厚松散層薄基巖下巷道掘進(jìn)安全性分析

李 偉 張文泉 谷 斌

（1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東宏礦控股有限公司橫河煤礦，山東 鄒城 273500）

橫河井田位于山東省濟(jì)寧市境內(nèi)，處于兗州煤田西部。橫河煤礦井田絕大部分區(qū)域煤系地層與第四系下組含水砂層直接接觸，屬于厚松散含水層下山西組煤系地層開(kāi)采。根據(jù)橫河煤礦生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，近期計(jì)劃開(kāi)采井田東翼北采區(qū)3煤層淺部區(qū)域東8-1工作面。該區(qū)域的基巖最薄處20m左右，受第四系松散層突水涌砂災(zāi)害的威脅程度大大增加。隋旺華等[1]利用工程地質(zhì)系統(tǒng)研究方法建立了預(yù)測(cè)模型并成功應(yīng)用于橫河煤礦厚松散含水層下放頂煤開(kāi)采防水煤巖柱的留設(shè)。張文泉[2]等采用ANSYS有限元數(shù)值模擬方法分析了次生小斷層對(duì)采動(dòng)裂隙帶高度發(fā)育的影響，認(rèn)為工作面推進(jìn)過(guò)程中存在斷層情況下，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的增大會(huì)引發(fā)涌水突砂事故。因此，為了避免東8-1工作面淺部區(qū)域采掘巷道掘進(jìn)與施工過(guò)程誘發(fā)水砂突涌災(zāi)害，保證巷道施工掘進(jìn)的安全性，有必要展開(kāi)對(duì)“橫河煤礦東8-1工作面淺部區(qū)域巷道掘進(jìn)安全性分析”的研究。

1 工作面概況

東8-1工作面為3煤一分層工作面，相對(duì)地面位于泗河?xùn)|堤以東，北部為已開(kāi)采的東10-4工作面。該區(qū)3煤厚平均8.86m，傾角8～15°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂為泥巖，平均厚1.5m，水平層理，基本頂為粉砂巖，平均厚7.0m。由東8-1工作面附近基巖厚度等值線圖可以看出，工作面基巖最薄處20m左右，突水涌砂危險(xiǎn)大大增加。

2 水文地質(zhì)特征及安全煤巖柱留設(shè)可行性

該區(qū)域附近第四系下組的富水性弱，甚至微弱或極弱（科4、科5、科6水文鉆孔單位涌水量系數(shù)q均小于0.1），且厚度相對(duì)較小，加之部分區(qū)域底含或下組含水層粘土含量較多，從而進(jìn)一步降低了自身的富水程度及滲透性。東8-1工作面頂板按基巖等值線厚度為20.0～46.0m，屬于中硬偏軟類(lèi)型，其上部以泥巖為主，下部主要為泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，泥質(zhì)巖成分含量相對(duì)較高，滲透性相對(duì)較弱，該組合結(jié)構(gòu)有利于抑制裂縫的發(fā)育，對(duì)其垂直方向的充水砂源具有一定的阻隔作用?；鶐r厚度頂板砂巖含水層富水性弱，不具備對(duì)工作面開(kāi)采構(gòu)成直接充水威脅的條件。

同時(shí)，考慮第四系下組水位逐年下降、底含存在疏干的可能，并結(jié)合相鄰工作面實(shí)際開(kāi)采情況，綜合分析認(rèn)為，水體采動(dòng)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，東8-1工作面的條件符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[3]的規(guī)定中留設(shè)防砂安全煤巖柱的要求，留設(shè)防砂安全煤巖柱是可行的。

3 巷道掘進(jìn)圍巖破壞數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步分析橫河煤礦東8-1工作面巷道掘進(jìn)圍巖破壞情況，采用UDEC4.0數(shù)值模擬軟件，建立相關(guān)的數(shù)值模型，對(duì)東8-1工作面淺部巷道掘進(jìn)圍巖破壞進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本次模擬以橫河煤礦東8-1工作面為研究背景，根據(jù)工作面上覆地層的沉積特征，為了便于模型的建立，工作面煤層及頂?shù)装鍘r層均按水平地層處理（傾角為0°）。根據(jù)工作面巷道實(shí)際掘進(jìn)的工程地質(zhì)及技術(shù)條件，本次模擬建立基巖厚度為20m，3煤層厚度為8.5m，模型3煤層底板巖層厚度為40m，其離散元幾何模型的示意圖如圖1所示。模型采用平面應(yīng)變模型，模型的尺寸（長(zhǎng)×高）為 250m×100.5m。

圖1 基巖厚度20m模型尺寸

模型的底部界和左、右邊界均采用零位移邊界條件，即：底部邊界條件為全約束邊界（u=0且v=0）；左、右邊界條件為單約束邊界（u=0，v≠0）；上邊界為自由邊界，無(wú)約束，上邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上。模型具體模型及塊體劃分情況如圖2所示。

圖2 模型塊體劃分情況

3.1 巷道掘進(jìn)模擬過(guò)程

依據(jù)東8-1工作面巷道實(shí)際掘進(jìn)的工程地質(zhì)及技術(shù)條件，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件還原東8-1工作面順槽的掘進(jìn)過(guò)程。即：在之前東10-1和東10-4工作面采掘平衡的基礎(chǔ)上，沿3煤層頂板先后掘進(jìn)東8-1工作面運(yùn)輸巷和軌道巷，其分別外錯(cuò)于東10-1工作面軌道巷4m和65m，兩巷均為矩形斷面，運(yùn)輸巷斷面尺寸（長(zhǎng)×高）3.6m×2.5m，軌道巷斷面尺寸3.6m×2.3m，開(kāi)挖完成后待模型計(jì)算平衡即可。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

結(jié)合前人對(duì)東10-4工作面推進(jìn)覆巖破壞模擬結(jié)果，完成東8-1軌道巷（斷面尺寸長(zhǎng)×高=3.6m×2.3m）的掘進(jìn)模擬，其模擬結(jié)果如圖3所示。東8-1軌道巷不受東10-4工作面采動(dòng)影響，并且在東8-1工作面掘進(jìn)完成后，其上方巖層應(yīng)力較未開(kāi)挖前有所降低。從東8-1軌道巷圍巖破壞近景圖（見(jiàn)圖3（c））可以看出，軌道巷開(kāi)挖后僅直接頂巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，由此可以推斷，此類(lèi)條件下巷道掘進(jìn)對(duì)頂板覆巖破壞較輕，破壞高度約為1.8m。在離采空區(qū)較近處于應(yīng)力集中區(qū)煤柱內(nèi)掘進(jìn)皮帶巷時(shí)上覆巖層最大破壞高度約3.3m。

圖3 軌道巷掘進(jìn)圍巖破壞模擬結(jié)果（基巖厚度20m）

4 圍巖破壞高度與安全煤巖柱的綜合確定

4.1 巷道掘進(jìn)圍巖破壞高度的綜合確定

根據(jù)模擬結(jié)果可知，在基巖厚度為20m條件下，東8-1工作面皮帶巷掘進(jìn)覆巖最大破壞高度為3.3m，東8-1工作面軌道巷覆巖最大破壞高度為1.8m。巷道掘進(jìn)的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度即為巷道圍巖破壞范圍。按垮落拱平衡理論計(jì)算圍巖破壞范圍小于2m，這與模擬結(jié)果基本一致；同時(shí)，按一般傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料所得結(jié)果，類(lèi)似條件下，圍巖破壞范圍一般不超過(guò)巷道寬度，即＜3.6m，與模擬結(jié)果（3.3m）基本一致。

綜上分析，為安全起見(jiàn)，本次巷道掘進(jìn)圍巖破壞高度選取較大值，即3.3m。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，選取1.5倍的安全系數(shù)，即最終東8-1工作面巷道掘進(jìn)圍巖最大破壞高度確定約為5.0m。

4.2 淺部巷道掘進(jìn)安全煤巖柱尺寸的確定

據(jù)前述內(nèi)容可知，區(qū)域頂板砂巖水已趨于疏干，第四系下組底含的富水性弱，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》可留設(shè)防砂煤巖柱。考慮到《煤礦防治水細(xì)則》[4]第九十三條規(guī)定“防隔水煤（巖）柱的尺寸不得小于20m”，本次東8-1工作面淺部巷道掘進(jìn)按留設(shè)安全防水煤巖柱進(jìn)行分析。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，結(jié)合東8-1工作面的開(kāi)采參數(shù)和地質(zhì)采礦條件，3煤頂板以泥巖為主，受風(fēng)氧化作用巖體強(qiáng)度降低，屬于中硬-軟弱類(lèi)型，根據(jù)工作面附近井下探查情況可知，工作面上覆松散層底部賦存粘土層，為安全起見(jiàn)，保護(hù)層按中硬類(lèi)型選取，其防水安全煤巖柱的保護(hù)層厚度應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中：

∑M-采高，m；

n-分層層數(shù)。

將巷道掘進(jìn)最大高度2.5m，代入相應(yīng)參數(shù)，得到保護(hù)層厚度為：

Hb=2.5×4=10.0m

東8-1工作面巷道掘進(jìn)條件下的防水安全煤巖柱的厚度（Hsh=HLi+Hb）則為15.0m。

綜上分析，根據(jù)橫河煤礦東8-1工作面的具體情況，可以按留設(shè)防砂安全煤巖柱進(jìn)行開(kāi)采，巷道可按留設(shè)防砂煤巖柱進(jìn)行掘進(jìn)，而即使按防水安全煤巖柱留設(shè)，巷道掘進(jìn)所需最小防水煤巖柱厚度為15.0m，仍小于工作面最小基巖厚度20m。因此，在全面落實(shí)安全技術(shù)措施的前提下進(jìn)行掘進(jìn)是安全可行的。

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)巷道掘進(jìn)圍巖破壞特征進(jìn)行了綜合分析，最終確定東8-1工作面巷道掘進(jìn)圍巖最大破壞高度約5.0m。

（2）東8-1工作面可以按留設(shè)防砂安全煤巖柱進(jìn)行開(kāi)采，巷道可按留設(shè)防砂煤巖柱進(jìn)行掘進(jìn)，而即使按防水安全煤巖柱留設(shè)，巷道掘進(jìn)所需最小防水煤巖柱厚度為15.0m，仍小于工作面最小基巖厚度20m。因此，在全面落實(shí)安全技術(shù)措施的前提下進(jìn)行掘進(jìn)是安全可行的。