南水北调中线邯邢段选线研究

孟锁兰,陈宝玉

(1.河北省水利水电第二勘测设计研究院,河北石家庄 050021;2.河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250)

南水北调中线邯邢段选线研究

孟锁兰1,陈宝玉2

(1.河北省水利水电第二勘测设计研究院,河北石家庄 050021;2.河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250)

总干渠邯邢渠段经过邢台区域两侧蕴藏着丰富的矿产资源,其合理开发有利于国民经济的发展,同时南水北调工程是关系到国计民生的重大工程,其运行安全至关重要。通过对采空区沉降变形机理及对地面建筑物危害分析研究,确定了总干渠选择线路的原则。在对邯邢段沿线矿产资源开采现状进行大量地质调查和资料分析工作的基础上,多次进行线路选择优化比选,成功地避开采空区并大大减少了占压矿产资源量,确保了总干渠施工及运行安全,同时也为类似工程选线提供了借鉴和参考。

南水北调工程;选线;资源占压

1 工程概述

南水北调中线工程是缓解河南、河北和京津地区水资源危机的特大型跨流域调水工程,自汉江中游丹江口水库引水,经湖北、河南、河北,直至北京,全长1 240 km。河北省邯邢渠段全长约172 km,渠线南起自漳河北岸,沿京广铁路西侧山前倾斜平原及低丘垅岗边缘向北,经过磁县、邯郸县、邯郸市、永年县、沙河市、邢台市、邢台县、内丘县和临城县,至邢石交界处止。总干渠输水设计流量235 m3/s,加大流量265 m3/s,渠道底宽16.5～26.5 m,永久占地宽度90～305 m[1]。

渠线经过的邢台区域两侧蕴藏着丰富的煤炭、石墨、铁矿、石膏及石灰石等矿产资源,是国家的宝贵财富和不可再生的天然资源,合理开发有利于国民经济的发展,同时南水北调工程是关系到国计民生的重大工程,其运行安全至关重要。为避免总干渠因矿产采动后地表产生沉降变形影响运行安全,尽量少的占压矿产资源,合理选择总干渠线路,使二者相互影响降到最低。

2 采空区沉降变形机理及危害

矿产资源地下开采形成一定的空间后,上覆土岩层失去了原始应力平衡状态,在重力作用下开始垮落充填采空区。由于冒落岩石的碎胀性采空区被充满,覆岩不再继续冒落,将产生弯曲下沉、位移、裂缝。其发育程度由下往上逐步减弱,直至裂隙尖灭。采空区面积扩大到一定范围后,岩层移动发展到地表,使地表产生移动和变形。地表的移动和变形在空间和时间上是连续的、渐变的,具有明显的规律性,以致地表产生移动盆地、裂缝及台阶,甚至产生塌陷坑。煤矿采空沉降变形过程一般是缓慢的、持续的,因开采面积大,对地表影响范围也大;而铁矿采空由于开采矿体厚度大,采空区范围较为集中,留设安全井柱较小,加上顶部灰岩层性脆和地下水的影响,极易产生采空区地表沉陷,沉陷过程较短暂,沉降幅度巨大,地表表现主要以垂直位移为主,沉陷影响范围较小,仅限于采空区附近。

综上所述,矿产资源采动后致使地表产生沉降变形,危及地表建筑物使用安全。尤其是对水利工程威胁巨大,轻者降低渠底和堤身高程、水工建筑物发生倾斜,使工程原有功能降低;重者使渠水大量溃入裂缝或塌陷坑内,危及渠堤、坝等其它水工建筑物及地下开采矿井的安全,造成生命和财产的严重损失。

3 总干渠选线原则及过程

总干渠线路从1995年可行性研究设计阶段进行选定线工作开始,本着南水北调工程尽可能避开采空区、少占压矿产资源的原则,结合地形地貌及地面附着物分布等因素初步确定。1997年河北省南水北调办公室委托煤炭工业部石家庄设计研究院对沿线矿产企业分布情况进行了调查,就有关总干渠河北省段各煤田的基本概况、煤层赋存条件、总干渠与各煤田位置关系、压覆煤田资源量等有关问题进行了详细论述,并对留设保护煤柱、流经邵明煤田采空区、压煤损失等主要工程问题及今后的工作提出了建设性意见。依据成果报告占压煤炭资源情况,对渠线经过东庞煤矿段进行了微调,渠线东移绕过东庞煤矿资源区,从而减小了压煤损失;另外在渠线经过的邵明煤田区域增加了对采空区地面变形观测措施,为决策线路走向和在渠道设计中采取相应措施提供依据。调整后总干渠保护煤柱范围内无采空区分布,仅占压邢台煤矿等7个企业煤炭资源量约1 800万t[2]。

近些年,随着国民经济的发展,社会对资源的开发利用量大量增加,沿总干渠两侧的矿产资源企业增加或不间断生产使原有采空区进一步扩大,尤其是近几年国家产业政策变化,允许个体私营企业开矿,这些企业由于缺乏资金和技术力量,管理落后,缺乏规范的生产行为,造成资源的无序开采与浪费,危害地面建筑物安全。尤其在邢台邵明煤田区,早期的乱采乱掘和近期的无规律开采形成大小不一、形态各异的地下采空区,已引起地面沉降、裂缝等一系列工程地质灾害,对即将建设的南水北调中线工程构成了潜在威胁。

鉴于以上情况,在2004年本院为解决总干渠沿线占压矿产资源、矿区开采及已有采空区沉陷对工程安全运行的影响等重大问题,对沿线开采企业进行了详细调查和收集资料,先后走访了河北省煤田地质局、邢台煤炭工业办公室等十几个行业主管单位,对总干渠穿越北掌、邢台、先贤、邢北、东庞、磨窝、邵明、临城煤田区和上郑铁矿区等涉及的40多个矿产企业的生产现状进行了调查核实,了解了各矿井生产建设概况、开采资源边界、矿层基本情况、已有采空区分布、开采现状及远景规划等大量成果和动态资料。

通过调查,总干渠中心线两侧1 km范围内现状分布着具有开采和探矿权矿产企业达40多个,矿种分为煤矿、铁矿、石膏矿、石墨矿、石灰石矿及建筑砂矿,企业经营性质分为国营、集体、个体。经过资料分析,总干渠压覆矿产开采企业增至19个,压覆资源量增加至2 965.6万t,其中渠线经过东庞、邵明煤田区和上郑铁矿区涉及的6个开采企业在总干渠永久占压和留设保护范围内已有采空区分布,已对工程安全构成威胁;另外总干渠从北掌煤田勘探区中间穿过,将河北省重点能源接替基地的北掌煤田一分为二,占压大量较好的煤炭资源,造成北掌煤田不能合理开发利用。

针对上述情况的变化,本院组织有关技术人员多次现场查勘,重点对涉及采空区区域进行排查,找矿产开采企业技术人员座谈,与矿产业务主管部门交换意见,开展了大量的资料分析和研究工作。对总干渠穿越北掌、东庞、邵明煤田区和上郑铁矿区线路进行研究和综合经济技术比较后,局部进行了调整,调整后已基本避开采空区并在条件允许下移出矿产资源区,涉及开采企业数量和压覆矿产资源量大大减少,使企业和国家矿产资源损失降到最低。

现选定线路内总干渠占压和留设保护资源范围内共涉及企业17个,其中煤矿9个、探矿权2个、铁矿2个、石墨矿1个、石灰石矿2个、建筑砂矿1个。对压覆矿产资源性质、工程安全与矿产资源开采的关系有了定性和定量的结论意见。

通过对总干渠线路进一步优化,使得南水北调工程选线更为合理,确保了总干渠渠道及建筑物施工及运行安全。

4 总干渠占压矿产资源量

总干渠占压及留设保护煤柱范围计算,采用煤炭工业部《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,南水北调工程保护等级按Ⅰ级考虑,总干渠设计占地宽度两侧需增加围护带宽度按20m计算,两侧留设保护煤柱宽度计算方法采用垂直剖面法,保护煤柱边界用移动角圈定,松散层(包括第四纪和新第三纪未成岩的沉积层)移动角φ均采用45°,基岩上山移动角β采用73°(邵明煤田区采用70°)、下山移动角γ采用73°～0.6α(邵明煤田区采用70°～0.8α)(α为开采煤层倾角)[3]。占压及留设保护煤柱宽度=渠道永久占地宽度+两侧围护带宽度各20 m+矿层开采导致上覆土岩层垮落影响地表变形保护范围边界。

露天开采的石灰石矿及建筑用砂压覆资源量计算,依据矿产资源总体规划中关于铁路、省级公路、南水北调干渠两侧各300 m,通讯光缆、输油管道、水库等重要基础设施、重大工程设施及其周围一定范围内禁止开采矿产资源的有关规定。

2007年委托河北省保定地质工程勘查院对总干渠沿线压覆17个企业矿产资源量进行了调查评估工作,合计压覆煤炭资源750.04万t、铁矿资源51.36万t、石墨矿资源3.38万t、石灰矿资源505.64万t、砂矿资源59.38万m3[4]。

5 结语

通过对采空区沉降变形机理及对地面建筑物危害分析研究,确定了总干渠选择线路的原则,应完全避开采空区,在条件允许下尽量绕开现状资源开采区,从而确保工程长期安全运行。在对邯邢段沿线矿产资源开采现状进行大量地质调查和资料分析工作基础上,线路选择多次进行优化比选,成功的避开采空区并大大减少占压矿产资源量,确保总干渠施工及运行安全,达到工程安全与矿产资源合理开发利用并举的目的。

截止目前,已委托相关单位对工程涉及的17个企业压覆损失进行矿业权和资产价值评估,评估工作已基本完成。

总干渠河北省邯邢渠段即将全线动工兴建,为确保工程施工和运行长期安全,建议由政府主管部门主持下尽快与矿产企业达成赔偿协议,对总干渠构成潜在威胁的开采企业予以关停或调整其开采范围,严禁越界开采,以防止持续开采造成采空区进一步扩大对工程产生不利影响。

[1] 南水北调中线一期工程总干渠初步设计报告[R].石家庄:河北省水利水电第二勘测设计研究院,2004:5.

[2] 南水北调中线工程压覆煤炭资源及采空区补救措施研究[R].石家庄:煤炭工业部石家庄设计研究院,1997:151.

[3] 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,1985:29.

[4] 南水北调中线总干渠工程建设河北省南段压覆矿产资源调查评估报告[R].保定:河北省保定地质工程勘察院,2007:10.

(责任编辑:胡立智)

Research on Line Selection of the Hanxing Section in the Middle Route South-to-North Water Transfer Project

MENG Suolan1,CHEN Baoyu2
(1.The Second Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang,Hebei050021;2.Hebei Inverstigation Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower,Tianjin00250)

There is rich in mineral resources in the both sides of Xingtai area which through by Hanxing channel of the main channel,rational exploitation of the resources is favorable for the development of national economy,at the same time,the South-to-North water transfer project is related to people’s livelihood,so operation safety is very important.According to the studies of settlement and defor mation of the goaf and its hazard to the ground building,the principle of line selection for the main channel was determined.Based on geological survey and data analysis for the mineral resources,the optimum comparison and selection of the line has been carried out formany times,it is successful to avoid goaf and greatly reduce the amount of resources occupancy,which ensures construction and operation safety of the main channel and provides reference for the s imilar projects.

The South-to-North water transfer project;line selection;resource tied up

TV68

A

1671-1211(2010)05-0535-03

2010-07-10;改回日期:2010-09-10

孟锁兰(1963-),男,高级工程师,工程地质与水文地质专业,从事工程地质与水文地质勘察工作。E-mail:mengsuolan@sina.com