采煤沉陷对泵站平台影响的理论计算与监测对比研究*

化晓锋

(南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109)

自由垮落法管理顶板开采方式开采地下煤炭资源必然会引起较大范围的地面沉降，由此会对沉降范围内地表建(构)筑物的安全稳定性及环境产生一定的不良影响[1-4]。关于煤层开采造成的开采沉陷预测，诸多研究者运用不同手段进行了分析研究工作，如现场监测[5-6]、概率积分法[7-8]、数值模拟[9-10]及相似模型等[11-12]。其中，概率积分法以其计算形式简单、理论性强和结果可靠等诸多优点目前已成为国内最为常用的煤矿开采地表移动量化预测方法[7-8,13-14]。为此，本文以南水北调东线二级泵站厂区平台南部存在高庄煤矿开采为研究背景，采用概率积分法分析开采沉陷对厂区平台的影响并进行预测，并与现场地表布设的沉降监测结果进行对比，探究高庄煤矿开采沉陷可能影响泵站安全稳定性问题。

1 工程概况

南水北调东线工程从江苏扬州附近长江下游干流抽引长江水，进入南四湖下级湖，经二级坝泵站提水进入上级湖[15-16]。二级坝泵站是南水北调东线工程的第10级抽水梯级泵站，工程场地位于苏鲁两省边界处的南四湖，是南水北调东线工程的重要调蓄水库和苏鲁两省分水地点。二级坝泵站为大(1)型泵站，是南水北调东线工程实现梯级调水目标的枢纽工程，泵站工程包括主副厂房、变电所、进水闸、引水渠、出水渠、导流渠等一级主体建筑物及二级坝公路桥、引水渠交通桥等三级附属构筑物。泵站厂区位于南四湖上、下级湖之间的二级坝南侧。

南四湖跨江苏和山东两省，湖下煤炭资源丰富，南水北调东线一期工程共有24座泵站工程，调查发现仅二级坝泵站工程受枣矿集团高庄煤矿采煤沉陷影响较大[17-18]。泵站工程场地南侧临近高庄煤矿开采的西十一采区，高庄煤矿靠近二级坝泵站厂区平台最近的工作面为3上1107工作面。根据高庄煤矿西十一采区3上煤回采规划，引水渠段大部分处于3上煤规划采空范围，北侧走向回采边界与泵站厂区平台间距最小约350m(见图1)。根据2013—2017年厂区平台、引水渠、主副厂房等沉降监测资料分析，主、副厂房和厂区平台受采煤影响较小，但引水渠南部沉降较大，引水渠较大监测范围及南部的交通桥因开采沉陷已沉入水下[19]。孔令武等[20]结合2013—2019年的变形观测资料分析了采煤沉陷对二级坝泵站引水渠过流能力影响，认为现状引水渠过流能力满足设计输水功能要求。

图1 泵站厂区平台与开采工作面相对位置模型

二级坝泵站枢纽工程下面赋存的煤炭资源属于华北型沉积煤层，为全隐蔽的石炭～二叠纪煤田。对泵站厂区平台影响的南部高庄煤矿主采山西组含煤地层，即3煤层，在该区域大部分又分为3上和3下两煤层，部分地段合并为一层(3煤)，基本全区可采。据初步统计，3上煤层平均厚度5.0m，3下煤层平均厚度4.0m，目前为止3下煤层仍未开采。为与地表监测数据进行对比，在此主要讨论高庄煤矿开采西十一采区3上煤层后所引起的沉降波及泵站厂区平台。

2 基于概率积分法的采动地表变形对厂区平台的沉陷分析

根据泵站厂区平台及南部已开采的高庄煤矿西十一采区工作面位置关系，结合该区域含煤地层结构赋存特征，采用概率积分法对西十一采区开采沉降及波及范围进行了计算。首先对西十一采区进行单元网格划分，确定相对坐标系，然后代入基于MATLAB基础上的自行编写的概率积分法应用软件进行各块段开采3上煤层所引起的开采沉降的计算，最后进行叠加获得整个区域开采3上煤层所引起的西十一采区沉降及波及范围。在此基础上，考虑残余变形，又计算出3上煤层开采完毕后的残余沉降量。计算的主要结果如表1和图2所示。

表1 泵站厂区平台4个永久坐标点沉降量数据 mm

图2 3上煤层采后厂区平台场地采动沉降变形示意

采用概率积分法计算的开采3上煤层后厂区泵站平台4个角点采动沉降量和残余沉降量及总沉降量对比如表1所示。发现泵站厂区平台从北到南受开采影响沉降逐渐增大。东南部的17号点位置受影响最大，总沉降量达13.6mm。但从数值的绝对大小来说，该值仍很小，基本接近文献[13]中规定的开采后不受影响的稳定边界区域。

高庄煤矿西十一采区3上煤层全部开采完毕后所引起的沉降分布特征如图2a所示。由此可见，最靠近泵站厂区平台的3上1107工作面开采完毕后移动边界线距离泵站厂区平台最近的17号点约110m，沉降边界已越过该点，进入平台约30m，但这时影响已很小。

根据泵站厂区平台4个角点间距，结合概率积分法计算预测的泵站厂区平台四角标识点位置的沉降变形累积值(见表1)，结合4个角点间距分别计算了开采3上煤层后厂区平台采动变形梯度(见图2b)。预测的泵站厂区平台场地在走向、倾向方向的采动变形梯度均在0.01%以下，量化反映了采动引起的场地不均匀沉降程度非常小。

3 理论计算与监测对比分析

为保证二级坝泵站安全运行，组织实施了安全监测网的布设与监测。南水北调东线山东干线有限责任公司于2012年委托山东省水利勘测设计院进行了主要位置的相关变形监测[21]。为此，笔者对这些监测资料进行了系统整理与分析，根据厂区泵站平台主要监测点所在建筑物分布特征，组成了集概率积分法计算点和已有历年监测点于一体的泵站厂区平台综合对比图(见图3)。

图3 厂区平台剖面线(A—A′，B—B′)及场地主要监测点布置平面

为便于分析，建立了厂区泵站平台中沿着进水渠和出水渠两侧如图3所示A—A′和B—B′两主要剖面线。根据图2所示厂区平台场地采动沉降变形坡度，可获得整体上沿着A—A′和B—B′两主要剖面线的开采3上煤层沉陷引起的沉降坡降分别为0.024 5，0.024 8mm/m。结合厂区平台主要建筑物进水闸、进水池和主、副厂房沿着A—A′与B—B′两主要剖面线布置的主要监测点各自与A点或B点间距，可初步获得各监测点位置处因开采沉陷所引起的总沉降量(见表2)。由此可获得厂区平台主要建筑物3上煤层开采完毕后的最终总沉降量大致范围为：进水闸桥附近11.63～12.12mm，进水池附近8.40～8.52mm，主、副厂房附近7.74～8.33mm，出水池附近7.44～7.56mm。对比厂区平台沿两剖面所布设的地表变形监测数据来看，12组数据基于概率积分法理论计算的总沉降量和实际监测的总沉降量基本一致，但各监测点对应的累计总沉降量均小于开采3上煤层计算的总沉降量。初步分析认为有3方面主要原因：①监测数据在时间上存在不统一性，监测点的监测时间有的早有的较晚，导致各监测数据总沉降量偏小，而理论计算是按预先设计开采时间持续计算的，是统一的；②各监测点在埋设前所在位置可能已发生开采沉陷，这样就无法监测到前期沉降量，而概率积分法计算是从一开始有沉降就考虑的；③基于概率积分法计算的开采引起总沉降量包括残余变形，这是需要很长时间才可能达到的结果。

表2 泵站厂区平台主要监测点开采3上煤层与监测的沉降量部分数据对比

主、副厂房主要测点2013年2月至2020年5月沉降量观测累计沉降量和月变化量历时变化特征曲线如图4所示，可明显看出，6个监测点的累计沉降历时变化曲线基本一致，整体上在波动中基本无大变化，最大沉降量约8.7mm(JH5，2014年2月)(见图4a)；月沉降量一开始变化较大，最大变化约7.36mm(JH9，2016年1月)(见图4b)。后期连续6个月基本不变，根据文献[13]相关规定，主、副厂房沉降基本稳定，开采沉陷对主、副厂房的影响基本停止或没受开采沉陷影响。

图4 主、副厂房测点2013年2月至2020年5月沉降量变化特征曲线

限于篇幅，现场对主要建筑物同时进行了水平位移监测，如通过对泵站主、副厂房变形监测点水平位移累积量和月变化进行分析，发现这两个数据在各监测点对应值也均很小，各期坐标差基本处于测量误差范围内，主、副厂房基本无水平位移产生；在垂直方向上，JH6，JH9，JH10 3点先有小幅度上升，后又缓慢沉降，年度累计沉降量变化不大，各点变化情况总体保持一致，变化幅度均匀且在允许范围内，说明泵站主、副厂房处于稳定状态。

4 结语

1)系统分析了二级坝泵站厂区平台工程及场地地质与煤矿开采条件相互位置关系，提出了厂区平台南部的高庄煤矿开采西十一采区对泵站安全运行可能存在一定影响，建立了开采影响范围的理论计算模型。

2)采用概率积分法计算了开采3上煤层对泵站厂区平台四角位置的沉降变形累积值和采动变形梯度，量化反映了仅开采3上煤层引起的场地不均匀沉降程度对厂区泵站平台各主要设备的影响。

3)沿着厂区平台进水池到出水池方向设定2条监测线(A—A′，B—B′)，结合监测点布置情况，依次计算了12个监测点因开采3上煤层所引起的总沉降量，与对应的监测总沉降量对比分析，发现两者沉降量基本一致，监测值对应小于理论计算值，并结合主、副厂房监测值认为泵站厂区平台目前沉降基本稳定。