李見波，尹尚先，王新梅

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 10083；2.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

下組煤開采時(shí)需要在采空區(qū)下方布置巷道，目前采空區(qū)下方布置巷道越來越多。工程實(shí)踐方面，文獻(xiàn)[1]論述了回風(fēng)巷道在采空區(qū)下的掘進(jìn)技術(shù)與應(yīng)用，文獻(xiàn)[2-8]分別研究了采空區(qū)下松軟煤層巷道圍巖穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)、近距離煤層采空區(qū)下掘進(jìn)巷道支護(hù)形式、錨桿支護(hù)在采空區(qū)下巷道中的應(yīng)用、采空區(qū)下巷道修復(fù)加固技術(shù)、采空區(qū)下煤巷錨桿支護(hù)方式研究以及桁架支護(hù)技術(shù)在近距離采空區(qū)下巷道的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9-11]研究了近距離煤層采空區(qū)下掘進(jìn)防治水技術(shù)、層間距對采空區(qū)下巷道穩(wěn)定性影響分析及積水采空區(qū)下巷道探放水掘進(jìn)安全施工技術(shù)。理論研究方面，靳德武等在煤礦重大突水災(zāi)害防治技術(shù)研究新進(jìn)展中研究了建立了老空水等三類煤礦突水災(zāi)害的防治水體系基本框架[12]。唐德玉等[13]分析了巷道遲到突水的發(fā)生發(fā)展過程。蔡榮等[14]介紹了幾種井下采礦過程中巷道突水的特殊形式。孫強(qiáng)等[15]以管道導(dǎo)通突水的地質(zhì)模型和力學(xué)模型為基礎(chǔ)建立了勢能突變理論模型，給出了失穩(wěn)的判據(jù)和確定臨界位移的方法。李國富[16]分析了動水壓力和巖體接觸壓力間的本構(gòu)關(guān)系，提出了巷道掘進(jìn)中圍巖預(yù)注漿防突水控制方案對策。

本文為研究積水采空區(qū)下近距離布置巷道的問題，防止現(xiàn)場運(yùn)輸大巷在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)采空區(qū)積水滲漏或潰入，避免礦井的安全生產(chǎn)帶來極大危害。采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬的方法，分析影響積水采空區(qū)下布置巷道因素，模擬研究巷道在常規(guī)支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)條件下的不同安全距離時(shí)圍巖塑性場和底板滲流場耦合問題。

1 現(xiàn)場工程布置

八采區(qū)南運(yùn)輸大巷于15煤層底板巖層中掘進(jìn)，部分區(qū)段位于采空區(qū)下方。八采區(qū)為礦井開拓延伸的末采區(qū)，由于小煤窯非法越界蠶食，形成“孤島”采區(qū)，從現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)延伸開拓巷道，要穿越小煤窯采空區(qū)。八采區(qū)南運(yùn)輸大巷于15煤層底板巖層中掘進(jìn)，大部分區(qū)段位于15號煤層小窯采空區(qū)下方17～40 m底板中[17]。特別是當(dāng)采空區(qū)充滿積水時(shí)，如何安全進(jìn)行巷道布置是該礦面臨的難題。

2 理論定性分析

根據(jù)工程地質(zhì)及巷道布置條件，利用軟件繪制了充滿積水時(shí)采空區(qū)下巷道布置模型，如圖1所示。

圖1 滲流作用下積水采空區(qū)下方巷道布置模型

模型從上到下分為四個(gè)部分：一是破壞充水區(qū)，該區(qū)由于底板明顯破壞，與采空區(qū)水直接聯(lián)系，無水力梯度變化；另外三個(gè)分別是底板滲透破壞區(qū)、安全隔水區(qū)和巷道圍巖破壞區(qū)。底板滲透破壞區(qū)是由于采空區(qū)水的滲流作用使底板巖體發(fā)生一定的滲透破壞，屬于滲透破壞區(qū)?？梢钥闯?，當(dāng)巷道與上方采空區(qū)距離較近時(shí)，安全隔水區(qū)厚度較小，巷道圍巖破壞區(qū)與滲透破壞區(qū)發(fā)生破壞聯(lián)系導(dǎo)水可能性更大。因此，巷道布置安全的條件為保證采空區(qū)與巷道間有足夠的安全距離。在兩者垂直間距一定的條件下，可以通過加強(qiáng)支護(hù)來縮小巷道圍巖破壞區(qū)，從而間接增加安全隔水區(qū)厚度。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型概述與方案

以現(xiàn)場工程實(shí)際為依據(jù)，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。根據(jù)地質(zhì)資料，開采煤層厚度7 m，運(yùn)輸大巷位于煤層底板下一定距離。設(shè)埋深200 m，水壓2 MPa。網(wǎng)格按巖層分區(qū)劃分，并且為不均勻劃分，三維結(jié)構(gòu)模型單元143640個(gè)，節(jié)點(diǎn)156432個(gè)。采用應(yīng)力邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型下表面x和y方向固定。采用程序內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)單元模擬各種支護(hù)構(gòu)件。

考慮滲流作用影響，模擬研究充水采空區(qū)下巷道布置突水危險(xiǎn)情況，研究分析不同安全厚度對巷道頂板突水機(jī)理的影響，共建立兩組模型。本次模擬選擇最小間距17m和正常間距30m兩種情況進(jìn)行模擬。首先模擬煤層開采后滲流作用對底板破壞的影響情況，然后模擬巷道開挖后，分別采用錨桿支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)時(shí)巷道周邊破壞情況，以及巷道開挖時(shí)，圍巖破壞區(qū)與上方采空區(qū)滲流場的聯(lián)系情況。

圖2 巷道距煤層底板不同距離數(shù)值模型圖

選擇兩種支護(hù)方式進(jìn)行模擬，分別是錨桿支護(hù)方式和“全封閉拱形支架+壁后充填”加強(qiáng)支護(hù)方式。

(1) 錨桿支護(hù)參數(shù)

錨桿φ20 mm，L=2000的螺紋鋼樹脂錨桿，間距=800×800 mm；錨索φ17.80 mm，L=6200 mm，錨索間距=1600×1600 mm。

(2) “全封閉拱形支架+壁后充填”加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

巷道永久支護(hù)采用29U-13.36 m2金屬拱形支架掛葦簾壁后充填，凈高3200 mm，凈寬5000 mm，棚距600 mm，卡纜螺栓扭矩不小于150 N·m，混凝土標(biāo)號C20，見三噴二，噴充厚度≤200 mm。底腳加固錨桿滯后迎頭首架棚子不超過4架。底梁安裝滯后迎頭距離不超過20 m，如圖3所示。

圖3 全封閉拱形支架+壁后充填

根據(jù)選擇的支護(hù)方式，建立巷道支護(hù)的數(shù)值模型，如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)方式

計(jì)算所需要的煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

3.2 初始滲流場分析

煤層開采以后，形成采空區(qū)，同時(shí)底板和頂板圍巖發(fā)生破壞。采空區(qū)內(nèi)積水充滿了采空區(qū)，同時(shí)也充滿了底板破壞區(qū)。本次模擬假設(shè)地表水導(dǎo)通潰入采空區(qū)，水壓2 MPa。經(jīng)過計(jì)算得到積水采空區(qū)的初始滲流場如圖5所示。

圖5 煤層開挖后初始滲流場

從圖中可以看出滲流場的范圍要大于煤層開采后的初始底板破壞區(qū)，滲流場將底板破壞區(qū)覆蓋。由于積水的滲透作用，采空區(qū)積水向下方完整巖層發(fā)生滲流，形成有壓力梯度的滲流場。

3.3 滲流場與塑性破壞場分析

(1) 不同間距巷道開挖分析

在初始滲流場條件下，進(jìn)行巷道開挖，巷道采用普通錨桿支護(hù)。模擬了兩種條件下的巷道開挖，包括巷道與積水采空區(qū)間距17 m和30 m兩種情況。巷道開挖后底板滲流場與巷道周邊圍巖塑性破壞場的聯(lián)系情況如圖6所示。

圖6 巷道開挖后底板滲流場與巷道周邊圍巖塑性破壞場分布

分析兩場變化分布可以看出，巷道開挖后，周邊發(fā)生破壞，形成塑性破壞區(qū)。17 m時(shí)，巷道圍巖形成塑性破壞區(qū)范圍比30 m條件時(shí)大。由于間距較小，巷道采動應(yīng)力場擾動影響到底板滲流場區(qū)域變大，塑性破壞區(qū)與底板滲流場發(fā)生聯(lián)系，形成突水通道。30 m時(shí)，由于間距相對較大，巷道開挖沒有直接影響到底板滲流場，滲流區(qū)域基本沒有變化。但是按照《煤礦防治水規(guī)定》中安全隔水層厚度的要求，由于考慮滲流作用時(shí)，安全距離變小，為安全考慮亦須采用加強(qiáng)支護(hù)。

(2) 不同支護(hù)方式巷道開挖分析

在初始滲流場條件下，選擇較小間距17 m時(shí)進(jìn)行巷道開挖，巷道分別采用錨桿支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)，分別模擬了這兩種支護(hù)條件下的巷道開挖。巷道開挖后底板滲流場與巷道周邊圍巖塑性破壞場的聯(lián)系情況如圖7所示。

分析巷道開挖前后底板滲流場與巷道周邊圍巖塑性破壞場變化可以看出，巷道開挖后，周邊發(fā)生破壞，形成塑性破壞區(qū)。支護(hù)方式影響了塑性破壞區(qū)大小。采用“全封閉拱形支架+壁后充填”加強(qiáng)支護(hù)時(shí)，與錨桿支護(hù)相比巷道周邊圍巖塑性破壞區(qū)范圍明顯減小。加強(qiáng)支護(hù)可以避免底板滲流場與塑性破壞場的直接聯(lián)系，圍巖穩(wěn)定時(shí)可以形成一定距離的安全隔水距離。

3.3 監(jiān)測點(diǎn)位移分析

在模型中布置監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)A布置如圖2所示。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，間距與位移變化關(guān)系密切，模擬中記錄的位移變化情況去表2所示。

表2 大巷開挖前后垂向位移變化

巷道開挖后，測點(diǎn)A產(chǎn)生垂向位移，進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，位移有所變化。間距30 m時(shí)，巷道采用錨桿支護(hù)，水壓作用下，測點(diǎn)A垂向最大位移為3.738 cm；加強(qiáng)支護(hù)時(shí)，底板垂向最大位移為3.507 cm，位移量改變6.1%。間距17 m時(shí)，巷道采用錨桿支護(hù)，水壓作用下，測點(diǎn)A垂向最大位移為3.922 cm；加強(qiáng)支護(hù)時(shí)，底板垂向最大位移為3.403 cm，位移量改變18.3%。根據(jù)垂向位移變化表中數(shù)據(jù)分析，錨桿支護(hù)條件下，間距越小，位移越大。對巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后進(jìn)行計(jì)算，17 m間距時(shí)位移改變量比30 m時(shí)大，控制效果顯著。支護(hù)強(qiáng)度增大時(shí)，采空區(qū)底板垂向位移減小，加強(qiáng)支護(hù)使得巷道周邊的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，圍壓逐漸增加，由單向、兩向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，拉應(yīng)力區(qū)域減小，承載區(qū)范圍隨之加大，承載能力得到有效的提高。加強(qiáng)支護(hù)更能有效地保持圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1) 研究了滲流作用影響下積水采空區(qū)下布置巷道的四個(gè)因素：破壞充水區(qū)、底板滲透破壞區(qū)、安全隔水區(qū)和巷道圍巖破壞區(qū)。明確了各因素間關(guān)系，確定防止巷道發(fā)生頂板透水需要滿足采空區(qū)與巷道間要有足夠的安全距離。

(2) 數(shù)值模擬分析了積水作用下底板滲流場分布，模擬分析巷道開挖時(shí)，塑性破壞場與滲流場的耦合情況。30 m時(shí)，巷道圍巖破壞區(qū)域底板滲透區(qū)距離較遠(yuǎn)，在隔水層完整穩(wěn)定條件下沒有發(fā)生水力聯(lián)系。17 m時(shí)，常規(guī)錨桿支護(hù)條件下，巷道周邊塑性破壞區(qū)與底板滲流場能夠發(fā)生聯(lián)系，容易形成突水，屬于比較危險(xiǎn)情況。模擬結(jié)果顯示：采用“全封閉拱形支架+壁后充填”的支護(hù)方式相對增加了安全隔水距離，有效減小巷道圍巖破壞區(qū)和對底板滲流場的擾動。

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