地下礦山開(kāi)采對(duì)引灤入津輸水隧洞影響分析

張 峰

(煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北 唐山 063000)

引灤入津隧洞承擔(dān)著由遷西大黑汀水庫(kù)向天津市輸水的任務(wù)，隧洞的安全關(guān)系著整個(gè)天津市生活用水能否正常供給，因此保障引灤入津隧洞工程的安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

輸水隧洞位于鐵礦賦存豐富的遷西市和遵化市境內(nèi)，在隧洞工程兩側(cè)分布著大大小小的鐵礦石開(kāi)采企業(yè)，隨著周邊鐵礦開(kāi)采規(guī)模的逐年擴(kuò)大，其開(kāi)采區(qū)域逐步向隧洞靠近，當(dāng)鐵礦石的開(kāi)采影響波及到輸水隧洞工程，隧洞將會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂或坍塌損壞，致使涵洞內(nèi)的水大量流失，甚至發(fā)生斷流，造成供給天津市的水量減小或中斷，因此，為了確保引灤入津輸水隧洞的正常使用，對(duì)地下礦山開(kāi)采影響和爆破影響范圍進(jìn)行分析，確定輸水隧洞的保護(hù)邊界具有重要意義。

1 輸水隧洞概況

隧洞主體工程包括分水樞紐、引水明渠、明挖隧洞、出口防洪閘及消能工程等。

洞挖隧洞洞身為半圓拱型鋼筋混凝土無(wú)壓隧洞，斷面尺寸5.7m×6.25m。

明挖隧洞均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按覆土埋深又分為兩種類型：①頂部覆土厚度大于5m，為封閉式圓拱直墻型，凈寬5.7m，凈高6.25m，頂、墻、底厚度分別為0.6m、0.7m、1.0m；②頂部覆土厚度小于5m，為方涵型，凈寬5.7m，凈高5.1m至5.7m，頂、墻、底厚度分別為0.8m、0.7m、1.0m。

明渠全部為鋼筋混凝土矩形槽式整體結(jié)構(gòu)，凈寬5.7m。進(jìn)口明渠底板厚1.0m，邊墻頂寬0.5m，底寬1.0m，墻高一般6～7m；出口明渠底板厚0.7m，邊墻頂寬0.4m，底寬0.7m，凈高一般5.7～3.0m。

隧洞沿線屬低山丘陵區(qū)，大部分高程在+145～+200m之間(黃海標(biāo)高，下同)，沿洞線有大小低凹溝谷二十余處。其中橫河谷地寬達(dá)500余米，地形最低標(biāo)高120m，其余溝谷寬窄不等，其高程都在130～150m之間。

隧洞底板高程在105～115m之間，相應(yīng)埋深大都在40～60m左右，個(gè)別處超過(guò)100m，在低凹溝谷處埋深較淺。

2 礦山開(kāi)采及基巖巖性

隧洞及周邊埋藏著豐富的鐵礦資源，在隧洞及兩側(cè)呈高角度帶狀分布，由于該區(qū)域礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量較小且分布散亂，目前隧洞周邊均為規(guī)模較小的鐵礦開(kāi)采單位，一半以上為露天開(kāi)采，接近一半為井工開(kāi)采，由于露天開(kāi)采的淺部資源已近枯竭，因此本文針對(duì)井工開(kāi)采鐵礦對(duì)輸水隧洞的開(kāi)采影響進(jìn)行分析。

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礦脈總體走向20°～40°，傾向北西，傾角60°～75°，與隧洞夾角為30°～60°，礦體厚度0.4m～2.0m，開(kāi)采方法為無(wú)底柱采礦法分段開(kāi)采。

基巖除局部為元古界石英巖外，幾乎全部為太古界上川組和三屯營(yíng)組片麻巖，巖性復(fù)雜，主要為黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、變粒巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖等，片麻理一般明顯，其中穿插有各時(shí)期性質(zhì)不同的巖脈，如煌斑巖、閃長(zhǎng)巖、偉晶巖等，厚度都不大。

片麻巖和巖脈都屬堅(jiān)硬塊狀巖石，濕抗壓強(qiáng)度大多在800kg/cm2以上，除構(gòu)造巖外軟弱巖層極為少見(jiàn)。

片麻巖風(fēng)化較強(qiáng)，東段風(fēng)化較淺，風(fēng)化層厚為10m左右，西段較深，一般都在20～30m之間，隧洞洞身絕大部分都在弱風(fēng)化及微風(fēng)化巖層內(nèi)。

輸水隧洞地段主要受到兩個(gè)山字型構(gòu)造影響，斷裂比較發(fā)育，斷層帶巖石很破碎。

第四系松散沉積物在隧洞區(qū)域不發(fā)育，主要分布在河床溝谷地帶，厚度最大為10m。

3 開(kāi)采影響因素分析

采取井工開(kāi)采方式進(jìn)行鐵礦石開(kāi)采，隨著下部空采場(chǎng)面積的擴(kuò)大，空?qǐng)錾细矌r層產(chǎn)生垮落、斷裂、彎曲，使相應(yīng)地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，并逐漸形成一個(gè)比采空區(qū)范圍大得多的地表沉陷盆地[1-2]。

在地表下沉盆地的形成過(guò)程中，由于改變了地表原有的形態(tài)，引起地表出現(xiàn)高低、坡度及水平位置等變化，對(duì)其范圍內(nèi)的道路、管路、河流、建(構(gòu))筑物等都帶來(lái)了不同程度的影響，這種影響一般是由地表通過(guò)建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)傳遞到上部結(jié)構(gòu)，使建(構(gòu))筑物產(chǎn)生移動(dòng)和變形[2]。

另外，由于鐵礦的開(kāi)采深度小，在開(kāi)采過(guò)程中爆破產(chǎn)生的震動(dòng)影響，對(duì)地面的建(構(gòu))筑物影響也較大。爆破地震波傳播到地表，將會(huì)引起地表震動(dòng)，即為爆破振動(dòng)。由此引起的地面以及地面上的物體產(chǎn)生顛簸和搖晃的現(xiàn)象及后果叫地震效應(yīng)，一旦震動(dòng)速度超過(guò)了地表建(構(gòu))筑物所承受的標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂或坍塌破壞。

因此，影響輸水隧洞安全的主要是鐵礦開(kāi)采沉陷和爆破震動(dòng)兩個(gè)影響因素。

4 開(kāi)采影響范圍確定

4.1 開(kāi)采沉陷影響范圍

井工開(kāi)采沉陷影響范圍一般由邊界角值確定，邊界角是地表移動(dòng)盤(pán)底邊緣至采空區(qū)邊界的連線與水平線在礦柱一側(cè)的夾角。當(dāng)有松散層時(shí)，應(yīng)將邊界點(diǎn)沿松散層移動(dòng)角方向投到基巖面上[1]。

參照原煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》,結(jié)合隧洞區(qū)域的基巖巖性特征，綜合確定該區(qū)域最小開(kāi)采影響邊界角為55°。

依據(jù)目前鐵礦開(kāi)采深度為70m以內(nèi)，考慮將來(lái)礦井延伸，確定開(kāi)采影響計(jì)算深度為100m。按照確定的最小開(kāi)采影響邊界角和開(kāi)采影響計(jì)算深度，經(jīng)計(jì)算鐵礦開(kāi)采影響半徑為70m。

4.2 爆破震動(dòng)影響范圍

水工隧道、交通隧道等的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度，震動(dòng)速度在所承受的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，才能保證隧洞能夠安全使用。

爆破振動(dòng)安全允許距離，可按下式計(jì)算：

式中：R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大一段藥量，kg；V為保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，cm/s；K、a為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

輸水隧洞的安全允許振速為選7cm/s，地質(zhì)條件系數(shù)K值為250，衰減指數(shù)a為1.5[3]。

鐵礦開(kāi)采所使用的炸藥量，掘進(jìn)工程為40kg，回采作業(yè)為300kg。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在掘進(jìn)階段爆破震動(dòng)安全距離為37.1m，回采階段爆破震動(dòng)安全距離為72.6m。

為確保引灤入津隧洞工程的安全，隧洞邊界外側(cè)各留設(shè)20m作為維護(hù)帶，應(yīng)控制地下礦山開(kāi)采影響區(qū)位于隧洞維護(hù)帶以外，綜合分析輸水隧洞周邊鐵礦開(kāi)采沉陷影響和巖石爆破產(chǎn)生的震動(dòng)影響，確定輸水隧洞保護(hù)區(qū)范圍為維護(hù)帶以外72.6m。

5 結(jié)語(yǔ)

在地下礦山的開(kāi)采過(guò)程中，常常對(duì)位于開(kāi)采區(qū)域上方或周邊的建(構(gòu))筑物，產(chǎn)生沉陷、開(kāi)裂、倒塌等損壞影響，為了達(dá)到既合理開(kāi)采礦產(chǎn)資源又有效保護(hù)地面建(構(gòu))筑物安全的目的，必須科學(xué)地對(duì)開(kāi)采影響范圍進(jìn)行分析，本文針對(duì)鐵礦井工開(kāi)采對(duì)輸水隧洞影響范圍的分析，希望能對(duì)類似條件下開(kāi)采影響范圍確定具有一定的借鑒意義。

[1] 鄒友峰，鄧喀中，馬偉民. 礦山開(kāi)采沉陷學(xué)[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003.

[2] 劉天泉.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1981.

[3] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB 6722-2003.爆破安全規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.