土石坝压煤开采对水库安全运行的影响

侯蕾，刘经强

山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

土石坝压煤开采对水库安全运行的影响

侯蕾，刘经强*

山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018

以某水库土石坝下的压煤开采工程为背景，结合其他矿区压煤开采的实测结果，应用概率积分法的数学模型进行了开采沉陷变形预计，研究了土石坝由于地下开采而引起的变形和破坏特征以及对土石坝的安全产生的影响。通过数值模拟以及水文计算的结果分析，开采沉陷变形对水库的防洪安全产生了很大的影响。

水库大坝；压煤开采；影响分析；变形破坏特征；防洪安全

“三下”压煤（建筑物下、水体下、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程）［1］开采引起地表建筑物的变形、破坏特征一直是各国矿业工作者的研究重点之一。尤其是水库大坝下的压煤开采，由于采动影响对大坝产生的破坏和变形不仅影响矿产的安全生产，而且影响了水库的安全运行。因此，我们深入研究了压煤开采所引起的土石坝的变形破坏特征以及所引起的水库安全的问题。

1 采区现状

该大坝位于采区的东北部，采区中的3煤全部可采，埋深约为448 m，煤层厚约为1.9～3.8 m，井田地层沉积稳定，采区顶板岩层以中硬为主。该采区大坝保护煤柱以外的煤层已全部开采，因坝下煤炭储量丰富，开发稳产期长，现采用走向长臂后退式采煤方法，全部垮落法管理顶板，自大坝右端按工作面顺序依次进行开采。

2 上覆岩层导水裂隙带发育高度的计算

当地下煤层被采出后，采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲。将采空区的上覆岩层按破坏程度划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

图1 煤层开采的工作面布置图Fig.1 Coal seam mining face layout

图2 覆岩破坏分带Fig.2 Strata damage zoning

根据煤炭科学研究总院北京开采研究所康永华［2］在20世纪90年代与兖矿集团兴隆庄煤矿就综采工作面分层开采与综放开采条件下导水裂隙带最大高度与采厚的关系的研究成果，根据该采区的地质条件，计算导水裂隙带高度约为44.0±3.13、39.5±2.36 m。

3 压煤开采引发的土石坝的变形破坏特征以及对水库安全的影响

3.1 大坝地表移动变形预计

煤层被开采后，破坏了上覆岩体原有的应力平衡，使得岩体内部应力重新进行分配，引起采场附近岩体破坏，当开采达到一定范围以后，必将产生地面沉降。根据国内外开采沉陷研究与实践结果，本研究采用开采沉陷概率积分法数学模型计算了地下开采引起的大坝地表移动与变形［3］。

表1 地表移动变形预计Table 1 The expected ground movement and deformation

3.2 土石坝的变形破坏特征

根据开采沉陷预计，因水库规模较小，压煤开采最终的影响范围为库区、大坝、溢洪道、放水洞等。由于采动的影响，采空区会产生移动盆地。在地表移动盆地内各个部位的移动和变形性质及大小不尽相同，根据地表塌陷预计，随着井下工作面的推进，受影响的大坝段逐渐下沉，大坝最终形成的静态地表移动盆地可划分为三个区域，如图3所示。

（1）中间区域：位于盆地的中央部位，地表下沉均匀，地表下沉值最大。

（2）内边缘区：该区大致位于采空区边界到中间区域边界之间，地表下沉不均匀，地面移动，朝盆地中心方向倾斜，该区域的倾斜度最大，地表倾斜引起大坝的倾斜，在大坝自重的作用下引起水平分力和弯矩，从而破坏大坝的正常的工作状态。

（3）外边缘区：该区位于采空区边界至盆地边界之间，地表下沉不均匀，地表移动，朝盆地中心方向倾斜，产生拉伸变形，当拉伸变形超过一定变形时，地面将产生拉伸裂缝［4］。

图3 沿大坝轴线及其延伸线的沉降剖面图Fig.3 Settlement sectional view along the dam axis and its extension line

3.3 煤层开采对水库运行的影响

3.3.1 压煤开采对库区渗漏的影响由计算得出导水裂隙带发育高度都不会超过50 m。根据该大坝保护煤柱内的地质勘察资料，31煤深度约为448.00 m，表土层厚度约为96.00 m，因此31煤上覆岩层厚度为352 m。按照《三下规程》中水体下开采保护层厚度留设的要求，31煤上覆岩层厚度远大于裂高与保护层厚度之和，矿区的水体采动等级及允许采动程度为Ⅰ级。另外，该采区有多层隔水层且煤层埋藏较深，第四系水由于底部粘土层的阻隔，不与煤系地层发生水力联系。因此，不会造成地表水体向下渗漏。

3.3.2 压煤开采对水库安全的影响根据地表塌陷预计，随着井下工作面的推进，整个大坝段逐渐下沉、变形，产生裂缝，大坝的下沉值2300 mm～2350 mm，大坝高程不足，导致水库的兴利水位降低，在下游渠底高程不变的条件下，兴利库容减少约为5.979×105m3；溢洪道的下沉值1100 mm～2100 mm，会产生不均匀沉陷，裂缝；同时，位于大坝中部的放水洞将会出现沉陷、裂缝、漏水等现象。因此，无法满足水库兴利和防洪安全的要求［5］。

4 结语

鉴于该水库对下游保护区段的重要性以及该煤矿在当地经济的重要地位，本文综合现场工程地质调查结果、理论计算以及数值模拟等结果，得出了该矿在该大坝下采煤引起的地表塌陷范围将会波及到整个大坝及库区，因此，建议在非汛期并且使库区水体排空的情况下开采，同时，相关部门要做好监测与防汛工作。

［1］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2000

［2］中国煤炭科学研究总院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京：煤炭工业出版社，1981

［3］何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1991

［4］吴立新，王金庄，刘延安，等.建（构）筑物下压煤条带开采理论与实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1994

［5］武雄，杨健，段庆伟，等.煤层开采对岳城水库安全运行的影响［J］.水利学报，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，硕士研究生.E-mail：hlsdau@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail：jqliu@sdau.edu.cn