孫志猛 于振亞 李孟達

（1.甘肅靖遠煤電股份有限公司紅會第一煤礦，甘肅 白銀 730900；2.棗莊礦業(yè)(集團)濟寧岱莊煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277000；3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116 ）

關健詞 采空；巷道；破壞區(qū)；模擬

當對紅會一礦南翼井田1500 運輸下山巷道開展開拓工作時，發(fā)現(xiàn)巷道頂板距離采空區(qū)23.3 m，經(jīng)勘測上方采空區(qū)內(nèi)積水，如果不對1500 運輸下山巷道開拓安全距離進行研究，可能會面臨頂板突水的危險。

1 工程概況

紅會礦區(qū)位于甘肅省白銀市，礦區(qū)煤炭資源頗豐，煤炭年產(chǎn)量較高，為靖遠煤田的主要礦區(qū)之一。近年來隨著不同井田煤炭開采工作的相互影響，資源利用率不斷降低。出于提高資源利用率、降低成本、提高礦井服務年限從而達到規(guī)?；a(chǎn)、標準化生產(chǎn)的角度考慮，現(xiàn)將甘肅省靖遠煤田魏家地礦擴大區(qū)南部井田劃分給紅會一礦進行開采。

隨著煤炭開采活動、設備維修等工作的進行，采空區(qū)內(nèi)積水逐漸增多，采空區(qū)積水引發(fā)的水災事故頻發(fā)，采空區(qū)積水變成了礦井水害的主要誘因。采空區(qū)積水一般水量大，來勢兇，持續(xù)性較短。本文所研究的采空區(qū)下紅會一礦南翼井田1500 運輸下山巷道的布置受頂板老空區(qū)積水影響，需重點考慮煤柱破壞和底板破壞。由于巖性不同，不同的圍巖與老空區(qū)積水會呈現(xiàn)出不同的結果，即使是相同的圍巖，由于圍巖所處的溫度、壓力的不同，再加上時間效應，老空區(qū)圍巖的強度將會產(chǎn)生差別。

地質(zhì)勘探已經(jīng)查明，南翼井田煤層頂板上方存在一條廢棄巷道，為原白銀會通煤業(yè)公司所開采。該條廢棄巷道長度達到1200 m，巷道內(nèi)積水總量大約1.0 萬m3。平面上廢棄積水巷道與1801-1 首采面相交，相交角度達到26°，垂直方向上與首采面高差達到183 m，水平方向上存在1220 運輸聯(lián)巷，兩巷道距離約30 m。巷道布置如圖1。

圖1 南翼井田與長征煤礦采掘空間位置關系剖面圖

2 采空區(qū)下巷道布置分析

根據(jù)采空區(qū)與巷道之間層位關系，從上至下可劃分為工作面底板破壞區(qū)、安全隔水層、巷道圍巖破壞區(qū)。要確保巷道不會發(fā)生水害，就必須確保巷道與采空區(qū)之間的距離大于工作面底板破壞區(qū)、安全隔水層、巷道圍巖破壞區(qū)這三者距離之和。

2.1 工作面底板破壞距離分析

根據(jù)魏西克提出的巖體塑性滑移時巖體的承載極限理論計算公式，可推導出適用于本礦底板破壞最大深度計算公式[1]：

式中：m為煤層厚度，m；φ為所采煤層內(nèi)摩擦角，（°）；Cm為所采煤層黏聚力，MPa；H為平均埋深，m；γ為巖層平均重度，kN/m3；k為峰值系數(shù)。

根據(jù)地質(zhì)條件，煤層厚度15.38 m，埋深282 m，煤層內(nèi)摩擦角35°，黏聚力1 MPa，k取4，可計算出工作面底板破壞最大深度為9.77 m。

2.2 巷道松動范圍理論計算

未開挖巷道時，所有巖層包括煤層都處于原巖應力狀態(tài)，此時應力平衡。巷道開挖后打破了平衡，由于巷道所處空間巖石消失，圍巖應力發(fā)生改變，邊界處應力變化最大，由原巖應力降至零。應力狀態(tài)也發(fā)生了變化，未開挖前，所受應力狀態(tài)為三向應力，開挖之后，變?yōu)殡p向應力狀態(tài)，隨之帶來的是圍巖強度下降。若此時圍巖強度小于巷道開挖后的集中應力值，巷道周邊圍巖將出現(xiàn)程度不一的破壞，越靠近巷道，圍巖破壞程度也越大，破碎帶產(chǎn)生并向遠離巷道方向上發(fā)展[2-5]。

巖石塑性區(qū)半徑公式為[6]：

式中：r0為巷道半徑，m；P0為原巖應力，MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，（°）；C為煤層黏聚力，MPa；P1為支護反力，MPa。

為方便計算，紅會一礦南翼1500 運輸下山巷道斷面簡化為圓形，半徑2.75 m，埋深305 m，不考慮支護反力，原巖應力4.76 MPa，巷道圍巖C=3.5 MPa，φ=30°，代入式（3）計算得出巷道松動圈范圍大小為2.67 m。

2.3 安全隔水層厚度理論計算

根據(jù)煤礦防治水規(guī)定[7]，安全隔水層厚度可由下式計算獲得：

式中：L為巷道寬度，m；γ為巖層平均容重，MN/m3；Kp為巖層平均抗拉強度，MPa；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。

開拓巷道寬度5.5 m，巖層平均容重取2.5 MN/m3，根據(jù)礦井實測Kp為0.2 MPa，假設水頭至地表，則水頭壓力為19.78 MPa，代入可計算得安全隔水層厚度為7.59 m。

2.4 巷道布置安全性分析

巷道安全性分析主要依靠的是工作面底板破壞區(qū)、安全隔水層、巷道圍巖破壞區(qū)三個被考慮因素的距離之和與巷道和采空區(qū)之間距離的比值大小。工作面底板破壞區(qū)是工作面回采工作時產(chǎn)生的，在本文中針對的是老空積水區(qū)；巷道圍巖破壞區(qū)是掘進1500運輸下山產(chǎn)生的；安全隔水層處于兩者之間。根據(jù)計算，工作面底板破壞區(qū)、安全隔水層、巷道圍巖破壞區(qū)的厚度分別為9.77 m、7.59 m、2.67 m，三區(qū)之和為20.03 m＜23.3 m，三者之和小于巷道與采空區(qū)之間的距離。因此，巷道布置在采空區(qū)底板下方23.3 m 處具有安全可行性。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)南翼井田與地方煤礦采掘位置關系剖面和工程地質(zhì)條件建立相應的FLAC3D數(shù)值計算模型，先讓模型實現(xiàn)老空區(qū)的應力狀態(tài)，之后在老空區(qū)的應力狀態(tài)下開挖1500 運輸下山，進一步與實際情況相吻合。根據(jù)塑性區(qū)和巷道位移情況，對巷道變形破壞情況進一步了解與掌握。數(shù)值模擬所有巖體模型采用的是mohr-coulomb 本構關系，網(wǎng)格劃分均勻，模型上部邊界自由，其他部分邊界固定。模擬分析過程中將相互貫通的拉應力破壞區(qū)視作導水裂隙帶，將塑性區(qū)發(fā)育最大高度視作導水裂隙帶最大高度[8-9]。巷道塑性區(qū)切片云圖如圖2。

圖2 過1500 運輸下山剖面

由圖2 可知，地方煤礦開采過后，出現(xiàn)塑性區(qū)，發(fā)生拉伸破壞和壓縮破壞，底板出現(xiàn)破壞，最終表現(xiàn)為地表沉陷。從圖中進一步分析發(fā)現(xiàn)底板破壞范圍主要集中于采空區(qū)中部，在采空區(qū)中部底板破壞深度達到了峰值，底板破壞深度由采空區(qū)中部向煤壁兩側呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。這是由于兩側煤壁的支撐作用造成的，越靠近煤壁，底板區(qū)破壞深度越小，與煤壁距離越遠，底板破壞深度越大。由于在1500 運輸下山向下延伸處最靠近煤壁，因此1500 運輸下山向下延伸處距采空區(qū)破壞范圍距離最小，將此處切片可以更清楚地分析巷道圍巖影響區(qū)的范圍，將其向下延伸部位切片顯示如圖3。

圖3 垂直1500 運輸下山剖面

由圖3 可知，塑性區(qū)發(fā)展方向主要沿頂角和底角呈x 狀發(fā)育，且頂板塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，底板塑性區(qū)發(fā)育范圍較小，前者大于后者。巷道塑性區(qū)發(fā)育最大高度僅為巷道高度，約3.5 m，巷道頂板塑性區(qū)遠遠未波及到采空區(qū)底板破壞區(qū)域。經(jīng)過測量，在采空區(qū)底板破壞區(qū)域與巷道頂板破壞區(qū)域之間存在8.9 m 的隔水層。模擬結果明確顯示，運輸下山這一巖巷開挖過程中，運輸下山巷道圍巖破壞范圍不會與老空區(qū)巷道圍巖破碎區(qū)相互影響，符合理論計算。

4 結語

（1）分析巷道與采空區(qū)之間層位關系，從上至下可分為采場底板破壞區(qū)、安全隔水層、巷道圍巖破壞區(qū)，三區(qū)范圍之和與巷道距采空區(qū)距離的大小關系可作為老空水能否對巷道產(chǎn)生災害的判別依據(jù)。

（2）對三區(qū)發(fā)育范圍進行計算，并與巷道和采空區(qū)底板之間距離進行比較，結果表明當前巷道布置方式具有安全可行性。

（3）通過數(shù)值模擬，分析了1500 運輸下山圍巖破壞規(guī)律，其結果與理論計算相互驗證。