科技与生活杂志：河堤下采煤超前复堤设计与应用 |
| 2012-11-26 09:25 作者：www.guigu.org 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月26日文】据《科技与生活》杂志2012年第17期刊文，对未开采工作面II7212、72510、II8213、II8214、51510、5111、5115等7个工作面，先用概率积分法进行下沉预计，得出科学合理河堤下沉值，然后以断面划分，设计不同断面之间的标高，从而在上述工作面开采完成以后，使澥河河堤处于同一标高。
地下煤层被开采出来后，开采区域周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，开采煤层的上覆岩层将产生移动、变形与破坏，当开采面积达到一定范围后，移动与变形将波及到地表，使地表产生沉陷，位于沉陷区范围内的水工建筑物难以正常使用。皖北煤电集团恒源公司任楼煤矿井田部分段位于澥河上方，其工作面回采势必造成澥河河堤的下沉。为了保护河堤两岸村庄和人民财产安全，今特对澥河河堤进行超前复堤加固。
1地质概况
1.1地层结构情况
澥河大堤向下分别为新生界的第四系和第三系，从四含底界与含煤地层的二叠系相连，再向下是含水较丰富的石炭系和奥陶系。
河堤下方的含煤地层为向东倾斜的单斜构造，倾角16°~18°。
1.2土层结构情况
本区澥河堤顶高程26.8m~29.4m，堤顶宽5m~19m，北堤有两条进河水沟，南堤有一条取土沟堑，南北堤各有1~2处废砖窑等。河堤两侧西段有复垦鱼塘，中东部地势平坦，地面标高23.6m~25.1m。
本区地层均为第四系洪水冲积层，地下水主要赋存于表土层向下3m~4m深的砂质土层中（俗称流砂层）。在流砂层上部都是夹带砂浆的粘土层，这是复堤的主要土源层。
1.3水文地质情况
根据近年（1994~2008年）任楼矿在澥河沿岸设立的三个水位站（任桥、塌陷区电杆、胡桥）观测的资料统计，在2003年7月测得的最高洪水位分别是25.86m、25.34m和25.32m。
澥河水位旱季在21.2m~22.0m，雨季在23.0m~24.5m。只有1996、2000、2005、2007年的7月初接近或超过25.0m，地表低洼处形成内滞被淹。
1.4煤层概况
1）51煤层：该煤层为井田内主要可采煤层，煤层厚0m～3.69m，平均煤厚1.29m，煤层结构简单，属于较稳定煤层。煤层顶板岩性以泥岩为主，极少数为粉砂岩。伪顶岩性为泥岩、粉砂岩。底板岩性以泥岩为主，其次为粉砂岩。伪底岩性为泥岩。
2）72煤层：该煤层为井田内主要可采煤层，煤层厚0.36m～8.32m，平均煤厚2.72m，煤层结构较为复杂，属于较稳定煤层。煤层顶板岩性以泥岩为主，其次为粉砂岩、中砂岩或砂岩。伪顶岩性为泥岩。底板岩性以泥岩为主，其次为粉砂岩，少数为细砂岩。伪底岩性为泥岩、炭质泥岩。
3）82煤层：该煤层为井田内主要可采煤层，煤层厚0m～4.85m，平均煤厚1.94m，煤层结构复杂，属于较稳定煤层。煤层顶板岩性南北两段以细砂岩或中砂岩为主，中段以粉砂岩泥岩居多。伪顶岩性为泥岩、煤、粉砂岩。底板岩性以泥岩为主，少数为粉砂岩。伪底岩性为泥岩、炭质泥岩。
1.5工作面概况
区域内的72煤工作面采厚基本为4.5m~4.8m，其中已回采的II7210工作面采长平均为685m，采宽平均为116m，II7214采长平均为593m，采宽平均为182m；II7212设计采长平均为547m，采宽平均为149m。82煤平均采厚为2.5m，已回采的II8210工作面采长平均为802m，采宽为132m；设计中的II8213工作面预计采长505m，采宽135m；II8214采长620m，采宽180m；设计中51煤工作面采厚基本为1.5m~1.8m，设计采长约1500m，采宽约180m。回采时间预计2012年5月至2015年，采煤方法均为走向长壁跨落法。
2复堤加固设计说明
2.1复堤加固设计范围
根据上述工作面回采对其上部澥河河堤的影响范围，结合该范围下游与矿区专用铁路并堤段的澥河河堤已实施过复堤，并考虑上游一定范围澥河河堤现状的治理，本复堤加固工程范围确定为M20断面-M40断面，南堤长1218m，北堤长524m，总长1842m。
2.2设计依据
根据安徽省水里水电勘测设计院1999年10月编制的《淮河支流防洪规划》澥河流域防洪规划，防洪标准为20年一遇。根据《提防工程设计规范》（GB50286-98），澥河堤防级别按4级设计。澥河任楼出5年一遇流量为52.5m3/s,相应水位为25.0m,20年一遇流量为88m3/s，相应水位为26.1m。
根据《中国地震参数区划图》，工程区的地震峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为6度，设计烈度为6度。
采用的标准和规程、规范主要有：
1）《防洪标准》(GB50201-94)
2）《堤防工程设计规范》(GB50286-98)
3）《水闸设计规范》(SL265-2001)
4）《堤防工程施工规范》(SL260-98)
5）《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)
6）堤防工程施工质量评定与验收规程》（试行）(SL239-1999)
7）《土工试验规程》(SL237-1999)
2.3设计思路
本次复堤设计涉及澥河下工作面有II7210、II7212、II7214、72510、II8210、II8213、II8214、51510、5111、5115共计10个工作面，其中II7210、II8210、II7214等三个工作面已开采，河堤已受到影响，在现河堤标高基础上，为了合理设计河堤形状及标高，对未开采工作面II7212、72510、II8213、II8214、51510、5111、5115等7个工作面，先用概率积分法进行下沉预计，得出科学合理河堤下沉值，然后以断面划分设计不同断面之间的标高，从而在上述工作面开采完成以后，使澥河河堤处于同一标高。
2.3.1下沉依据
根据任楼矿以往工作面地表移动观测站成果，得出地表移动概率积分法预计参数见下表：
下沉系数q 水平移动系数 主要影响正切 拐点移动距/m 开采影响传播角θ/°
1.3 0.3 Tanβ=2.2
0.03H0 89
以上参数是根据现场实测资料通过分析处理直接求取的，反映了任楼矿地表移动基本规律，因此，选取以上参数作为本项目地表移动与变形预计的基本参数，满足本项目计算精度的要求。
2.3.2河堤下沉值
概率积分法公式：
W(x,y)=CxCyW0
i(x,y,ψ)=Cyi0(x)cosψ+Cxi0(y)sinψ
K(x,y,ψ)=CyK0(x)cos2ψ+CxK0(y)sin2ψ+i0(x)i0(y)sin2ψ/W0
U(x,y,ψ)=CyU0(x)cos2ψ+CxU0(y)sinψ
ε(x,y,ψ)=Cyε0(x)cos2ψ+Cxε0(y)sin2ψ+[U0(x)i0(y)+U0(y)i0(x)]sinψcosψ/w0
根据上述公式从而求得河堤各点下沉值，其中最大下沉值为4.5m。
2.4复堤加固设计
2.4.1设计水位及设计堤顶高程
复堤加固段堤防防洪标准按20年一遇洪水，设计洪水位26.1m。根据复堤加固段河道堤线走向及断面特征，经计算分析，确定澥河复堤加固段堤顶超高区1.9m。根据洪水位26.1m，复堤加固段设计稳沉后堤顶高程为28.0m。
2.4.2堤身设计标准断面
根据《堤防工程设计规范》（GB50286-98）的要求，参照类似工程经验，并结合澥河堤防现状，复堤加固段稳沉后堤身设计标准断面各参数确定如下：堤顶宽8.0m，堤顶高程28.0m，迎水侧边坡1:3，背水侧边坡1:2.5，对M20-M37断面处的南河堤背水侧加设20m平台，平台上、下边坡亦为1:2.5。
下图为设计的M27断面设计断面图。
对坐落南堤堤后鱼塘内的堤身，背水侧按1:5的边坡进行填塘处理。
对坐落北堤堤后鱼塘，实施填塘处理，设计标高为24.6m，对M22-M25断面处的北堤实施改造，取直线，以拓宽河面宽度。
下图为原河堤与复堤后河堤平面位置图。
2.4.3复堤加固设计原则
本段澥河复堤加固设计依据《堤防工程设计规范》（GB50286-98）的要求，顺应河势流向，维持现有河道堤身，修整河道边坡；根据设计堤顶高程及设计标准断面，对堤身进行加高培厚；根据堤身及堤基的分布土性的堤防稳定分析计算，对与复堤加固段相连的堤后鱼塘实施填塘处理，以确保堤防安全；其次，结合堤防防汛、工程管理及当地群众生产、生活的需要，修建一条堤顶防汛道路；并为改善该段澥河堤防周边的环境，减小对河道的污染，对河道及堤防两侧边坡实施绿化治理。
2.4.4复堤加固措施
复堤加固工程需先进行堤内填塘处理，可采用水中倒土进占方式，填塘土可利用已征迁的规划用地土，待填塘至设计高程后，进行堤身加培。
堤身加培前，首先须进行清基处理，清除堤身表面植物根茎、砖瓦垃圾等杂物，清基深度一般为0.2m。由于现状堤身及河道断面坡度均较陡，基本陡于1:2.5，为使堤身加培不侵占河道断面，采取对原堤身进行适当的削坡，高程控制在枯水期水位以上，以达到迎水侧1:3的设计边坡要求。堤身加培时，为便于新、老填土牢固结合，原断面边坡开挖成台阶形状。堤身填土宜选用粉质粘土或重粉质壤土，填筑土料的含水率与最优含水率的偏差应控制为±3%，堤身加培应分层压实，设计控制标准为压实度应不小于0.90。堤身加培时，必须严格控制铺土厚度及土块粒径；人工夯实每层不超过0.2m，土块粒径不大于50mm，机械压实每层不超过0.3m，土块粒径不大于80mm。南北堤堤身加培长度分别为1218m、524m。
对填筑部位的质量控制，应严格执行《堤防工程施工规范》（SL260-98）及《堤防工程施工质量评定与验收规程》(试行)（SL239-1999）中的有关规定。
2.4.5堤顶防汛道路设计
根据堤防防汛、管理的要求，结合当地群众生产、生活的需要，堤顶应设置防汛道路，本次复堤加固段路面采用煤矸石加厚，设计厚度为0.5m，范围确定为M20断面-M40断面，南堤长1218m，北堤长524m，总长1842m。路面以堤顶中心线为中心向两侧倾斜，设2%的排水坡。
2.4.6草皮护坡
为改善该段堤防周边的环境，减少河道的污染，对河道及堤防两侧边坡实施绿化治理。复堤加固段迎水、背水侧边坡均采用草皮护坡，并沿堤顶防汛道路两侧外堤肩种植草皮。迎水侧草皮护坡自堤脚（考虑为枯水期水位以上）护至设计稳沉后堤顶高程28.0m，背水侧则自堤脚护至堤顶。草皮种植采用种植草法。铺草皮前应先在坡面上铺一层厚40mm~100mm的腐殖土，草皮厚度不小于50mm。草皮种植后，需注意加强草皮养护，提高成活率。护坡长度南堤长1218m，北堤长524m，总长1842m。
2.4.7取土区
本次设计取土区为3个，南堤M19断面以西和M37断面以南2个以及北堤矿西沟以西1个，此3个取土区均在塌陷影响范围之内，不再需要再次征地，取土深度为4m。
3澥河河堤下采煤安全性评价
澥河河堤下采煤，堤顶加宽至8m，大于原来的IV级堤防标准，裂缝带和冒落带的总高度为50m，最小弯曲带高度为500m之多，堤体随堤基同步缓慢、平稳下沉，不会产生突然塌陷危害；堤体产生的裂缝，安全可以在复堤时通过人工开挖充填密实的措施加以解决；上述工作面回采不会引起漫顶危害，两带高度为50m，最小采深为564m，故澥河水不可能溃入井下而引起淹井危害。所以，澥河河堤下采煤是有科学依据的，确实是安全的。
澥河河堤加固后，对任楼矿区的生态农业，整个区域的湿地生态系统和人民生命财产安全带来了巨大的经济、社会、环境效益。
4结论
本次超前复堤设计创新点：
1）超前使用概率积分法预计各个工作面对河堤影响下沉值。
2）设计河堤各段不同标高，使之稳沉后达到同一标高，更加美观。
3）独立设计河堤形状（南堤外加戗台，为5年后其它工作面开采而造成的复堤打基础；改造北堤原状，拓宽部分段河面宽度，减少填土方）。
4）超前设计复堤，能从现用河堤迎水坡取部分土（塌陷后无法从老河堤取土），省土41186.6方，节约123.6万元。
5）合理规划取土用地，现取土区为工作面影响塌陷地段，若塌陷后则无法取土，增加征地范围；现超前复堤，节省征地面积5.9万m2,节约资金115.1万元。
6）复堤后，测量组投入大量人力对澥河河堤进行全面多方位测量，使之更加精确化、合理化，为任楼煤矿节约资金30.6万元。
作者简介
葛坚（1974-）男，安徽肖县人，从事煤矿测量工作，现为测量助理工程师。
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