西部某水庫大壩下游地區(qū)采煤禁采區(qū)范圍研究

張麗艷 劉 揚 劉芙榮 玉 博

西部某水庫為大（Ⅱ）型工程，采用均質(zhì)土壩，為低壩。該水庫為附近城市及礦區(qū)生產(chǎn)生活主要水源，在當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展中有著舉足輕重的地位。

水庫區(qū)及下游為某煤礦井田范圍，煤田開采范圍與水庫大壩位置重疊。為確保水庫大壩的安全運行，并盡可能減少壓煤量，科學確定水庫禁采區(qū)范圍是十分必要的。

1 煤層分部特征

太原群屬海陸交互相沉積，層厚153.5 m，可采煤層編號為八、九層煤。山西組地層為陸相含煤沉積，層厚65.88 m，可采煤層編號為一、三、五層煤。煤層頂?shù)装鍘r石巖性見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石主要巖性

2 煤層群采動效應的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

沿煤層走向方向建立的數(shù)值模型，走向長度取500 m，高度取208 m，單位寬度取5 m，其中一煤層上部取70 m，其頂部巖土體用等效荷載P=11.4 MPa 來代替。其它煤層及巖層厚度計算采用平均值。兩側(cè)各留150 m 煤柱，開采寬度200 m。各概化的煤巖層厚度及相互關(guān)系如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬工程地質(zhì)模型示意圖

煤層開挖時，采空區(qū)頂?shù)装鍘r層破壞主要是受拉應力和剪應力作用，因此，本文的模擬計算采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型。

2.2 邊界條件

計算模型邊界條件確定如下：

（1）模型前后和左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為；（2）模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為0；（3）模型頂部為自由邊界。

2.3 巖體參數(shù)

依據(jù)試驗成果并結(jié)合工程經(jīng)驗，確定有關(guān)巖體參數(shù)，詳見表2。

表2 煤層頂板、底板巖石物理力學參數(shù)表

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果較好反映了煤層群多次采動作用下所引起的采動影響區(qū)地表變形情況，上部巖體的應力及導水裂縫帶高度分布特征，如圖2 所示。

圖2 煤層采后地表變形分區(qū)示意圖

（1）煤層開采在地表形成的沉降區(qū)范圍大于采空區(qū)范圍，沉降區(qū)可分為沉降中心區(qū)和沉降邊緣區(qū)兩部分。沉降中心區(qū)位于采空區(qū)上方，沉降邊緣區(qū)位于兩側(cè)煤柱上方的邊緣部位。

（2）沉降中心區(qū)在初次采動后即基本形成，地表位移以垂直位移為主，區(qū)內(nèi)地表土層的應力狀態(tài)為水平向擠壓、垂向拉伸作用，土體主要產(chǎn)生水平擠壓應變。

（3）沉降邊緣區(qū)地表位移顯現(xiàn)水平位移和垂向位移復合特征，以水平拉張變形為主，導致地表出現(xiàn)一定程度的裂縫，若在庫下開采，在淺部可能會促進庫區(qū)水體的進一步下滲。

3 大壩保護煤柱邊界線計算

3.1 計算方法

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定，應由邊界角確定地表沉陷盆地的范圍，采用移動角計算保護煤柱的范圍。該標準主要是從采煤安全角度考慮的，其中，邊界角確定的沉陷盆地邊界線仍有10 mm 的沉降值，而由移動角圈定的范圍內(nèi)地表變形更大。

由于大壩不允許有不均勻沉降或變形的發(fā)生，因此，采用移動角計算的保護煤柱范圍不能滿足大壩對變形的要求。在計算大壩保護煤柱的范圍時，應采用地表零沉降和零傾斜標準控制。即首先假定一個地下采空區(qū)范圍，根據(jù)地表沉陷規(guī)律和實測的沉陷參數(shù)計算采空區(qū)地表變形，通過反演計算，使煤層開采地表沉陷和傾斜變形零線接近大壩保護范圍邊界線，此種情況下所對應的留設煤柱范圍即為大壩保護煤柱范圍。

3.2 大壩保護范圍

SL 106—1996《水庫工程管理設計規(guī)范》規(guī)定，大型水庫工程的管理范圍為：上游從壩軸線向上不少于150 m，下游從壩腳線向下不少于200 m，大壩兩端以第一道分水嶺為界或距壩端不少于200 m。工程保護范圍在工程管理范圍邊界線外延，主要建筑物不少于200 m。

按上述要求，根據(jù)某水庫實際情況，確定大壩保護帶寬度為：大壩上游自壩軸線起150 m；大壩下游自下游壩腳向下200 m；兩側(cè)壩肩分別從壩頭外延200 m。

3.3 計算結(jié)果

大壩保護煤柱的反演計算，按照全采各煤層、20 m 圍護帶寬度和200 m 工程保護范圍、軟弱頂板和零沉降、零傾斜反演預算大壩下游的保護煤柱范圍，如圖3 所示。

五煤層重復采動按200 m 工程保護范圍、軟弱頂板和零沉降概率積分法反演預算大壩下游的保護煤柱范圍，得出大壩南側(cè)保護煤柱寬度平均值概括為0.9 km。

4 禁采區(qū)范圍的確定

4.1 劃定禁采區(qū)范圍考慮的因素

禁采區(qū)范圍的劃定除考慮大壩保護煤柱外，尚需考慮以下因素：

（1）目前大壩下伏地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)尚未完全搞清，計算時把大壩壩基作為一個理想的完整地質(zhì)體考慮，是否可能還存在其它的地質(zhì)構(gòu)造等尚不得知。

（2）考慮采動覆巖移動的基本規(guī)律，在采動沉陷之后的殘余變形是一個漫長的過程，且殘余變形的范圍也遠遠大于采動沉陷的范圍。

（3）考慮保護煤柱自身的長期風化剝蝕情況，保護煤柱臨空位置長時間之后會出現(xiàn)風化剝蝕現(xiàn)象，使煤柱卸荷脫落，煤柱對覆巖的頂托作用減少。

圖3 五煤層重復零沉降反算保護煤柱范圍示意圖

（4）已建水工建筑物附近新建礦井時，應考慮離開水工建筑物一定的安全距離。

（5）參考岳城水庫等其它工程類同問題的處理方式。

綜合上述因素，某水庫大壩禁采區(qū)的確定，安全系數(shù)采用2。

4.2 禁采區(qū)范圍

劃定某水庫樞紐區(qū)臨時禁采范圍，依照《水庫工程管理設計規(guī)范》規(guī)定，大壩下游保護范圍以壩腳線向下200 m 進行計算。根據(jù)開采地表沉陷規(guī)律，采用零沉降的反演預算保護煤柱寬度為依據(jù)，考慮煤層全采后工況、2.5 倍擴大系數(shù)后確定保護大壩的煤礦禁采范圍，臨時禁采區(qū)范圍概化為自壩軸線向下游1.8 km。

5 結(jié) 語

近壩區(qū)地下采煤對水庫工程影響較大且非常復雜，在計算保護煤柱范圍時，應采取地表沉降和傾斜標準控制，考慮地質(zhì)條件、工程重要性等因素，可選取2～3 倍的安全系數(shù)，綜合確定禁采區(qū)范圍。