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1、增刊 2 0 0 1 年9 月 矿_ M I NE 山测量 S 叩 S UR VEYI NG S e p . 2 0 0 淮河下采煤河堤的移动变形特征及控制 袁 亮杜 广 森 ( 淮 南 矿 业 集 团 有 限 贵 任 公 司 ) 吴 侃( 中 国 矿业 大学 环 境与 测 绘学院 ) 摘 委 在 获 得的大 1 监测资 料的 基础 上 对 开 采引 起的 堤 坝的 移 动变 形、 健坝裂 缝的 发 育 规掉与 预侧 方法 及 哭坝产生突然性塌陷的可能性进行了 一些研究工作.研究结果表明: 堤坝具有整体、 级怪下沉的特点;堤体内 部不会产生裂缝， 堤坝表面的裂缝发育到一定深度后尖灭.对堤坝的维
2、护和加固 提出了 如下拉制措施:将原均 质枯土 堤改变为 升石为支 承体，拈土为防 渗体的组合堤;迎水面防浪防渗;采动级健区 雄探注桨. 关 ” 堤 坝 ， _f ) * Y, FA ， 移 动 变 形 ， 返砂 1 - 淮河是中国的主要水系之一，干流流经淮南矿区的老区井田上方。 河床和堤坝直接、间接压煤地 质储量3 .9 亿吨， 可采储量2 . 1 4 亿吨。 至7 0 年代末， 淮南矿区老区在淮河及堤坝外的 煤炭资源近于枯 竭，经有关部门批准逐步在淮河及河堤下进行采煤。 1概况 矿区内 流经的淮河， 其宽 度一般在4 0 0 m左右。 丰水期可达7 0 0 - 8 0 0 m 。 淮河常见
3、洪水位+ 2 0 - 十 2 3 m , 历史最高 洪水 位+ 2 4 .5 3 m ， 最低水位+ 1 2 . 3 6 m , 最大 流量( 1 9 “年) 为1 0 8 0 0 m / s , 最小 流量为 ( 1 9 7 8 年 ) 5 8 .7 m / s 。年平均流速 1 1 .7 m / s ;最小流速0 .2 m / s . 汛期洪水退水速率一般为0 .2 8 m / d , 最大为2 .4 m / d o河床底 的高程一般为 + 1 0 - 1 2 m ，开采沉陷后最低为 + 6 m 以下。 两岸地坪高 程一股为 + 1 9 - 2 1 . 0 m ，开采沉陷后最 低为+ 1
4、2 m以一 卜 。 受采动影响的淮堤，其下的煤系地层为石炭二迭系， 总厚约4 0 0 m , 含可采煤层 1 3 - 1 5 层，总可采 厚度 2 8 m - - 3 2 m 。地层岩性为砂岩、 粉砂岩、 粘土岩和煤组成。 煤层倾角 2 0 0 - 6 5 。 ，开采煤层距堤坝最 小深度为 2 2 0 m . 淮河及淮堤下煤层开采方法依煤层倾角而定， 对于缓倾斜和倾斜煤层采用走向 长壁采 煤法， 对于急倾斜煤层， 采用水平分层柔性掩护支架等采煤方法。 顶板管理都用垮落法管理。 本区煤系地层上方不整合复盖有第四系新地层。 其厚度约2 0 m - 4 0 m , 堤基土主耍由 粘土、 亚粘土、 轻
5、亚粘土及亚砂土层组成， 堤基分布着一层冲洪积形成的硬坚硬状粘土层，新近沉积的河漫地层及湖 相泥灰岩， 地层结构较复杂。 2 河下开 采使堤坝产生突然塌陷的可能性分析 煤层采出后，在采空区周围的岩层中发生了 较为复杂的移动和变形。采场上覆岩层按其破坏程度， 大致分为三个不同的开采影响带.即冒 落带、导水裂缝带和弯曲 下沉带，见图 I , 弯曲下沉带内岩层在 自 重的作用 F 产生层面法向弯曲卜 沉。在水平方向处于双向压缩状态。 弯曲带内的岩层的移动过程是连 续而有规律的，并保持其整体性和层状结构，不存在 或极少存在离层裂缝。在竖直面内，各部分的移动值 相差很小。因此，堤坝只要位了 弯曲带上方，突
6、然沉 陷就不会发生。 淮南矿务局多年的钻探资料证明，即 使是在比 较 不利的急倾斜煤层开采的条件下， 开采深度大于2 倍 导水裂 缝带高 度时， 地表( 堤坝 ) 突然塌陷 情况是不会 发生的。在淮堤下采煤时。导水裂缝带高度 H可按 以 卜 公式计算: 工 一冒 落带 1 1 一导水裂缝带 H i - 弯曲下沉带 圈1上扭岩层中 三个开采形响带 H = 2 0 , / M 十 2 , ( m ) ( 根 据淮 南 矿务 局3 0 0 多 个 钻 孔资 料统 计求 得) 式中， M为 距 地 表最 近的 一 组辞 层的 累 计采 厚。 淮堤 下 采 煤时M = 9 . l m 。 按上 式 求
7、得H = 6 2 3 m , 2 H 姗刊衰尧等:淮河下采煤河 提的移动吏形特征及控制2 0 0 1 年 9月 二1 2 4 . 6 m 。因开采煤层距堤坝最小深度为2 2 0 m ，故堤坝不会发生突然塌陷。 观测站 观测证明， 尽管 堤坝的累 计最 大下 沉值已 达 1 3 m ， 但是， 一 般每天 只有几个 m m的下沉或 水平移动量， 最大也不超过2 0 m m l d ， 是一个缓慢、 平稳的下沉移动过程。 在开采沉陷的同时， 大 堤的 监测 和控 制措施( 经过充分论证的 ) 也在 不断实施，使堤 坝始终处于安全 状态. 3 堤坝移动变形特点及预测 3 . 1 提坝移动变形特点及预
8、侧 淮河大堤是建立在表土体上的水工建筑， 堤坝在受到井下高强度、 大规模开采的影响下与地表一起 大幅度的下沉。由 于地表相对是平坦的， 而堤坝则存在坡面，因此， 堤坝的移动和地表的移动在整体趋 势相同的情况下， 还有一些差异。 综合分析监测结果表明: ( 1 ) 当开采引 起的倾斜与坡 度方向不一致时，堤坝坡面、 坡顶和坡脚的移动与相应的地表移动无明 显的差异。 ( 2 ) 当开采引 起的倾斜与坡度方向 一致时，堤坝的坡面移动与相应的地表移动存在一定的差异。 坡 面上各点的移动应当在相应点的地表移动的基础上加以必要的修正( 地表移动变形可根据概率积分法计 算C U ) 。 建立如图2 所示的坐
9、标系。设坡面的水平投影段地表任一时刻的移动变形己 根据地表移动的预计模 型求 得. 分别为下沉 w ( x ) 倾斜 i ( x ) ，曲 率 k ( x ) ， 水 平移 动 U ( x ) 和水平 变形。 ( x ) : 堤 坝坡 面的 水平 投 影 长 为L ， 在0 - L 的 范围 内 地 表 的 平 均 倾 斜 值 为ip . 坡 面 下 沉 修 正 公 式 为 :妙 A W ( x ) = A . i , S i n ( 2 x / L ) : 式中: A . 一一比 例常数， 人=3 -5 , 坡面水平移动修正公式为: D U ( x ) 二 人 i ( x ) 式中 : A
10、, 一 一比 例常 数. ( 2 ) 地表 任一处 达到出 现裂缝的临 界变 形值后， 该处即 产生 裂缝; ( 3 ) 裂 缝处 变形明显 集中; 4 ) 产生裂缝后地表面上变形分布是非 连续的。 两条裂缝 之间 或裂 缝之外的 地表 其变形 值不会超过 裂缝的临界变形值: ( 5 ) v缝沿 竖直方向的发育是 有限的. 在一 定开 采条 件下， 存在裂 缝发育 的极限 深度: ( 6 ) 裂缝沿竖 直方向 的 发 育不是一 条直 线， 其弯曲 变 化主要取决 于土层的 性质和 变形状态。 在实侧和模拟的基础上， 结合开采沉陷预计理论和土力学理论C z J建立开采引起的 裂缝区域、裂缝 从产
11、生到闭合所持续的时间、裂缝发育深度和宽度的全方位的预测模型I a l 。 获得地表裂缝临界水平变形 增刊矿山测圣2 0 0 1 年 9月 值的 计算公式为 ( 适用与开 采沉陷引 起的土 体裂缝计算 ): = 2 . ( 1 - u x ) c. tg ( 4 5 - + 0 . s ( ) /E 式中，: J 地 表裂缝临界水平变形值;协 泊 松比:c内 聚 力:巾 内 摩擦角:E 变形模量。 求取裂缝发育最大深度的 估算公式为( 同 上) : h = ( 1 1 r ) . E d ( 1 + N ) 式中， h 裂缝发育最大深度: r 容重。 对于 淮南 矿区， 一般有: 严 6 m m
12、 lm , h = 5 m左右。 6个预测 值与实测 值( 在裂缝处 灌注白 灰浆， 然后开 挖测 得裂缝的 最大 深度 A t 比 表明，两 者之间的 平均误差约为0 .2 m . 预测模型表明: ( 1 ) 裂缝的 极限 深度与表土裂缝的临界 变形 值成正比 关系， 地表面上 裂缝的 极限宽度与 极限 深度成 正比关系: ( 2 ) 在开 采引 起的士体变形足够大的 情况下， 土体抗变形能力强， 则裂缝的 极限 深度、宽 度大， 在 裂缝区 域内 所产生的 裂缝的数量少( 即裂缝与裂缝之间的间隔大) 。反之，土体抗变形能力弱，则裂缝的 极限深度、宽度小， 在裂缝区 域内 所产生的裂缝的数量
13、多( 即裂缝深度、 宽度小， 但分布很密集) : ( 3 ) 土体抗变形能力强，要使它产生裂缝所需的变形就大，要使它达到裂缝的极限深度所需的变形 就更大。反之，土体抗变形能 力弱， 则很容易使它产生裂缝并随之达到它本身的极限深度。 ( 4 ) 采空区 边界 上方的 裂缝， 只有相 邻工作 面开 采后或 采用人 工充 填的方法 才能消 除。 4 堤体内 部竖向 移动变形特点 根据堤体内 部下沉实侧资料， 堤体内 部的下沉与采空区 的位置是密切相关的。在受采动影响过程中， 堤体( 表土体) 内部经历了 不同的竖向 变形， 如图3 。在受开采影响的 起 始阶段，土体内竖向处于微小的拉伸变形状态( A
14、曲线) ;当 监测位置在开采工作面前方且受到开采的明 显影响时. 土体 内竖向 处于压缩变形状态( B曲 线) ;当开采工作面推过监侧 钻孔位置后，监测钻孔位于采空区上方时，土体内竖向 处于 拉伸变形状态( C曲线) :如果采空区范围足够大( 达 到充分采动) 时，位于采空区中心正上方位置的竖向 遥 调 V_ _ _ _ _ 叹，叮 一一 皿 . - 护 a 3 C五 竖向 下沉曲 线动右变化规律 ( 相对于孔口 ) 绝农 ( 柑 栩廿 拉伸基本上消除 D曲 线) 。 根据堤体内部水平移动实测资料， 在不考虑地层 的排列结构的悄况下， 堤体( 表土) 内 部的水平移动具 有如下特点:当监测位置
15、位于移动盆地拐点以 外的外 边缘区域时，无论监测钻孔位于堤顶还是坡脚，从地 表( 堤 顶 ) 至 基 岩 面 的 各 点 的 水 平 移 动 始 终 是 ， 地 表( 堤 顶 ) 大， 深 部 小， 见 图4 所 示: 当 监 卜 测位置位于移动盆地拐点以内时，竖向 水平 移动规律则相反，即从地表( 堤顶) 至深部逐 渐增大。 从地表( 堤顶) 至基岩面的各点的水平移 动并不是完全均匀变化的，具 有明显的 分段 特性。出 现这种现象的主要原因是土层的 排 列结构和各土层的不同的 物理力学性质， 见 图 5 。 。图气 .己 .助 图5士体内 部水平移动实侧曲 线图 J!IJJ舀呀tf.刀 增刊
16、 衰充等:淮河下采嫌河 堤的移动变形特征及控制 2 0 0 1 年 9月 3 淮河大堤控制措施 淮堤的安全渡汛，是关系到淮南矿区安全的头等大事。 对采动淮堤的维护加固，遵循了以下基本 原则: ( 1 ) 切实 保证安全可靠， 特别是 确保 堤要有足 够的 安全储备 系数; ( 2 ) 既要考虑静态条件下 对堤防的工程要求， 又要顾及到地震的可能影响，以 及堤坝常年处于沉陷 变形的特殊工程条件: ( 3 ) 加固工程考虑取材方便因地制宜和少占 耕地; ( 4 ) 便于灵活施工 和加快 工程 进度: ( 5 ) 工 程按 大阶段可一次 性加宽 到 位、 小阶 段逐步 加高的 施工 方法; ( 6 加固 后便于汛期组织抢险，易于排除险 1 青 。 淮河大堤的主要控制措施为:
