胡家山水库压覆煤矿的影响分析

肖对勇

(昭通市水利水电勘测设计研究院，云南 昭通 657000)

胡家山水库位于昭通市镇雄县塘房乡大擢魁办事处水稗田村，大坝设在乌江源头支流泼机河上游的左岸支流胡家山小河上。坝址以上径流面积 30.1km2，多年平均径流量2200万m3。

胡家山水库大坝为混凝土面板堆石坝，坝高63.2m，坝顶长268m，总库容1542.3万m3，可解决5.69万人、2.85万头牲畜饮水困难，灌溉农田2333.33hm2。水库的建设，对改善当地人民群众的生产、生活条件，加快脱贫致富步伐具有重大意义。

在建设前期，由于库区及径流区分布有多个正在生产的小煤矿，为了分析论证煤矿采空区及待开采对成库条件及工程布置的影响，合理布置枢纽建筑物，设计单位对煤矿采空区的勘探分析研究做了大量工作，经过多方努力最终实现了工程的落地实施。

1 水库建设存在的问题

水库工程的建设，涉及最为重要的问题就是矿产压覆及开采。

本工程外业调查及资料情况显示，胡家山水库库区及径流区全部位于煤田上部，主要分布在东源塘房矿井开采范围内，少部分位于河对门煤矿和后山煤矿开采范围内。径流区周边的小煤矿主要为垮山丫口煤矿、胡家地煤矿、大石包煤矿、财源煤矿、高坡煤矿、长运煤矿、福安煤矿、永兴煤矿、岭兴煤矿、罗坪煤矿、甜荞地煤矿。针对工程区现状情况，为保证在水库工程建设期及蓄水后不产生安全问题，需要解决的问题如下。

(1)查明煤矿采空区对水库蓄水的影响范围；查明煤矿开采对水库枢纽区的影响范围。做好选址论证工作，做到水库蓄水的可行性、安全性。不因后期水库蓄水造成渗漏，给工程带来不必要的安全隐患。

(2)根据水库坝址选址位置，确定各煤矿开采界限，划定工程区保护范围；在明确了采空区边界及划定开采边界后，根据工程区保护范围，才能合理布置水库枢纽建筑物。

本水库工程建设的前提是解决上述2个问题，只有把问题解决了，才能开工建设水库工程。

2 勘探分析研究

2.1 勘探煤矿开采界限

根据以往勘察成果、煤矿开采情况、现场工作的基本条件、拟探测目标体的物性特征等各项要素，本次工作选取了以瞬变电磁法、大地电磁法、激发极化电测深法探查为主，辅以地质调查以及结合已有资料分析多手段相结合的综合工程物探方法。

地质调查主要针对第四系地层的分布、厚度；基岩的分布、厚度及下井对煤矿开采情况进行调查，旨在为后期的物探测线布置提供指导。调查主要采用人工地面扫描性的巡查方式、向当地知情者寻访及井下调查测量方式。现场调查及钻探资料显示：探测区可采煤层主要赋存高程为1470～1530m。

本次物探工作主要是针对隐伏于地面以下的煤矿开采情况进行探测。试验表明：没有进行开采活动的含煤岩系地层的视极化率值在11%以上，而煤矿采空后的含煤岩系地层的视极化率值在10%以下；煤矿采空后的含煤岩系地层的视电阻率值比没有进行开采活动的含煤岩系地层的视电阻率值要高。根据采区地层这一物性特点，选取对含煤岩系地层的视电阻率、视极化率变化反应灵敏度较高的瞬变电磁法、大地电磁测深法、激发极化电测深法进行探测。

在应用上述多手段时，即以资料分析→地质调查→物探→钻探为主要路线，同时根据逐步认识情况，互动内插进行，各手段互为指导、互为验证。

2.1.1地质调查

由井下调查、测量工作以及煤矿业主提供的煤矿采掘工程平面图可知：胡家山水库库区及径流区全部位于镇雄矿区煤矿北部井田东段内，地理位置：北纬27°28′45″～27°33′45″；东经104°54′22.5″～105°02′20″。近坝库岸及渠首区域的可采煤层主要赋存高程为1460～1530m，煤层平均可采厚度1.5～2.0m左右。煤矿业主提供的采空区为1#、2#、3#区域。但根据井下调查，采空区不仅仅是1#、2#、3#区域所标示的范围。地表见3条裂缝，应属于采空区塌陷引起。故需通过物探手段加以核实，以规避煤矿采空塌陷区危害胡家山水库枢纽工程的可能，确保水库安全。

2.1.2物探法

物探法采用3种方式进行，结果见表1—3。

由表1—3可知，S1—S1′、S2—S2′、S3—S3′、S6—S6′、D1—D1′、D2—D2′、D4—D4′、J3—J3′、J4—J4′、J5—J5′、J6—J6′、J7—J7′等剖面下部存在煤矿采空区。煤矿开采界限勘探布置如图1所示。

图1 煤矿开采界限勘探布置示意图

表1 瞬变电磁法成果

2.1.3钻探法

根据物探法测定的21条剖面，其中有12条剖面下部存在煤矿采空区，为确定验证采空区，通过钻探手段进一步核实。本次钻探布置点主要针对存在煤矿采空区的点位进行，共布置18个钻探点，累计进尺1714.5m，注水试验17段，压水试验157段，地质编录钻孔18个，稳定水位观测18次，钻探结果见表4。

表2 大地电磁测深法

表3 激发极化电测深法

表4 钻孔水位观测成果 单位：m

从压(注)水试验成果可以看出：第四系覆盖层为强透水-中等透水，渗透系数K=3.71×10-2～4.47×10-4cm/s，强-弱风化基岩为强透水～微弱透水，透水率q=0.48～168.42Lu，以中等透水为主。煤层压水试验中等透水～弱透水，透水率q=1.82～20.69Lu，以弱透水为主。

通过钻探，验证了煤矿采空区分布于胡家山水库坝址区左岸，范围已至拟定大坝左坝肩坝脚，垂直投影坝体与采空区有小部分重叠，采空区空间面积大，顶板塌落已致地表开裂变形，主要的裂逢有3条，采空区塌陷已对拟定坝线处左坝肩构成安全威胁。

2.2 勘探成果分析

2.2.1对水库蓄水的影响分析

根据库区及周边煤田勘探钻孔ZK1606、ZK1707、ZK1809、ZK1907、ZK2007资料，库区及周边可采煤层为C5b煤层、C6a煤层。根据《镇雄煤矿北部井田东段C5b煤层底板等高线与储量计算平面图》，C5b煤层顶板在库区分布高层在1500～1530m，胡家山水库库区地面高程在1569～1625m，中间岩层厚度60～125m，最薄处位于坝前，厚60m(已扣除4m的冲积层)，大多在70～90m，库尾处最厚。

根据计算预测，库区煤层开采采空区导水裂隙带最大高度在45m左右，主要发育在长兴组内，少量垮入卡以头组，导水裂缝带未直接与库水连通，期间分布有厚8～59m的卡以头组(T1k)隔水岩层。综合考虑地表岩体风化节理裂隙发育深度(弱风化上部)，采空区地表沉陷地面裂缝、蓄水后库水压力(最大水头58m)，判断库区煤层开采后存在库水沿裂隙下渗到矿坑的可能。

因此，满足成库条件(水库蓄水)条件，胡家山水库库区下部煤层应禁止开采。

2.2.2对枢纽区的影响分析

枢纽区下部煤层为夹层产出，其产状与场地岩石一致，倾角5°，属于缓倾斜煤层，煤层上部覆盖层厚，煤矿开采其巷道进洞基本上均分布在两侧山坡上，一般采用长壁式或伪长壁式开挖，巷道呈多层近平硐与微斜分布。在此地质与开采方式下，顶板顺层移动滑塌较易，单巷道上产生的移动盆地范围不大，多层巷道垮塌形成的移动变形会有叠加，呈地堑型。通过对库区及枢纽区多种方法的工程勘察，并对采空区塌落度及稳定性进行分析，结果表明：水库枢纽区左岸存在煤矿采空区，范围已至拟定大坝左坝肩坝脚，垂直投影坝体与采空区有小部分重叠；采空区空间面积大，顶板塌落已致地表开裂变形，采空区塌陷已对拟定坝线处左坝肩构成安全威胁;采空区与坝前水库正常水位高差140m，渗径110m，勘察试验表明水库至采空区之间的砂泥岩隔水层完整，并有稳定高于正常蓄水位的地下水位存在。

按极值计算方法，胡家山水库枢纽区下C5b煤层开采采空区地表下沉、移动与变形值见表5。

根据表5，煤层开采对地表的影响程度较严重，地表主要变形值均超过胡家山水库枢纽区各水工建筑物的允许变形值(允许最大水平变形εcm<6mm/m)，不满足工程安全的要求。

表5 地表下沉、移动与变形的预测结果

因此，胡家山水库枢纽区下煤层应禁止开采。

3 影响分析的成果

3.1 解决水库建设与煤矿开采矛盾的处理措施

为解决煤矿开采对胡家山水库工程的影响，当地政府采取了以下措施。

(1)当地政府与煤矿方签订了协议，关闭部分小煤矿，让出胡家山水库建设压覆煤田资源区。

(2)在确保水库运行和煤矿开发“双安全”的前提下，科学合理做出煤矿禁采边界，留足水库禁采区，并由国土、安监、煤炭等部门负责监管。

(3)划定胡家山水库水源地保护区，并制定严格的保护制度，做好水土保持工作。

3.2 根据工程区保护范围，合理布置枢纽建筑物

根据勘探结果，对枢纽建筑物进行了重大调整，具体调整方案为:在已拟定坝轴线的基础上，坝轴线右坝肩不动，左坝肩向上游偏转180m；将永久建筑物溢洪道、输水隧洞调整到右岸，临时建筑物导流隧洞仍布置于左岸。

(1)调整前枢纽主要建筑物布置。枢纽主要由砼面板堆石坝、输水隧洞、表孔溢洪洞、导流隧洞组成。输水隧洞、表孔溢洪洞、导流隧洞均布置在左岸。大坝坝顶长231m，最大坝高63.0m；表孔溢洪洞设计最大下泄流量175m3/s，距大坝左坝肩21.5m，总长248.853m；输水隧洞设计引用流量2.2m3/s，进口底板高程1591.50m，底板坡降i=5/1000，洞身断面型式采用1.5m×1.8m的圆拱直墙式城门洞形，总长461m。导流洞位于表孔溢洪洞及输水隧洞的中间，枯期导流流量12.4m3/s，进口底板高程1578.00m，底板坡降i=24/1000，洞身断面为1.6m×2.2m的圆拱直墙型，导流隧洞全长493.306m，增加堆石用量与总投资的前提，采用缩小下游堆石区尺寸并在上游下部新增一个堆石分区的方法另拟定了6个坝料分区方案，通过二维有限元计算并结合目标函数判别共同评价分区布置优化效果，得到以下结论。

(2)调整后枢纽主要由砼面板堆石坝、输水隧洞、溢洪道、导流隧洞组成。输水隧洞、溢洪道均布置在右岸，导流隧洞布置在左岸。大坝坝顶长268m，最大坝高63.20m；溢洪道轴线距大坝右坝肩10.40m，最大下泄流量175m3/s，总长426.528m。输水隧洞布置在右岸山体内，设计引用流量2.2m3/s，进口底板高程1591.50m，底板坡降i=1/1000，洞身断面型式采用1.6m×1.9m的圆拱直墙式城门洞形，总长230m。导流隧洞布置在左岸山体内，进口底板高程1580.00m，底坡i=15/1000，洞身断面为1.8m×2.5m的圆拱直墙型，导流隧洞全长513m。

(3)调整后的大坝距离煤矿采空区大于70m，枢纽建筑物避开了煤矿采空区塌陷影响和左岸B2崩塌滑坡体影响，通过边坡稳定及模型模拟分析，水库枢纽建筑物是安全的。

4 结束语

经过对胡家山水库工程周边的煤矿采空区分析研究，划定开采界限和保护范围，合理布置枢纽建筑物具有重要意义，本工程已于2015年12月30日下闸蓄水，至今已蓄水安全运行了5 a。其勘探方法以及政府与煤矿方的处理方式，对于其它类似情况的水利工程具有借鉴意义。