下伏煤層空巷對上覆煤層開采的影響

魏文勝，李春元，司艷龍，杜華溢，毛新華，4

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.中國華能集團(tuán)有限公司，北京 100038；4.山西陸合集團(tuán)有限公司，山西 洪洞 041600）

華北煤田資源整合型礦井眾多，早期小煤窯開采遺留下的過空巷問題長期以來制約著礦井安全高效生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-2]。又華北煤田奧灰水水害嚴(yán)重，近距離煤層群較多，而近距離煤層群開采時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，煤層間影響突出，往往造成開采煤層頂?shù)装迤茐膮^(qū)與鄰近煤層采空區(qū)、空巷貫通，并導(dǎo)致冒頂、瓦斯突出、冒水、突水等重大災(zāi)害頻發(fā)[3-5]，因此對華北煤田近距離煤層群上覆工作面過下伏空巷過程中底板應(yīng)力和塑性區(qū)破壞演化規(guī)律研究十分必要。結(jié)合基安達(dá)礦1002工作面地質(zhì)條件和底板突水情況，分析了下伏空巷頂板破壞范圍及上覆煤層底板破壞深度，數(shù)值模擬了含下伏空巷煤層開采底板與空巷破壞貫通演化過程，為礦井安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

1 含下伏空巷煤層開采狀況

1.1 工程地質(zhì)

基安達(dá)煤礦為資源整合礦井，平均埋深0～200m，井田總體為一走向北東傾向南東的單斜構(gòu)造，傾角3°～13°，未見斷層、陷落柱及巖漿巖侵入。主采3、10、11 號煤層，間距分別 50.40～77.10 m、5.32～9.83 m，平均間距 60.76、7.36 m，3、11號煤層已開采完畢，現(xiàn)采10號煤1002綜采工作面，走向長750 m，傾向長120 m，頂板采用全部垮落法，兩巷尺寸均為2.4 m×3.0 m。11號煤層早期小煤礦開采遺留有眾多軸向與1002工作面推進(jìn)方向垂直、斜交的積水空巷，由于近距離煤層群開采底板破壞嚴(yán)重，因此10號煤層過下伏11號煤層空巷開采時(shí)有突水危險(xiǎn)。

1.2 上覆煤層開采底板破壞及突水過程

2012年8月1日1002工作面發(fā)生突水事故，1002工作面突水示意圖如圖1。事故后回風(fēng)巷270 m以里，巷道底部覆蓋約1 m厚的煤渣，堆積有大量長1.6～2.25 m、直徑10～15 cm的坑木、白塑料管等下伏煤層開采的遺留物（圖1（a））；機(jī)尾超前支護(hù)單體柱上掛有從老窯采空區(qū)沖出的彩條布，布的兩端指向回風(fēng)巷開口方向；工作面多架液壓支架的控制手柄被水沖擊而彎曲變形，手柄彎曲方向指向運(yùn)輸巷一側(cè)（機(jī)頭方向），通過聯(lián)絡(luò)巷涌入相鄰的10062掘進(jìn)巷；在1002工作面機(jī)尾后部、距工作面煤壁約7.5 m的采空區(qū)底板有一上端口直徑約6 m、下端口直徑不小于2.5 m、深超過3 m的漏斗形坑（圖1（b））。判定突水點(diǎn)在1002綜采工作面機(jī)尾后部、距工作面煤壁約7.5 m的底板處，突水通道是底板的漏斗形坑，突水水源是下伏11號煤層的老空巷積水。

圖1 1002工作面突水示意圖

2 下伏空巷對上覆煤層開采的影響

2.1 下伏空巷頂板穩(wěn)定性及破壞高度

為分析下伏11號煤層空巷頂板穩(wěn)定性及破壞高度，簡化巷道為圓形巷道，在圓形巷道中，巷道塑性區(qū)半徑R公式為[6-8]：

式中：C為巖體黏聚力，MPa；φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）；ρ為覆巖密度，t/m3；Hm為埋深，m；r1為巷道半徑，m。參考地質(zhì)資料及實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)：C=0.8 MPa，φ=30°，ρ=2.4 t/m3，H=180 m，r1=1.2 m，代入到式（1）計(jì)算得R=1.7 m，巷道高度3 m，所以頂板塑性區(qū)破壞范圍0.2 m，即巷道頂板高0.2 m范圍內(nèi)為裂隙破碎巖體。

2.2 上覆煤層開采底板破壞深度

回采過程中在底板中形成的高應(yīng)力區(qū)會造成底板破壞，由滑移線理論可得不同煤層間距下支承壓力形成的底板破壞深度圖（圖2）及底板最大破壞深度Dmax[9-11]計(jì)算公式：

式中：φ為內(nèi)摩擦角，（°）；L為煤體極限平衡區(qū)寬度，m。

由圖2可以看出，隨著煤層間距減小，上覆工作面開始受下伏空巷影響，且影響范圍越來越大，影響時(shí)間越來越長；當(dāng) H＞D+R 時(shí)（圖 2（a）），上覆煤層工作面過下伏空巷過程中，空巷和上覆煤層底板破壞區(qū)范圍始終不會貫通，空巷對上覆煤層開采影響較小或無影響；當(dāng) D＜H≤D+R 時(shí)（圖 2（b）），過下伏空巷過程中上覆煤層底板破壞區(qū)僅與巷道頂板圍巖重疊、貫通，未重疊到巷道兩幫，受下伏空巷影響時(shí)間較短；當(dāng) D-m2＜H＜D 時(shí)（圖 2（c）），下伏空巷基本頂部分損傷，上覆煤層底板破壞區(qū)范圍重疊貫通到巷道頂板和兩幫，受下伏空巷影響時(shí)間程度較大、時(shí)間較長；當(dāng) H＜D-m2時(shí)（圖 2（d）），下伏空巷基本頂完全損傷，上覆煤層底板破壞區(qū)范圍貫通到巷道頂板、兩幫及底板，受下伏空巷影響程度最大、時(shí)間最長。

根據(jù)礦方資料10號煤層開采煤體實(shí)際平衡區(qū)寬度4.5 m，內(nèi)摩擦角分別22°，代入式（2）計(jì)算得10號煤層開采后底板破壞深度5.54 m。1002工作面與下伏11號煤層間距約5.4 m，此時(shí)符合理論模型圖2（c）。由于側(cè)向采動影響范圍內(nèi)隔水層阻水抗壓能力會降低，加之空巷周圍巖體長期受積水侵蝕，所以1002工作面采動引發(fā)的底板破壞會貫通下伏老空巷道，引發(fā)突水事故，即下伏空巷對上覆煤層開采有極大突水威脅。

圖2 不同煤層間距下支承壓力形成的底板破壞深度

3 含下伏空巷煤層開采的數(shù)值分析

建立基安達(dá)礦1002工作面FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型簡化為12層，模型尺寸320 m×240 m×160 m；上表面施加等效載荷，四周約束法向位移，底面固定，數(shù)值計(jì)算模型如圖3。模型邊界條件如圖4。結(jié)合現(xiàn)場情況模型先開挖11號煤層的空巷，空巷軸向與1002工作面推進(jìn)方向垂直，現(xiàn)場工作面推進(jìn)750 m，考慮模型尺寸1002工作面只開挖100 m，避開工作面來壓的影響。開挖巖石材料模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，開挖之后10號煤層與11號煤層間巖層的巖石本構(gòu)更改為應(yīng)變軟化模型，材料巖石力學(xué)參數(shù)均由實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)測得，各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。1002工作面推進(jìn)過程中底板應(yīng)力場及塑性區(qū)演化規(guī)律如圖5、圖6。

3.1 含下伏空巷煤層開采底板應(yīng)力演化

圖3 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型

由圖5可知，工作面在距下伏空巷4 m到過空巷8 m過程中，工作面回采形成的壓應(yīng)力集中區(qū)貫穿前移通過空巷，集中分布在空巷對角，在距空巷0 m時(shí)總范圍達(dá)到最大并貫穿整個(gè)空巷；空巷工作面?zhèn)壬吓冀菓?yīng)力集中范圍先增大后減小，距空巷0 m時(shí)達(dá)到最大，之后逐漸減小，煤體側(cè)下偶角應(yīng)力集中范圍亦先增大后減小，距空巷0 m時(shí)開始應(yīng)力集中，過空巷4 m時(shí)達(dá)到最大之后逐漸減小；應(yīng)力集中峰值亦先增大后減小，在距空巷4 m到過空巷8 m 過程中，依次為 4.87、4.93、4.99、4.05 MPa；該過程下伏空巷與上覆工作面破壞間破壞影響逐漸增加，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)范圍和峰值逐漸增大、前移，空巷依次處于依次被動應(yīng)力區(qū)、過渡區(qū)和主動應(yīng)力區(qū)；在過空巷時(shí)底板變形破壞，圍巖應(yīng)力開始釋放導(dǎo)致集中區(qū)減小，但破壞程度較小應(yīng)力仍增大，過空巷8 m時(shí)，空巷圍巖發(fā)生大面積破壞，應(yīng)力大量釋放趨于穩(wěn)定，卸壓完畢，此時(shí)極易發(fā)生突水事故。

圖4 模型邊界條件

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

圖5 1002工作面底板應(yīng)力演化規(guī)律

3.2 含下伏空巷煤層開采底板塑性區(qū)演化

圖6 1002工作面底板塑性區(qū)演化過程

由圖6可知，工作面距下伏空巷4 m時(shí)，空巷煤體側(cè)塑性區(qū)高度2 m，工作面?zhèn)人苄詤^(qū)高度達(dá)到3 m，擴(kuò)大了1.5倍，但并未貫通上覆工作面，空巷左幫與覆煤層開采相互影響；距空巷0 m時(shí)下伏空巷左幫貫通上覆工作面破壞區(qū)，貫通寬度2 m，倆幫塑性區(qū)破壞高度均達(dá)到3 m及以上，此時(shí)倆幫均受到上覆煤層采動影響，工作面底板開始變形破壞，釋放應(yīng)力；隨工作面推進(jìn)，貫通范圍越來越大，過空巷4 m時(shí)，下伏空巷頂板貫通上覆工作面底板破壞區(qū)，貫通寬度4 m；過空巷8 m時(shí)貫通寬度達(dá)到8 m，空巷左右?guī)图绊敯遑炌ㄉ细补ぷ髅娴装?，空巷對上覆煤層開采有明顯影響，此時(shí)極易發(fā)生突水。

4 結(jié)論

1）觀測并分析1002工作面底板突水過程可知突水地點(diǎn)在工作面機(jī)尾后部、距工作面煤壁約7.5 m的底板處，突水通道是漏斗形坑，突水水源是下伏11號煤層空巷積水。

2）下伏空巷頂板0.2 m范圍內(nèi)巖體為破碎巖體；10號煤層開采后底板破壞深度5.54 m大于煤層間距5.4 m，1002工作面采動引發(fā)的底板破壞會貫通下伏空道，下伏空巷對上覆煤層開采有突水威脅。

3）數(shù)值模擬表明，隨工作面推進(jìn)空巷圍巖產(chǎn)生移動應(yīng)力集中區(qū)，集中區(qū)總范圍、工作面?zhèn)壬吓冀羌懊后w側(cè)下偶角應(yīng)力集中范圍、應(yīng)力峰值均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，分別在距空巷0 m、距空巷0 m、過空巷4 m、過空巷4 m達(dá)到最大值，應(yīng)力集中峰值達(dá)到4.99 MPa，過空巷8 m時(shí)，空巷圍巖大面積破壞，應(yīng)力大量釋放趨于穩(wěn)定；空巷圍巖塑性區(qū)范圍隨工作面推進(jìn)不斷增大貫通工作面，距空巷0 m時(shí)下伏空巷左幫貫通上覆工作面塑性區(qū)，寬度達(dá)到2 m，距空巷4 m時(shí)空巷右?guī)拓炌ㄉ细补ぷ髅娴装逅苄詤^(qū)，隨工作面推進(jìn)貫通寬度不斷增加在空巷后方8 m時(shí)達(dá)到8 m，空巷左右?guī)图绊敯寰炌ǖ装逅苄詤^(qū)。下伏空巷對上覆煤層開采有極大影響。