西部某水庫大壩下游地區采煤禁采區范圍研究

張麗艷 劉 揚 劉芙榮 玉 博

西部某水庫為大（Ⅱ）型工程，采用均質土壩，為低壩。該水庫為附近城市及礦區生產生活主要水源，在當地經濟發展中有著舉足輕重的地位。

水庫區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。煤層頂底板巖石巖性見表1。

表1 煤層頂底板巖石主要巖性

2 煤層群采動效應的數值模擬

2.1 數值模型

沿煤層走向方向建立的數值模型，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系如圖1 所示。

圖1 數值模擬工程地質模型示意圖

煤層開挖時，采空區頂底板巖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

依據試驗成果并結合工程經驗，確定有關巖體參數，詳見表2。

表2 煤層頂板、底板巖石物理力學參數表

2.4 數值模擬結果分析

數值模擬結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示意圖

（1）煤層開采在地表形成的沉降區范圍大于采空區范圍，沉降區可分為沉降中心區和沉降邊緣區兩部分。沉降中心區位于采空區上方，沉降邊緣區位于兩側煤柱上方的邊緣部位。

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

（3）沉降邊緣區地表位移顯現水平位移和垂向位移復合特征，以水平拉張變形為主，導致地表出現一定程度的裂縫，若在庫下開采，在淺部可能會促進庫區水體的進一步下滲。

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程》規定，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地表變形更大。

由于大壩不允許有不均勻沉降或變形的發生，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范圍，根據地表沉陷規律和實測的沉陷參數計算采空區地表變形，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范》規定，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；兩側壩肩分別從壩頭外延200 m。

3.3 計算結果

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，得出大壩南側保護煤柱寬度平均值概括為0.9 km。

4 禁采區范圍的確定

4.1 劃定禁采區范圍考慮的因素

禁采區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結構尚未完全搞清，計算時把大壩壩基作為一個理想的完整地質體考慮，是否可能還存在其它的地質構造等尚不得知。

（2）考慮采動覆巖移動的基本規律，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風化剝蝕現象，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，某水庫大壩禁采區的確定，安全系數采用2。

4.2 禁采區范圍

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

5 結 語

近壩區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，考慮地質條件、工程重要性等因素，可選取2～3 倍的安全系數，綜合確定禁采區范圍。