南水北調(diào)中線工程禹州煤礦采空區(qū)保護(hù)設(shè)計(jì)

□申黎平 （河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

□王志剛 （南水北調(diào)中線建管局河南直管建管部）

□胡偉偉 （中國有色金屬工業(yè)六冶洛陽公司）

一、工程概述

南水北調(diào)中線工程是緩解河南、河北和京津地區(qū)水資源危機(jī)的特大型跨流域調(diào)水工程，該工程以城市供水為主要目標(biāo)，兼顧農(nóng)業(yè)與生態(tài)。工程線路長，地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是渠道沿線穿越煤礦區(qū)，其中較大的就有兩處，焦作煤礦區(qū)和禹州煤礦區(qū)。

南水北調(diào)中線一期工程總干渠在禹州市西南約7km處通過禹州煤礦區(qū)，禹州煤礦區(qū)目前涉及的生產(chǎn)礦井有：許昌新龍公司梁北煤礦；平煤集團(tuán)新峰四礦；梁北鎮(zhèn)郭村煤礦；梁北鎮(zhèn)煤礦等大型煤礦。其中有些煤礦已開采多年存在采空區(qū)，有些煤礦在總干渠外側(cè)開采，有向總干渠靠近的趨勢(shì)。

總干渠從煤礦區(qū)上穿過，如不對(duì)沿線總干渠進(jìn)行保護(hù)，易造成渠道沉陷、裂縫、漏水等，對(duì)工程的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重危害。為了總干渠的運(yùn)行安全，須對(duì)渠道下面采空區(qū)進(jìn)行處理，并對(duì)兩側(cè)正在開采的煤礦進(jìn)行限制開采。為了達(dá)到處理采空區(qū)的效果，以及減少對(duì)當(dāng)?shù)孛旱V企業(yè)的影響，確定煤礦區(qū)對(duì)總干渠的影響范圍，就十分重要。

二、煤礦區(qū)特征

禹州煤礦采區(qū)，地下有多煤層結(jié)構(gòu)，主要分布有二1煤層、六2煤層、六4煤層。

六2煤層、六4煤層屬于淺層煤層，煤層埋藏深度155.0～361.0m。

二1煤層為深層煤層，煤層埋藏深度159.4～1151.1m。

禹州采空區(qū)主要位于六2煤層、六4煤層中，已停產(chǎn)多年，深層煤層二1煤層正在開采，局部也在下一步規(guī)劃中。

根據(jù)現(xiàn)有煤礦區(qū)與總干渠的關(guān)系，南水北調(diào)工程要求，保護(hù)實(shí)施是迫在眉睫的事情。

三、壓煤渠段保護(hù)設(shè)計(jì)

（一）渠線保護(hù)寬度確定

南水北調(diào)中線工程作為大型水工建筑物，其保護(hù)煤柱等級(jí)按I級(jí)考慮。根據(jù)“三下”采煤規(guī)程的規(guī)定，渠線圍護(hù)帶的寬度為20m。填方及半填半挖段渠線地表受護(hù)寬度及全挖方段渠線地表受護(hù)寬度由下式進(jìn)行計(jì)算，渠線受保護(hù)寬度示意圖見圖1。

圖1 渠線受保護(hù)寬度示意圖

填方及半填半挖段渠線地表受護(hù)寬度：

式中：B—渠線受保護(hù)寬度，m；

b—1/2渠底寬，m；

A—內(nèi)邊坡寬，m；

Cl—外邊坡寬，m；

C21、C22-一、二級(jí)馬道上渠道邊坡的寬度，m；

5—堤面、一級(jí)馬道寬度，m；

2—二級(jí)馬道寬度，m；

S—渠道防護(hù)寬度，m；

W—圍護(hù)帶寬，20m。

（二）保護(hù)煤柱寬度的確定

根據(jù)工程的特點(diǎn)，按“三下”采煤規(guī)程中的垂線法圈定保護(hù)煤柱邊界。在表土層內(nèi)采用φ角、基巖內(nèi)則分別以斜交剖面移動(dòng)角β′、γ′代替β、γ角計(jì)算垂線長度。計(jì)算參數(shù)根據(jù)許昌均州煤炭咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院的《禹州煤礦區(qū)渠段地下壓煤、采空區(qū)分布核查報(bào)告》選用。煤柱保護(hù)寬度見圖2。

圖2 煤柱保護(hù)寬度示意圖

以表土層確定的煤柱寬度按下式計(jì)算：S=h·ctgφ

式中：h—表土層深度，m；

φ—表土層移動(dòng)角，度。

以基巖確定的煤柱寬度按下式計(jì)算：

式中：K1、K2—分別為煤柱在上山、下山方向垂線長度，m；

H—煤層到地表的垂深，m；

α—煤層傾角，度。

式中：

β′、γ′—分別為任一方位下山、上山方向移動(dòng)角，度；

β、γ、δ—分別為下山、上山、走向方向巖層移動(dòng)角，度；

θ—圍護(hù)帶邊界與煤層走向之間所夾的銳角，度。渠線保護(hù)煤柱寬度按下式確定：

式中各符號(hào)意義同前述公式，并參見圖2。

現(xiàn)列舉禹州礦區(qū)段局部深層和淺層渠線保護(hù)煤柱寬度計(jì)算成果，見表1。

四、保護(hù)煤柱的利用

保護(hù)煤柱寬度的確定，為渠道下一步施工實(shí)施提供了依據(jù)，具體利用有3個(gè)方面。

表1 渠線保護(hù)煤柱寬度 （單位：m）

（一）采空區(qū)處理范圍的確定

因采空區(qū)主要產(chǎn)生于地表下的淺煤層，根據(jù)工程的特點(diǎn)，按“三下”采煤規(guī)程圈定保護(hù)煤柱邊界。按勘測(cè)資料提供的淺層煤層的參數(shù)計(jì)算的保護(hù)煤柱寬度與采空區(qū)的實(shí)際分布區(qū)域，交集部分即為采空區(qū)處理注漿范圍。

（二）渠道兩側(cè)的永久保護(hù)

對(duì)渠道以后運(yùn)行產(chǎn)生長遠(yuǎn)影響的，主要還是深層煤層以后的開采，在確定渠道兩側(cè)的永久保護(hù)寬度時(shí)，需采用深層煤層的參數(shù)計(jì)算的保護(hù)煤柱寬度。保護(hù)寬度確定后，為了保證中線一期工程總干渠的安全，須禁止所有煤炭單位在渠道保護(hù)煤柱的范圍內(nèi)進(jìn)行開采活動(dòng)，以防止煤田的開采造成地表的各種變形，給渠道帶來不利的影響。

（三）渠道壓煤量的統(tǒng)計(jì)

總干渠穿越煤礦區(qū)，圈定的保護(hù)范圍，必將會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)孛禾科髽I(yè)開采造成不利影響，根據(jù)煤層傾角，煤層厚度即可計(jì)算出渠道占?jí)旱膲好毫?，也可為下一步國家補(bǔ)償提供依據(jù)。