综放开采条件下河道治理的可行性研究

郑 辉，田文书，李 亮，李召龙

（1.兖矿集团有限公司，山东邹城 273500;2.济宁市黄淮水利勘测设计院，山东济宁 272000; 3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116）

综放开采条件下河道治理的可行性研究

郑 辉1，田文书2，李 亮3，李召龙3

（1.兖矿集团有限公司，山东邹城 273500;2.济宁市黄淮水利勘测设计院，山东济宁 272000; 3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116）

以鲍店矿泗河下采煤为例，通过理论分析和模拟计算，研究了煤层开采对堤体和河槽的影响，并对河下采煤后河道治理的可行性进行了分析。得出的结论主要有:河下采煤不仅引起河床、滩地下沉，堤顶高程降低，堤防、滩地及护堤地开裂，而且引起河势改变。可以通过先进的堤防加固技术、裂缝处理技术、护岸技术使河道的功能得到恢复。

综放开采;采动影响;河道治理

水体下压煤是我国东部矿区目前普遍面临的问题［1］。随着近几年煤炭资源越发的匮乏，很多煤矿不得不对水体下煤炭资源进行回采，以延长矿井的服务年限，保证矿区煤炭生产的可持续发展。但是，煤层开采后，移动变形发展到地表，往往引起河道的下沉，导致水流速度的改变，破坏河流的冲淤平衡，同时开采引起的大量地表裂缝使得堤防的稳定性及防渗能力受到严重损害［2－3］。因此，为了保证河湖和堤防的安全，开展煤层开采后的河道治理的可行性研究显得尤为重要。

1 开采对堤体稳定性影响分析

1.1 开采引起堤体标高的下降

以鲍店矿1312工作面泗河下开采为例说明开采沉陷对堤体标高下降的影响。1312工作面平均采深359m，采厚8.8m，东西长约856m，南北宽约245m，由西向东横向斜穿泗河，切眼位于工作面西部泗河右岸滩地内，工作面穿越泗河左堤的桩号为26+050～26+300，见图1。开采后引起河道25+800～26+500段左右滩地、河床及左岸堤防变形。河堤沉陷情况如表1。

图1 1312工作面井上下对照

表1 河堤沉陷情况

从表1中可以看出，受工作面开采的影响，堤体的标高发生不同程度的下降，河堤最大下沉值近5m，其防洪能力受到很大的影响。

1.2 堤体防渗及稳定性分析

受开采引起的拉伸变形和正曲率变形的影响，堤体一些区段会出现拉伸裂缝，部分区段的材料属性会变得比设计值疏松，堤体内部孔隙率的增大会导致渗流量的增加，影响堤体的渗流稳定性。

受工作面开采引起的倾斜变形的影响，堤体的坡度发生变化，对变陡的边坡，其抗滑能力有所减小。在鲍店煤矿1312工作面开采的过程中，最大出现68mm/m的倾斜值，可以改变边坡坡度为3.9°，对边坡的稳定性构成影响。在自然条件、水位变化和渗流的影响下，边坡容易发生失稳。

2 开采对河槽的影响分析

2.1 开采沉陷引起水面线改变

以鲍店煤矿1312工作面为例说明沉陷对水面线的影响，采用《天然河道复式断面的水面线推算程序》，对河道沉陷前后设计洪水下的水面线进行推算。

根据推算结果:26+100，26+200断面沉陷最大，从26+200向上下游沉陷逐渐变小，形成了马鞍型沉陷曲线，河底变化从25+800～26+200为负比降，从26+200～26+500段比降加大。断面25+ 800以下河段水位没有变化，从25+800～26+200段，水位壅高，最大壅高达40mm;26+300断面水位基本不变，26+300～26+500段水位下降，最大下降30mm;直到29+000处，水位恢复沉陷前正常。采煤沉陷对水面线的影响不仅在塌陷段，而且将影响到超出沉陷段2.5km外的上游段。

2.2 开采沉陷引起河势变化

根据参考文献 ［4］中式1，分别计算水面线变化段河槽遭遇规划洪水及中小洪水时的最大允许不冲流速 v不冲和最小不淤流速 v不淤。鲍店煤矿1312工作面开采沉陷前后，泗河50a一遇洪水时流速见表2。

式中，c为系数，粉土取0.96;R为水力半径，m; c'为根据河道水流泥沙性质而定的系数，取0.6。

从表2看出，河道沉陷同样引起流速的改变，对河槽的冲淤产生影响，塌陷后25+900～26+300段将出现淤积，26+500～26+700段产生冲刷。

表2 流速比较 m/s

2.3 开采对河道流场影响的数值模拟分析

为更为直观地反映开采对河道流场的影响情况，利用fluent软件［5］建立数值模型，对河道25+ 800～26+500段受1312工作面开采影响前后的流态情况进行模拟计算。

2.3.1 煤层开采前河道流态分析

图2为建立的原河道三维模型，给定进口速度为0.5m/s时，河道内整体流场情况如图3。从图中可以看出在河道塌陷以前流态平稳。且从进口断面到下游，在重力的作用下流速有增加的趋势，在下游6m左右流速达到最大值，为1.49m/s;出口断面的流速0.2 m/s。

图2 原河道三维立体图

图3 原河道流场

2.3.2 开采影响后河道流场分析

开采影响塌陷后河道三维数值模型如图4。

分2种情况分析，一种是河道高水位时流态分布，一种是中水位时流态分布。对每种情况分别计算X，Y，Z三个方向上多个剖面的速度流线。其中，高水位时Z方向选取的剖面位置如图5。

图4 塌陷后河道三维立体图

图5 沿Z方向各剖面

在高水位时，Z1剖面流速相对比较平稳，流速在0.8m/s左右，是流速反向的平缓漩涡分流;Z2剖面流速相对比较紊乱，流速在0.4～0.8m/s之间，是总体流速反向的、面内漩涡分流;Z3剖面流速相对比较平稳，流速在0.4～0.8m/s之间，是流速正向的上、下涡流的上平缓区;Z4剖面流速渐变平稳，由于存在着较大的垂直分量流速，因而在水平方向流速分布非常不均匀，流速从3m/s～1m/s～3m/s之间变化，是流速正向的水平方面的变速区，是产生塌陷区涡旋的主因。见图6。

图6 Z4剖面速度流线

采用同样的方法对高水位、中水位2种情况X方向4个剖面、Y方向4个剖面和Z方向4个剖面的流态进行了分析，经过分析研究，得到在开采沉陷的影响下，河道25+900～26+300段将出现淤积，26+500～26+700段产生冲刷，与理论分析的结果一致。

3 河道治理技术的可行性分析

3.1 河道沉陷破坏程度的确定性

河下采煤将在地表形成移动盆地，对河道造成堤防下沉、堤身裂缝等损害，对行洪安全、防汛抢险及现有水利工程及设施造成不利影响。以大量的实测资料作基础，通过对厚煤层综放开采条件下覆岩地表变形规律的研究可知，河下采煤引起的河道损毁及水利工程的不利影响在时间和空间上均是可以定量的预测出来，而且预测的准确度是可满足工程治理要求的。

3.2 恢复河道功能技术的可行性

3.2.1 河道及堤体下沉治理的可行性

开采引起的堤防下沉，可以采用对堤防进行加高加宽措施或预加固措施进行治理。对开采引起的河床下沉，由于下沉盆地处于淤积状态，直至达到相对的动态冲淤平衡状态，可以对河床进行人工回填或不进行治理。对开采引起滩地和护堤下沉、积水，丧失原有的对河堤的保护功能，可以通过对滩地和护堤地进行回填，恢复其功能来进行治理。目前国内对堤防治理技术和除险加固方法研究的比较充分，技术发展的比较成熟。

3.2.2 裂缝治理的可行性

河槽内的裂缝在自然淤积作用下会逐渐被堵塞恢复，河槽内裂缝与滩地及堤防内裂缝在竖向上不会形成连续的通道，不需要进行特殊处理。滩地和护堤地上的裂缝与堤防上的裂缝在高度上是不连续的，如能处理好堤防上的裂缝，对滩地及护堤地进行恢复，裂缝对河道功能将不会构成威胁，因此，关键是做好堤体裂缝的处理。国内目前常用的治理方法有开挖回填、充填灌浆等。这些方法在技术上比较成熟，已经在众多堤坝防洪抢险工程中得到应用，效果良好。

3.2.3 水面线及河势控制的可行性

针对河下采煤引起的河道水面线改变、河势改变等对河道造成的不利影响，可通过加高回填滩地、对河岸采取抛石护岸、砌石护岸等工程措施，控制河势，使河势向有利的方向发展。目前河道整治技术已经非常成熟，为河势控制提供了技术上的可行性。

4 结论

（1）开采对堤体的影响主要为3个方面:堤体标高的下降、边坡坡度的变化和堤体材料渗流的变化。

（2）开采对河槽影响主要为:开采引起水面线、河势的改变，以及对河道渗流场的影响。

（3）通过先进的堤防加固技术、裂缝处理技术、护岸技术可使损毁的河床、滩地达到稳固，使河势得到控制、使堤防高程及完整性得到恢复。开采结束后，河道的功能恢复在技术上是可行的。

［1］袁 亮，吴 侃.淮河堤下采煤的理论研究与技术实践［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［2］李 亮.高强度开采条件下堤防损害机理及治理对策研究［D］.徐州:中国矿业大学，2010.

［3］谭志祥，王宗胜，李运江，等.高强度综放开采地表沉陷规律实测研究［J］.采矿与安全工程学报，2008，25（1）.

［4］赵振兴，何建京.水力学［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［5］李效旭，郑 源，茅媛婷，等.基于Fluent的泵站侧向前池整流数值模拟及优化［J］.水利科技与经济，2011（4）.

Feasibility of River-way Treatment under Full-mechanized Caving Mining Condition

ZHENG Hui1，TIANWen-shu2，LILiang3，LIZhao-long3

（1.Yankuang Group Corporation，Zoucheng 273500，China;2.Jininig Municipal HuanhuaiWater Survey＆Design Institute，Jining 272000，China; 3.Environment＆Survey School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China）

Taking themining coal-seam of Baodian Colliery under Si River as example，this paper researched influence of coal-seam mining on dyke and riverway and analyzed the feasibility of riverway treatmentaftermining by theoretical and simulation Following results were obtained Mining coal-seam under river would not only cause subsidence of river way and beach，surface fissure，but also change river way River way function could be recovered by advanced dyke reinforcement technology，fissure treatment technology and retaining wall technology.

full-mechanized cavingmining;influence bymining;river way treatment

TD823.8

A

1006-6225（2011）05-0040-03

2011－06－05

郑 辉 （1971－），男，山东济宁人，工程师，主要从事测量工程及开采沉陷研究工作。

［责任编辑:张玉军］

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