西部某水库大坝下游地区采煤禁采区范围研究

张丽艳 刘 扬 刘芙荣 玉 博

西部某水库为大（Ⅱ）型工程，采用均质土坝，为低坝。该水库为附近城市及矿区生产生活主要水源，在当地经济发展中有着举足轻重的地位。

水库区及下游为某煤矿井田范围，煤田开采范围与水库大坝位置重叠。为确保水库大坝的安全运行，并尽可能减少压煤量，科学确定水库禁采区范围是十分必要的。

1 煤层分部特征

太原群属海陆交互相沉积，层厚153.5 m，可采煤层编号为八、九层煤。山西组地层为陆相含煤沉积，层厚65.88 m，可采煤层编号为一、三、五层煤。煤层顶底板岩石岩性见表1。

表1 煤层顶底板岩石主要岩性

2 煤层群采动效应的数值模拟

2.1 数值模型

沿煤层走向方向建立的数值模型，走向长度取500 m，高度取208 m，单位宽度取5 m，其中一煤层上部取70 m，其顶部岩土体用等效荷载P=11.4 MPa 来代替。其它煤层及岩层厚度计算采用平均值。两侧各留150 m 煤柱，开采宽度200 m。各概化的煤岩层厚度及相互关系如图1 所示。

图1 数值模拟工程地质模型示意图

煤层开挖时，采空区顶底板岩层破坏主要是受拉应力和剪应力作用，因此，本文的模拟计算采用Mohr-Coulomb 本构模型。

2.2 边界条件

计算模型边界条件确定如下：

（1）模型前后和左右边界施加水平约束，即边界水平位移为；（2）模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为0；（3）模型顶部为自由边界。

2.3 岩体参数

依据试验成果并结合工程经验，确定有关岩体参数，详见表2。

表2 煤层顶板、底板岩石物理力学参数表

2.4 数值模拟结果分析

数值模拟结果较好反映了煤层群多次采动作用下所引起的采动影响区地表变形情况，上部岩体的应力及导水裂缝带高度分布特征，如图2 所示。

图2 煤层采后地表变形分区示意图

（1）煤层开采在地表形成的沉降区范围大于采空区范围，沉降区可分为沉降中心区和沉降边缘区两部分。沉降中心区位于采空区上方，沉降边缘区位于两侧煤柱上方的边缘部位。

（2）沉降中心区在初次采动后即基本形成，地表位移以垂直位移为主，区内地表土层的应力状态为水平向挤压、垂向拉伸作用，土体主要产生水平挤压应变。

（3）沉降边缘区地表位移显现水平位移和垂向位移复合特征，以水平拉张变形为主，导致地表出现一定程度的裂缝，若在库下开采，在浅部可能会促进库区水体的进一步下渗。

3 大坝保护煤柱边界线计算

3.1 计算方法

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，应由边界角确定地表沉陷盆地的范围，采用移动角计算保护煤柱的范围。该标准主要是从采煤安全角度考虑的，其中，边界角确定的沉陷盆地边界线仍有10 mm 的沉降值，而由移动角圈定的范围内地表变形更大。

由于大坝不允许有不均匀沉降或变形的发生，因此，采用移动角计算的保护煤柱范围不能满足大坝对变形的要求。在计算大坝保护煤柱的范围时，应采用地表零沉降和零倾斜标准控制。即首先假定一个地下采空区范围，根据地表沉陷规律和实测的沉陷参数计算采空区地表变形，通过反演计算，使煤层开采地表沉陷和倾斜变形零线接近大坝保护范围边界线，此种情况下所对应的留设煤柱范围即为大坝保护煤柱范围。

3.2 大坝保护范围

SL 106—1996《水库工程管理设计规范》规定，大型水库工程的管理范围为：上游从坝轴线向上不少于150 m，下游从坝脚线向下不少于200 m，大坝两端以第一道分水岭为界或距坝端不少于200 m。工程保护范围在工程管理范围边界线外延，主要建筑物不少于200 m。

按上述要求，根据某水库实际情况，确定大坝保护带宽度为：大坝上游自坝轴线起150 m；大坝下游自下游坝脚向下200 m；两侧坝肩分别从坝头外延200 m。

3.3 计算结果

大坝保护煤柱的反演计算，按照全采各煤层、20 m 围护带宽度和200 m 工程保护范围、软弱顶板和零沉降、零倾斜反演预算大坝下游的保护煤柱范围，如图3 所示。

五煤层重复采动按200 m 工程保护范围、软弱顶板和零沉降概率积分法反演预算大坝下游的保护煤柱范围，得出大坝南侧保护煤柱宽度平均值概括为0.9 km。

4 禁采区范围的确定

4.1 划定禁采区范围考虑的因素

禁采区范围的划定除考虑大坝保护煤柱外，尚需考虑以下因素：

（1）目前大坝下伏地层的地质结构尚未完全搞清，计算时把大坝坝基作为一个理想的完整地质体考虑，是否可能还存在其它的地质构造等尚不得知。

（2）考虑采动覆岩移动的基本规律，在采动沉陷之后的残余变形是一个漫长的过程，且残余变形的范围也远远大于采动沉陷的范围。

（3）考虑保护煤柱自身的长期风化剥蚀情况，保护煤柱临空位置长时间之后会出现风化剥蚀现象，使煤柱卸荷脱落，煤柱对覆岩的顶托作用减少。

图3 五煤层重复零沉降反算保护煤柱范围示意图

（4）已建水工建筑物附近新建矿井时，应考虑离开水工建筑物一定的安全距离。

（5）参考岳城水库等其它工程类同问题的处理方式。

综合上述因素，某水库大坝禁采区的确定，安全系数采用2。

4.2 禁采区范围

划定某水库枢纽区临时禁采范围，依照《水库工程管理设计规范》规定，大坝下游保护范围以坝脚线向下200 m 进行计算。根据开采地表沉陷规律，采用零沉降的反演预算保护煤柱宽度为依据，考虑煤层全采后工况、2.5 倍扩大系数后确定保护大坝的煤矿禁采范围，临时禁采区范围概化为自坝轴线向下游1.8 km。

5 结 语

近坝区地下采煤对水库工程影响较大且非常复杂，在计算保护煤柱范围时，应采取地表沉降和倾斜标准控制，考虑地质条件、工程重要性等因素，可选取2～3 倍的安全系数，综合确定禁采区范围。