沉裂缝、倾斜、水平位移等一系列变形现象。

采空区引起的地表移动和变形，对输水建筑物的影响主要是地表塌陷和不均匀沉陷引起的垂直变形和水平拉伸，或压缩变形对线路地基和管线的破坏。管线破坏导致漏水，对煤矿安全形成威胁。

3 工程区煤田地质及采空区现状

煤系地层存在于工程区石炭系、二迭系地层中。煤系地层中含煤（线）层10～20层，主要含煤岩组为石炭系上统太原组和山西组。山西组（C3S）中含煤层1—5层，即1—5号煤；太原组（C3t）中含煤层10—12层，即6—16号煤。区内可采煤层为3号、9号、15号煤。3号煤层赋存于山西组中下部，厚2.06～8.86 m，平均厚度5.46 m；9号煤层赋存于太原组中部，厚0～2.88 m，平均厚度1.18 m；15号煤处于太原组下部，厚0.32～7.01 m，平均厚度 2.88 m，夹矸 1～6层。

区域内煤矿大面积开采3号煤层，个别煤矿小面积开采9号煤层，15号煤层在输水线路范围内未开采。开采厚度分别为：3号煤层2.5～5.6 m，局部7～8 m；9号煤层2 m。

4 采空区对输水线路影响程度

4.1 地表变形值的计算

评价采空区引起地表变形对输水线路破坏程度，应以地表变形的倾斜、曲率及水平变形值来评价。地表变形值按下式进行计算：

变 形 最大变形值最大下沉值/W Wmax=η×m倾斜/T Tmax=Wmax/r曲率/K kmax=±1.52 Wmax/r2水平位移/U Umax=b×Wmax水平变形/ε εmax=±1.52b× Wmax/r

式中：m——煤层开采厚度，m；

η——下沉系数；

α——煤层法线厚度线与水平线的夹角（真倾角），度；

b——水平移动系数；

r——开采的主要影响范围，是开采深度与主要影响角正切的比值。

4.2 地表变形值计算参数的确定

4.2.1 下沉系数η的确定

据采空区塌陷坑和沉陷盆地测量，3号煤采空区塌陷坑深为2.5~5.6 m，根据测量，晋城矿物局采空区塌陷变形最大沉陷系数在0.70~0.90之间。结合山西大部分煤矿区选用下沉系数0.65~0.90的情况，该区多开采3号煤层，因此，采空区下沉系数取0.8。

4.2.2 水平移动系数b的确定

根据龙渠塌陷盆地测量，最大下沉值按4.8 m计算，水平移动1.54 m，b=0.32。三家店矿最大下沉值4.80 m，水平移动1.49，b=0.31。从该区塌陷盆地测量情况来看，水平移动系数多在0.30~0.33之间，本工程选b=0.32。

4.2.3 tgβ 值的确定

主要影响角正切tgβ值根据《工程地质手册》（第四版），覆岩类型及矿区选择tgβ=2～2.4进行计算。采空区地表变形值计算结果见表1。

表1 3号煤采空区地表变形值统计表

5 采空区输水线路场地的适宜性评价

5.1 场地适宜性评价原则

不适宜输水线路场地：在开采过程中可能出现非连续变形的地段；地表移动处于活跃阶段的地段；采空区有冒顶可能地段；地表倾斜Tmax大于10 mm/m或地表曲率kmax大于6 mm/m2或地表水平变形εmax大于6 mm/m的地段。

适宜性应专门研究地段：采空区采深采厚比小于30的地段；地表变形值处于下列范围地段：地表倾斜Tmax为3～10 mm/m 或地表曲率 kmax为 0.2～0.6 mm/m2或地表水平εmax变形为2～6 mm/m的地段；当采空区有活化或有较大残余变形影响地段；非正规开采方法的采空区地段。

适宜地表埋管和水池建筑地段：已充分采动，无重复开采的老采空区地表移动盆地的中间区;地表变形值不可能高于地表倾斜3 mm/m或地表曲率0.2 mm/m2或地表水平变形2 mm/m的地段。

5.2 采空区输水线路场地适宜性评价

二干涉及的采空区共同特点是开采深度与开采厚度之比H/m＜30，一般处于16～20之间，采空区埋深较浅。司家川桩号7+772～8+757为计划开采，地表变形不明显，其他采空区出现塌陷坑、裂缝，在乔村矿东部出现滑坡，说明地表塌陷，滑塌现象严重，为非连续性变形，处于变形活跃阶段，变形参数见表1。经计算采空区 Tmax＞10（mm/m），kmax＞0.6（mm/m2），εmax＞6（mm/m），不适宜作输水管线场地。八一矿正在开采，经计算，采空区Tmax=29（mm/m），kmax=0.27（mm/m2），εmax=14（mm/m），地表曲率在0.2～0.6之间，施工过程中可能出现地表塌陷等不利情况，应该加强监测，随时采取应急处理措施。

6 结语

压力管线经过采空塌陷区，存在诸多不确定因素，工程安全性短期内尚难定论。对位于采空区范围的线路，应掌握采空区地质构造、采空现状、塌陷规律，寻求合理可行的处理方案，并需要施工中长期的试验及施工结束后的观测，以保证工程的安全及压力管线的正常使用。