采煤沉陷對泵站平臺影響的理論計算與監測對比研究*

化曉鋒

(南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109)

自由垮落法管理頂板開采方式開采地下煤炭資源必然會引起較大范圍的地面沉降，由此會對沉降范圍內地表建(構)筑物的安全穩定性及環境產生一定的不良影響[1-4]。關于煤層開采造成的開采沉陷預測，諸多研究者運用不同手段進行了分析研究工作，如現場監測[5-6]、概率積分法[7-8]、數值模擬[9-10]及相似模型等[11-12]。其中，概率積分法以其計算形式簡單、理論性強和結果可靠等諸多優點目前已成為國內最為常用的煤礦開采地表移動量化預測方法[7-8,13-14]。為此，本文以南水北調東線二級泵站廠區平臺南部存在高莊煤礦開采為研究背景，采用概率積分法分析開采沉陷對廠區平臺的影響并進行預測，并與現場地表布設的沉降監測結果進行對比，探究高莊煤礦開采沉陷可能影響泵站安全穩定性問題。

1 工程概況

南水北調東線工程從江蘇揚州附近長江下游干流抽引長江水，進入南四湖下級湖，經二級壩泵站提水進入上級湖[15-16]。二級壩泵站是南水北調東線工程的第10級抽水梯級泵站，工程場地位于蘇魯兩省邊界處的南四湖，是南水北調東線工程的重要調蓄水庫和蘇魯兩省分水地點。二級壩泵站為大(1)型泵站，是南水北調東線工程實現梯級調水目標的樞紐工程，泵站工程包括主副廠房、變電所、進水閘、引水渠、出水渠、導流渠等一級主體建筑物及二級壩公路橋、引水渠交通橋等三級附屬構筑物。泵站廠區位于南四湖上、下級湖之間的二級壩南側。

南四湖跨江蘇和山東兩省，湖下煤炭資源豐富，南水北調東線一期工程共有24座泵站工程，調查發現僅二級壩泵站工程受棗礦集團高莊煤礦采煤沉陷影響較大[17-18]。泵站工程場地南側臨近高莊煤礦開采的西十一采區，高莊煤礦靠近二級壩泵站廠區平臺最近的工作面為3上1107工作面。根據高莊煤礦西十一采區3上煤回采規劃，引水渠段大部分處于3上煤規劃采空范圍，北側走向回采邊界與泵站廠區平臺間距最小約350m(見圖1)。根據2013—2017年廠區平臺、引水渠、主副廠房等沉降監測資料分析，主、副廠房和廠區平臺受采煤影響較小，但引水渠南部沉降較大，引水渠較大監測范圍及南部的交通橋因開采沉陷已沉入水下[19]。孔令武等[20]結合2013—2019年的變形觀測資料分析了采煤沉陷對二級壩泵站引水渠過流能力影響，認為現狀引水渠過流能力滿足設計輸水功能要求。

圖1 泵站廠區平臺與開采工作面相對位置模型

二級壩泵站樞紐工程下面賦存的煤炭資源屬于華北型沉積煤層，為全隱蔽的石炭～二疊紀煤田。對泵站廠區平臺影響的南部高莊煤礦主采山西組含煤地層，即3煤層，在該區域大部分又分為3上和3下兩煤層，部分地段合并為一層(3煤)，基本全區可采。據初步統計，3上煤層平均厚度5.0m，3下煤層平均厚度4.0m，目前為止3下煤層仍未開采。為與地表監測數據進行對比，在此主要討論高莊煤礦開采西十一采區3上煤層后所引起的沉降波及泵站廠區平臺。

2 基于概率積分法的采動地表變形對廠區平臺的沉陷分析

根據泵站廠區平臺及南部已開采的高莊煤礦西十一采區工作面位置關系，結合該區域含煤地層結構賦存特征，采用概率積分法對西十一采區開采沉降及波及范圍進行了計算。首先對西十一采區進行單元網格劃分，確定相對坐標系，然后代入基于MATLAB基礎上的自行編寫的概率積分法應用軟件進行各塊段開采3上煤層所引起的開采沉降的計算，最后進行疊加獲得整個區域開采3上煤層所引起的西十一采區沉降及波及范圍。在此基礎上，考慮殘余變形，又計算出3上煤層開采完畢后的殘余沉降量。計算的主要結果如表1和圖2所示。

表1 泵站廠區平臺4個永久坐標點沉降量數據 mm

圖2 3上煤層采后廠區平臺場地采動沉降變形示意

采用概率積分法計算的開采3上煤層后廠區泵站平臺4個角點采動沉降量和殘余沉降量及總沉降量對比如表1所示。發現泵站廠區平臺從北到南受開采影響沉降逐漸增大。東南部的17號點位置受影響最大，總沉降量達13.6mm。但從數值的絕對大小來說，該值仍很小，基本接近文獻[13]中規定的開采后不受影響的穩定邊界區域。

高莊煤礦西十一采區3上煤層全部開采完畢后所引起的沉降分布特征如圖2a所示。由此可見，最靠近泵站廠區平臺的3上1107工作面開采完畢后移動邊界線距離泵站廠區平臺最近的17號點約110m，沉降邊界已越過該點，進入平臺約30m，但這時影響已很小。

根據泵站廠區平臺4個角點間距，結合概率積分法計算預測的泵站廠區平臺四角標識點位置的沉降變形累積值(見表1)，結合4個角點間距分別計算了開采3上煤層后廠區平臺采動變形梯度(見圖2b)。預測的泵站廠區平臺場地在走向、傾向方向的采動變形梯度均在0.01%以下，量化反映了采動引起的場地不均勻沉降程度非常小。

3 理論計算與監測對比分析

為保證二級壩泵站安全運行，組織實施了安全監測網的布設與監測。南水北調東線山東干線有限責任公司于2012年委托山東省水利勘測設計院進行了主要位置的相關變形監測[21]。為此，筆者對這些監測資料進行了系統整理與分析，根據廠區泵站平臺主要監測點所在建筑物分布特征，組成了集概率積分法計算點和已有歷年監測點于一體的泵站廠區平臺綜合對比圖(見圖3)。

圖3 廠區平臺剖面線(A—A′，B—B′)及場地主要監測點布置平面

為便于分析，建立了廠區泵站平臺中沿著進水渠和出水渠兩側如圖3所示A—A′和B—B′兩主要剖面線。根據圖2所示廠區平臺場地采動沉降變形坡度，可獲得整體上沿著A—A′和B—B′兩主要剖面線的開采3上煤層沉陷引起的沉降坡降分別為0.024 5，0.024 8mm/m。結合廠區平臺主要建筑物進水閘、進水池和主、副廠房沿著A—A′與B—B′兩主要剖面線布置的主要監測點各自與A點或B點間距，可初步獲得各監測點位置處因開采沉陷所引起的總沉降量(見表2)。由此可獲得廠區平臺主要建筑物3上煤層開采完畢后的最終總沉降量大致范圍為：進水閘橋附近11.63～12.12mm，進水池附近8.40～8.52mm，主、副廠房附近7.74～8.33mm，出水池附近7.44～7.56mm。對比廠區平臺沿兩剖面所布設的地表變形監測數據來看，12組數據基于概率積分法理論計算的總沉降量和實際監測的總沉降量基本一致，但各監測點對應的累計總沉降量均小于開采3上煤層計算的總沉降量。初步分析認為有3方面主要原因：①監測數據在時間上存在不統一性，監測點的監測時間有的早有的較晚，導致各監測數據總沉降量偏小，而理論計算是按預先設計開采時間持續計算的，是統一的；②各監測點在埋設前所在位置可能已發生開采沉陷，這樣就無法監測到前期沉降量，而概率積分法計算是從一開始有沉降就考慮的；③基于概率積分法計算的開采引起總沉降量包括殘余變形，這是需要很長時間才可能達到的結果。

表2 泵站廠區平臺主要監測點開采3上煤層與監測的沉降量部分數據對比

主、副廠房主要測點2013年2月至2020年5月沉降量觀測累計沉降量和月變化量歷時變化特征曲線如圖4所示，可明顯看出，6個監測點的累計沉降歷時變化曲線基本一致，整體上在波動中基本無大變化，最大沉降量約8.7mm(JH5，2014年2月)(見圖4a)；月沉降量一開始變化較大，最大變化約7.36mm(JH9，2016年1月)(見圖4b)。后期連續6個月基本不變，根據文獻[13]相關規定，主、副廠房沉降基本穩定，開采沉陷對主、副廠房的影響基本停止或沒受開采沉陷影響。

圖4 主、副廠房測點2013年2月至2020年5月沉降量變化特征曲線

限于篇幅，現場對主要建筑物同時進行了水平位移監測，如通過對泵站主、副廠房變形監測點水平位移累積量和月變化進行分析，發現這兩個數據在各監測點對應值也均很小，各期坐標差基本處于測量誤差范圍內，主、副廠房基本無水平位移產生；在垂直方向上，JH6，JH9，JH10 3點先有小幅度上升，后又緩慢沉降，年度累計沉降量變化不大，各點變化情況總體保持一致，變化幅度均勻且在允許范圍內，說明泵站主、副廠房處于穩定狀態。

4 結語

1)系統分析了二級壩泵站廠區平臺工程及場地地質與煤礦開采條件相互位置關系，提出了廠區平臺南部的高莊煤礦開采西十一采區對泵站安全運行可能存在一定影響，建立了開采影響范圍的理論計算模型。

2)采用概率積分法計算了開采3上煤層對泵站廠區平臺四角位置的沉降變形累積值和采動變形梯度，量化反映了僅開采3上煤層引起的場地不均勻沉降程度對廠區泵站平臺各主要設備的影響。

3)沿著廠區平臺進水池到出水池方向設定2條監測線(A—A′，B—B′)，結合監測點布置情況，依次計算了12個監測點因開采3上煤層所引起的總沉降量，與對應的監測總沉降量對比分析，發現兩者沉降量基本一致，監測值對應小于理論計算值，并結合主、副廠房監測值認為泵站廠區平臺目前沉降基本穩定。