土石壩壓煤開采對(duì)水庫(kù)安全運(yùn)行的影響

侯蕾，劉經(jīng)強(qiáng)

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018

土石壩壓煤開采對(duì)水庫(kù)安全運(yùn)行的影響

侯蕾，劉經(jīng)強(qiáng)*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018

以某水庫(kù)土石壩下的壓煤開采工程為背景，結(jié)合其他礦區(qū)壓煤開采的實(shí)測(cè)結(jié)果，應(yīng)用概率積分法的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了開采沉陷變形預(yù)計(jì)，研究了土石壩由于地下開采而引起的變形和破壞特征以及對(duì)土石壩的安全產(chǎn)生的影響。通過(guò)數(shù)值模擬以及水文計(jì)算的結(jié)果分析，開采沉陷變形對(duì)水庫(kù)的防洪安全產(chǎn)生了很大的影響。

水庫(kù)大壩；壓煤開采；影響分析；變形破壞特征；防洪安全

“三下”壓煤（建筑物下、水體下、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程）［1］開采引起地表建筑物的變形、破壞特征一直是各國(guó)礦業(yè)工作者的研究重點(diǎn)之一。尤其是水庫(kù)大壩下的壓煤開采，由于采動(dòng)影響對(duì)大壩產(chǎn)生的破壞和變形不僅影響礦產(chǎn)的安全生產(chǎn)，而且影響了水庫(kù)的安全運(yùn)行。因此，我們深入研究了壓煤開采所引起的土石壩的變形破壞特征以及所引起的水庫(kù)安全的問(wèn)題。

1 采區(qū)現(xiàn)狀

該大壩位于采區(qū)的東北部，采區(qū)中的3煤全部可采，埋深約為448 m，煤層厚約為1.9～3.8 m，井田地層沉積穩(wěn)定，采區(qū)頂板巖層以中硬為主。該采區(qū)大壩保護(hù)煤柱以外的煤層已全部開采，因壩下煤炭?jī)?chǔ)量豐富，開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)，現(xiàn)采用走向長(zhǎng)臂后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板，自大壩右端按工作面順序依次進(jìn)行開采。

2 上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的計(jì)算

當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊螅煽諈^(qū)直接頂板巖層在自重力及其上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲。將采空區(qū)的上覆巖層按破壞程度劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

圖1 煤層開采的工作面布置圖Fig.1 Coal seam mining face layout

圖2 覆巖破壞分帶Fig.2 Strata damage zoning

根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所康永華［2］在20世紀(jì)90年代與兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦就綜采工作面分層開采與綜放開采條件下導(dǎo)水裂隙帶最大高度與采厚的關(guān)系的研究成果，根據(jù)該采區(qū)的地質(zhì)條件，計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度約為44.0±3.13、39.5±2.36 m。

3 壓煤開采引發(fā)的土石壩的變形破壞特征以及對(duì)水庫(kù)安全的影響

3.1 大壩地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

煤層被開采后，破壞了上覆巖體原有的應(yīng)力平衡，使得巖體內(nèi)部應(yīng)力重新進(jìn)行分配，引起采場(chǎng)附近巖體破壞，當(dāng)開采達(dá)到一定范圍以后，必將產(chǎn)生地面沉降。根據(jù)國(guó)內(nèi)外開采沉陷研究與實(shí)踐結(jié)果，本研究采用開采沉陷概率積分法數(shù)學(xué)模型計(jì)算了地下開采引起的大壩地表移動(dòng)與變形［3］。

表1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)Table 1 The expected ground movement and deformation

3.2 土石壩的變形破壞特征

根據(jù)開采沉陷預(yù)計(jì)，因水庫(kù)規(guī)模較小，壓煤開采最終的影響范圍為庫(kù)區(qū)、大壩、溢洪道、放水洞等。由于采動(dòng)的影響，采空區(qū)會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)盆地。在地表移動(dòng)盆地內(nèi)各個(gè)部位的移動(dòng)和變形性質(zhì)及大小不盡相同，根據(jù)地表塌陷預(yù)計(jì)，隨著井下工作面的推進(jìn)，受影響的大壩段逐漸下沉，大壩最終形成的靜態(tài)地表移動(dòng)盆地可劃分為三個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

（1）中間區(qū)域：位于盆地的中央部位，地表下沉均勻，地表下沉值最大。

（2）內(nèi)邊緣區(qū)：該區(qū)大致位于采空區(qū)邊界到中間區(qū)域邊界之間，地表下沉不均勻，地面移動(dòng)，朝盆地中心方向傾斜，該區(qū)域的傾斜度最大，地表傾斜引起大壩的傾斜，在大壩自重的作用下引起水平分力和彎矩，從而破壞大壩的正常的工作狀態(tài)。

（3）外邊緣區(qū)：該區(qū)位于采空區(qū)邊界至盆地邊界之間，地表下沉不均勻，地表移動(dòng)，朝盆地中心方向傾斜，產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)拉伸變形超過(guò)一定變形時(shí)，地面將產(chǎn)生拉伸裂縫［4］。

圖3 沿大壩軸線及其延伸線的沉降剖面圖Fig.3 Settlement sectional view along the dam axis and its extension line

3.3 煤層開采對(duì)水庫(kù)運(yùn)行的影響

3.3.1 壓煤開采對(duì)庫(kù)區(qū)滲漏的影響由計(jì)算得出導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度都不會(huì)超過(guò)50 m。根據(jù)該大壩保護(hù)煤柱內(nèi)的地質(zhì)勘察資料，31煤深度約為448.00 m，表土層厚度約為96.00 m，因此31煤上覆巖層厚度為352 m。按照《三下規(guī)程》中水體下開采保護(hù)層厚度留設(shè)的要求，31煤上覆巖層厚度遠(yuǎn)大于裂高與保護(hù)層厚度之和，礦區(qū)的水體采動(dòng)等級(jí)及允許采動(dòng)程度為Ⅰ級(jí)。另外，該采區(qū)有多層隔水層且煤層埋藏較深，第四系水由于底部粘土層的阻隔，不與煤系地層發(fā)生水力聯(lián)系。因此，不會(huì)造成地表水體向下滲漏。

3.3.2 壓煤開采對(duì)水庫(kù)安全的影響根據(jù)地表塌陷預(yù)計(jì)，隨著井下工作面的推進(jìn)，整個(gè)大壩段逐漸下沉、變形，產(chǎn)生裂縫，大壩的下沉值2300 mm～2350 mm，大壩高程不足，導(dǎo)致水庫(kù)的興利水位降低，在下游渠底高程不變的條件下，興利庫(kù)容減少約為5.979×105m3；溢洪道的下沉值1100 mm～2100 mm，會(huì)產(chǎn)生不均勻沉陷，裂縫；同時(shí)，位于大壩中部的放水洞將會(huì)出現(xiàn)沉陷、裂縫、漏水等現(xiàn)象。因此，無(wú)法滿足水庫(kù)興利和防洪安全的要求［5］。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于該水庫(kù)對(duì)下游保護(hù)區(qū)段的重要性以及該煤礦在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的重要地位，本文綜合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果、理論計(jì)算以及數(shù)值模擬等結(jié)果，得出了該礦在該大壩下采煤引起的地表塌陷范圍將會(huì)波及到整個(gè)大壩及庫(kù)區(qū)，因此，建議在非汛期并且使庫(kù)區(qū)水體排空的情況下開采，同時(shí)，相關(guān)部門要做好監(jiān)測(cè)與防汛工作。

［1］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000

［2］中國(guó)煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所.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］何國(guó)清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991

［4］吳立新，王金莊，劉延安，等.建（構(gòu)）筑物下壓煤條帶開采理論與實(shí)踐［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994

［5］武雄，楊健，段慶偉，等.煤層開采對(duì)岳城水庫(kù)安全運(yùn)行的影響［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（9）：100-104

The Effect of Mining Coal on Safety of Reservoir

HOU Lei，LIU Jing-qiang*
Water Conservancy Institute Civil Engineering Colleges，Shandong Agricultural University，Tai an 271018，China

Taking the mining coal under a reservoir earth dam project as the background，combining with the measured results of mining coal from other mines，this paper conducted a mining subsidence and deformation prediction by the mathematical model of probability integration method.And studied the deformation and failure characteristics caused by the underground mining as well as affected by the earth dam.By the results of numerical simulation and analysis of hydrologic calculations，subsidence deformation of embankment dams had a great impact on the control flood safety of reservoir.

Earth dam；mining coal；effective analysis；deformation characteristics；control flood safety

TV871

A

1000-2324（2015）01-0014-02

2013-06-17

2013-07-22

侯蕾（1989-），女，碩士研究生.E-mail：hlsdau@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail：jqliu@sdau.edu.cn