库下采煤对水工建筑物沉陷的影响与加固技术研究

摘要：目前，国内水库下采煤对水库水工建筑物沉陷的影响及其加固技术的研究很少，可借鉴的经验不多，大平煤矿S2S9工作面地下采煤对三台子水库大坝的影响与加固技术研究为大平煤矿其它后续工作面的开采提供依据，也对类似工程设计具有借鉴意义。

关键词：水库下采煤水工建筑物沉陷影响和加固技术研究

1. 工程概况

三台子水库位于康平县城南东关屯乡，坝址在辽河一级支流李家河的上游，水库建于日伪时期，是一座以防洪为主、兼有灌溉、水产养殖的中型水库。坝址以上集水面积143km2，总库容4500×104m3。水库死水位80.5m，正常蓄水位82.0m，水库按50年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核，设计洪水位为82.89m，校核洪水位为83.49m，水库最大泄量为44.60m3/s。

枢纽工程由主坝、副坝、南北输水涵闸构成，主坝长4120m、副坝长900m，主、副坝均为粉质粘土均质土坝，设计坝顶高程85.78m，坝顶宽度5.00m，主坝最大坝高7.00m，副坝最大坝高3.80m，迎水坡为1：2.5，采用干砌石护坡，背水坡为1：2.0，采用碎石护坡。南北输水涵闸均为坝下埋管式现浇钢筋混凝土矩形方涵，南闸底板高程为80.5m，2孔1.5m*1.5m方涵，北闸底板高程为80.0m，3孔1.5m*1.5m方涵。

水库位于大平煤矿井田中间部位，库下压煤工业储量132725kt，占全矿的49.4%，2005年大平煤矿开始试验性开采，随着开采工作的不断进展，已经引起了库区的地面沉陷。

2.S2S9工作面试采对地表影响的研究

大平煤矿水库下采煤始于2005年4月，先后进行了N1S1段、S2S2段和S2N1段三个综放工作面的试采工作。随着开采的不断深入，水库大坝将逐渐受到井下工作面开采的影响，S2S9试采段工作面宽度280m，长度2200m，煤层最大厚度9.96m，开采深度760~800m。该工作面位于三台子水库大坝北侧，约成45度角穿过主坝和北坝头，开采面影响主坝桩号范围为0-060～0+338，北输水涵闸桩号0+266，在开采区范围内。

为确保水库大坝的安全性，对试采段沉陷进行了二维、三维仿真模拟计算，计算采用采动岩体破坏分析系统软件（RFPA）进行，计算结果如下：

⑴从二维模拟看出，推进200m后，地表沉降超过35mm，地面将出现开裂现象。推进800m后，最大沉降量达到0.7m，推进1100m后，最大沉降量超过1.5m。随后沉降速度加快，最大下沉速度将达到60～90mm/d左右，影响坝体的变形活跃期达5个月左右（推过距离400～450m）时间，开采到1900m后的最终沉降量达到6m，出现在开采工作面后1200m左右（大坝位置）。大坝影响主要时间1年左右，变形衰退期将长达2～3年左右，总的采动变形时间将达3年半左右。

⑵开采扰动导致地表水平位移，开采推进至1500m，坝体水平位移最大，最大水平位移近734mm。地表裂缝发育，3～5米一组，裂缝宽度2～20cm，裂缝深度3～8m。

⑶从三维模拟结果发现，推进至200m，最大沉降达到130mm。推进至500m，沉降超过1.5m。开采至1900m，最终沉降达到6m，处于采区中间位置。

⑷结合塑性区分布与沉降曲线看，由于不均匀沉降，在开采边界线外400m范围内会出现大面积开裂，开采沉降影响范围超过采区外约500m。坝体将处于沉降区内，采区内坝体西段最大沉降达到6m，采区外坝体东段最大沉降达到3m。

⑸地表下裂缝深度最大为12米，大部分小于6米。

3.除险加固设计

S2S9开采段为大平煤矿的试采段，按照煤矿的统一规划，除险加固设计仅针对本试验段进行研究。

3.1除险加固条件的特点

⑴ 由于受前期地质条件精度限制、后期施工工艺与开采前生产规划差异影响以及模拟计算参数选取准确程度等因素的影响，使开采区沉陷计算值与实际情况存在一定的不确定性。

⑵ 水工建筑物的破坏在时间上具有较长的延续性。

3.2除险加固时期的选择

⑴ 前期加固

在坝体沉陷前，根据模拟计算结果，一次性对坝体加高培厚。本方案的优点是：施工工期较为集中，利用非汛期时间一次性完成施工，不用设置施工围堰。缺点是：由于沉陷的不确定性，沉陷完成后需对坝体进行进一步修整。加固部分坝体材料性能指标在沉陷过程中受影响较大，待沉陷完成后需进一步做防渗补强处理。

⑵ 分阶段加固

在坝体沉陷过程中，随坝体沉陷边沉陷边填筑。本方案的优点是：坝体断面填筑能逐渐修正。不用设置施工围堰。缺点是：施工工期较为分散。加固部分坝体材料性能指标在沉陷过程中受一定影响，待沉陷完成后需进一步做防渗补强处理。

⑶ 后期加固

在坝体沉陷后，根据实际沉陷情况，一次性对坝体加高培厚。本方案的优点是：加固的坝体断面设计最为经济合理。加固部分坝体材料性能指标不受沉陷过程影响，质量最好。缺点是：需在沉陷区以外部位设置较大施工围堰，工程量较大。

经综合比较，本工程选择分阶段对坝体进行加固。

3.3除险加固方案设计

由于北输水闸正处于沉陷区中部，在坝体沉陷前需将北输水闸拆除回填，结合水库灌溉、输水等兴利的作用较小，以及水库正常高水位与死水位的高差不大，经调洪计算，汛限水位（正常高水位）由82.0m降低至80.5m后，汛期利用两孔南输水闸泄洪可以满足泄洪要求。因此，本次加固拆除两孔北输水闸后，沉陷完成前不再在其它位置重建北输水闸。

沉陷段坝体采用先期分阶段加高培厚的方法，加固部分坝体同原坝体为粉质粘土均质坝，坝顶宽5.0m，上、下游坝坡均为1：3.0。待坝体沉陷完成后上游采用干砌石护坡，下游坡水位变动区采用抛石护坡，水位变动区以下采用袋装沙砾护坡。考虑沉陷过程坝体、基础将产生一系列的裂缝，可能成为上下游渗漏的通道，待开采区沉降稳定后，在坝体及第四系覆盖层内设粘土灌浆，基础岩石部位设置15m深的防渗帷幕灌浆。在沉陷完成后，在原位置恢复修建北输水涵。

4. 结束语

库下采煤的事例较少，除险加固的研究也较少，通过对本工程的设计，总结如下经验：

⑴ 前期应详细勘察开采对水库影响范围内的地形、地质条件；

⑵ 水库影响区范围内的开采，加固模拟计算前应制定详细的生产规划，明确开采实施的工艺流程并在以后的生产中严格执行；

⑶ 设计前通过模拟施工工艺流程，对影响区进行三维、二维仿真模拟计算，并通过工程类比确定采煤对建筑物的影响程度；

⑷ 条件允许时，应模拟沉陷过程，确定沉陷对建筑物材料性能指标影响，以确定建筑物的安全性；

⑸ 本次加固仅针对试验段局部沉陷进行了设计，库区的整体加固设计应根据采煤影响范围、程度及水库规模、地形地质条件等因素对水库建筑物进行总体布局和统一规划。

本工程除险加固施工刚刚实施，加固效果还需进一步验证。

参考文献：

[1] 《S2S9地表移动变形计算》，沈阳煤炭科学研究所，2004；