采空區(qū)下巷道開(kāi)拓安全距離研究

孫志猛 于振亞 李孟達(dá)

（1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司紅會(huì)第一煤礦，甘肅 白銀 730900；2.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))濟(jì)寧岱莊煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116 ）

關(guān)健詞 采空；巷道；破壞區(qū)；模擬

當(dāng)對(duì)紅會(huì)一礦南翼井田1500 運(yùn)輸下山巷道開(kāi)展開(kāi)拓工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)巷道頂板距離采空區(qū)23.3 m，經(jīng)勘測(cè)上方采空區(qū)內(nèi)積水，如果不對(duì)1500 運(yùn)輸下山巷道開(kāi)拓安全距離進(jìn)行研究，可能會(huì)面臨頂板突水的危險(xiǎn)。

1 工程概況

紅會(huì)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(yuǎn)煤田的主要礦區(qū)之一。近年來(lái)隨著不同井田煤炭開(kāi)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(wù)年限從而達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的角度考慮，現(xiàn)將甘肅省靖遠(yuǎn)煤田魏家地礦擴(kuò)大區(qū)南部井田劃分給紅會(huì)一礦進(jìn)行開(kāi)采。

隨著煤炭開(kāi)采活動(dòng)、設(shè)備維修等工作的進(jìn)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(zāi)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(lái)勢(shì)兇，持續(xù)性較短。本文所研究的采空區(qū)下紅會(huì)一礦南翼井田1500 運(yùn)輸下山巷道的布置受頂板老空區(qū)積水影響，需重點(diǎn)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(huì)呈現(xiàn)出不同的結(jié)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(shí)間效應(yīng)，老空區(qū)圍巖的強(qiáng)度將會(huì)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(huì)通煤業(yè)公司所開(kāi)采。該條廢棄巷道長(zhǎng)度達(dá)到1200 m，巷道內(nèi)積水總量大約1.0 萬(wàn)m3。平面上廢棄積水巷道與1801-1 首采面相交，相交角度達(dá)到26°，垂直方向上與首采面高差達(dá)到183 m，水平方向上存在1220 運(yùn)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(zhǎng)征煤礦采掘空間位置關(guān)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(guān)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(huì)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(shí)巖體的承載極限理論計(jì)算公式，可推導(dǎo)出適用于本礦底板破壞最大深度計(jì)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(jì)算出工作面底板破壞最大深度為9.77 m。

2.2 巷道松動(dòng)范圍理論計(jì)算

未開(kāi)挖巷道時(shí)，所有巖層包括煤層都處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)力平衡。巷道開(kāi)挖后打破了平衡，由于巷道所處空間巖石消失，圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，邊界處應(yīng)力變化最大，由原巖應(yīng)力降至零。應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化，未開(kāi)挖前，所受應(yīng)力狀態(tài)為三向應(yīng)力，開(kāi)挖之后，變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，隨之帶來(lái)的是圍巖強(qiáng)度下降。若此時(shí)圍巖強(qiáng)度小于巷道開(kāi)挖后的集中應(yīng)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(yuǎn)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(yīng)力，MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，（°）；C為煤層黏聚力，MPa；P1為支護(hù)反力，MPa。

為方便計(jì)算，紅會(huì)一礦南翼1500 運(yùn)輸下山巷道斷面簡(jiǎn)化為圓形，半徑2.75 m，埋深305 m，不考慮支護(hù)反力，原巖應(yīng)力4.76 MPa，巷道圍巖C=3.5 MPa，φ=30°，代入式（3）計(jì)算得出巷道松動(dòng)圈范圍大小為2.67 m。

2.3 安全隔水層厚度理論計(jì)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(jì)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(qiáng)度，MPa；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。

開(kāi)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(shí)測(cè)Kp為0.2 MPa，假設(shè)水頭至地表，則水頭壓力為19.78 MPa，代入可計(jì)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(gè)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(shí)產(chǎn)生的，在本文中針對(duì)的是老空積水區(qū)；巷道圍巖破壞區(qū)是掘進(jìn)1500運(yùn)輸下山產(chǎn)生的；安全隔水層處于兩者之間。根據(jù)計(jì)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(guān)系剖面和工程地質(zhì)條件建立相應(yīng)的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，先讓模型實(shí)現(xiàn)老空區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，之后在老空區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)下開(kāi)挖1500 運(yùn)輸下山，進(jìn)一步與實(shí)際情況相吻合。根據(jù)塑性區(qū)和巷道位移情況，對(duì)巷道變形破壞情況進(jìn)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(gòu)關(guān)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(guò)程中將相互貫通的拉應(yīng)力破壞區(qū)視作導(dǎo)水裂隙帶，將塑性區(qū)發(fā)育最大高度視作導(dǎo)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(guò)1500 運(yùn)輸下山剖面

由圖2 可知，地方煤礦開(kāi)采過(guò)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(jìn)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(dá)到了峰值，底板破壞深度由采空區(qū)中部向煤壁兩側(cè)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。這是由于兩側(cè)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(yuǎn)，底板破壞深度越大。由于在1500 運(yùn)輸下山向下延伸處最靠近煤壁，因此1500 運(yùn)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(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)未波及到采空區(qū)底板破壞區(qū)域。經(jīng)過(guò)測(cè)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(jié)果明確顯示，運(yùn)輸下山這一巖巷開(kāi)挖過(guò)程中，運(yùn)輸下山巷道圍巖破壞范圍不會(huì)與老空區(qū)巷道圍巖破碎區(qū)相互影響，符合理論計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）分析巷道與采空區(qū)之間層位關(guān)系，從上至下可分為采場(chǎng)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(guān)系可作為老空水能否對(duì)巷道產(chǎn)生災(zāi)害的判別依據(jù)。

（2）對(duì)三區(qū)發(fā)育范圍進(jìn)行計(jì)算，并與巷道和采空區(qū)底板之間距離進(jìn)行比較，結(jié)果表明當(dāng)前巷道布置方式具有安全可行性。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬，分析了1500 運(yùn)輸下山圍巖破壞規(guī)律，其結(jié)果與理論計(jì)算相互驗(yàn)證。