渗流场作用下采空区下方布置巷道数值模拟研究

李见波，尹尚先，王新梅

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 10083；2.华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

下组煤开采时需要在采空区下方布置巷道，目前采空区下方布置巷道越来越多。工程实践方面，文献[1]论述了回风巷道在采空区下的掘进技术与应用，文献[2-8]分别研究了采空区下松软煤层巷道围岩稳定性综合控制技术、近距离煤层采空区下掘进巷道支护形式、锚杆支护在采空区下巷道中的应用、采空区下巷道修复加固技术、采空区下煤巷锚杆支护方式研究以及桁架支护技术在近距离采空区下巷道的应用。文献[9-11]研究了近距离煤层采空区下掘进防治水技术、层间距对采空区下巷道稳定性影响分析及积水采空区下巷道探放水掘进安全施工技术。理论研究方面，靳德武等在煤矿重大突水灾害防治技术研究新进展中研究了建立了老空水等三类煤矿突水灾害的防治水体系基本框架[12]。唐德玉等[13]分析了巷道迟到突水的发生发展过程。蔡荣等[14]介绍了几种井下采矿过程中巷道突水的特殊形式。孙强等[15]以管道导通突水的地质模型和力学模型为基础建立了势能突变理论模型，给出了失稳的判据和确定临界位移的方法。李国富[16]分析了动水压力和岩体接触压力间的本构关系，提出了巷道掘进中围岩预注浆防突水控制方案对策。

本文为研究积水采空区下近距离布置巷道的问题，防止现场运输大巷在掘进过程中出现采空区积水渗漏或溃入，避免矿井的安全生产带来极大危害。采用基础实验、理论分析和数值模拟的方法，分析影响积水采空区下布置巷道因素，模拟研究巷道在常规支护和加强支护条件下的不同安全距离时围岩塑性场和底板渗流场耦合问题。

1 现场工程布置

八采区南运输大巷于15煤层底板岩层中掘进，部分区段位于采空区下方。八采区为矿井开拓延伸的末采区，由于小煤窑非法越界蚕食，形成“孤岛”采区，从现有生产系统延伸开拓巷道，要穿越小煤窑采空区。八采区南运输大巷于15煤层底板岩层中掘进，大部分区段位于15号煤层小窑采空区下方17～40 m底板中[17]。特别是当采空区充满积水时，如何安全进行巷道布置是该矿面临的难题。

2 理论定性分析

根据工程地质及巷道布置条件，利用软件绘制了充满积水时采空区下巷道布置模型，如图1所示。

图1 渗流作用下积水采空区下方巷道布置模型

模型从上到下分为四个部分：一是破坏充水区，该区由于底板明显破坏，与采空区水直接联系，无水力梯度变化；另外三个分别是底板渗透破坏区、安全隔水区和巷道围岩破坏区。底板渗透破坏区是由于采空区水的渗流作用使底板岩体发生一定的渗透破坏，属于渗透破坏区。可以看出，当巷道与上方采空区距离较近时，安全隔水区厚度较小，巷道围岩破坏区与渗透破坏区发生破坏联系导水可能性更大。因此，巷道布置安全的条件为保证采空区与巷道间有足够的安全距离。在两者垂直间距一定的条件下，可以通过加强支护来缩小巷道围岩破坏区，从而间接增加安全隔水区厚度。

3 数值模拟分析

3.1 模型概述与方案

以现场工程实际为依据，建立数值计算模型，如图2所示。根据地质资料，开采煤层厚度7 m，运输大巷位于煤层底板下一定距离。设埋深200 m，水压2 MPa。网格按岩层分区划分，并且为不均匀划分，三维结构模型单元143640个，节点156432个。采用应力边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面x和y方向固定。采用程序内嵌的结构单元模拟各种支护构件。

考虑渗流作用影响，模拟研究充水采空区下巷道布置突水危险情况，研究分析不同安全厚度对巷道顶板突水机理的影响，共建立两组模型。本次模拟选择最小间距17m和正常间距30m两种情况进行模拟。首先模拟煤层开采后渗流作用对底板破坏的影响情况，然后模拟巷道开挖后，分别采用锚杆支护和加强支护时巷道周边破坏情况，以及巷道开挖时，围岩破坏区与上方采空区渗流场的联系情况。

图2 巷道距煤层底板不同距离数值模型图

选择两种支护方式进行模拟，分别是锚杆支护方式和“全封闭拱形支架+壁后充填”加强支护方式。

(1) 锚杆支护参数

锚杆φ20 mm，L=2000的螺纹钢树脂锚杆，间距=800×800 mm；锚索φ17.80 mm，L=6200 mm，锚索间距=1600×1600 mm。

(2) “全封闭拱形支架+壁后充填”加强支护参数

巷道永久支护采用29U-13.36 m2金属拱形支架挂苇帘壁后充填，净高3200 mm，净宽5000 mm，棚距600 mm，卡缆螺栓扭矩不小于150 N·m，混凝土标号C20，见三喷二，喷充厚度≤200 mm。底脚加固锚杆滞后迎头首架棚子不超过4架。底梁安装滞后迎头距离不超过20 m，如图3所示。

图3 全封闭拱形支架+壁后充填

根据选择的支护方式，建立巷道支护的数值模型，如图4所示。

图4 巷道支护方式

计算所需要的煤层顶底板岩石力学参数如表1所示。

表1 煤层顶底板岩石力学参数

3.2 初始渗流场分析

煤层开采以后，形成采空区，同时底板和顶板围岩发生破坏。采空区内积水充满了采空区，同时也充满了底板破坏区。本次模拟假设地表水导通溃入采空区，水压2 MPa。经过计算得到积水采空区的初始渗流场如图5所示。

图5 煤层开挖后初始渗流场

从图中可以看出渗流场的范围要大于煤层开采后的初始底板破坏区，渗流场将底板破坏区覆盖。由于积水的渗透作用，采空区积水向下方完整岩层发生渗流，形成有压力梯度的渗流场。

3.3 渗流场与塑性破坏场分析

(1) 不同间距巷道开挖分析

在初始渗流场条件下，进行巷道开挖，巷道采用普通锚杆支护。模拟了两种条件下的巷道开挖，包括巷道与积水采空区间距17 m和30 m两种情况。巷道开挖后底板渗流场与巷道周边围岩塑性破坏场的联系情况如图6所示。

图6 巷道开挖后底板渗流场与巷道周边围岩塑性破坏场分布

分析两场变化分布可以看出，巷道开挖后，周边发生破坏，形成塑性破坏区。17 m时，巷道围岩形成塑性破坏区范围比30 m条件时大。由于间距较小，巷道采动应力场扰动影响到底板渗流场区域变大，塑性破坏区与底板渗流场发生联系，形成突水通道。30 m时，由于间距相对较大，巷道开挖没有直接影响到底板渗流场，渗流区域基本没有变化。但是按照《煤矿防治水规定》中安全隔水层厚度的要求，由于考虑渗流作用时，安全距离变小，为安全考虑亦须采用加强支护。

(2) 不同支护方式巷道开挖分析

在初始渗流场条件下，选择较小间距17 m时进行巷道开挖，巷道分别采用锚杆支护和加强支护，分别模拟了这两种支护条件下的巷道开挖。巷道开挖后底板渗流场与巷道周边围岩塑性破坏场的联系情况如图7所示。

分析巷道开挖前后底板渗流场与巷道周边围岩塑性破坏场变化可以看出，巷道开挖后，周边发生破坏，形成塑性破坏区。支护方式影响了塑性破坏区大小。采用“全封闭拱形支架+壁后充填”加强支护时，与锚杆支护相比巷道周边围岩塑性破坏区范围明显减小。加强支护可以避免底板渗流场与塑性破坏场的直接联系，围岩稳定时可以形成一定距离的安全隔水距离。

3.3 监测点位移分析

在模型中布置监测点，测点A布置如图2所示。数值模拟发现，间距与位移变化关系密切，模拟中记录的位移变化情况去表2所示。

表2 大巷开挖前后垂向位移变化

巷道开挖后，测点A产生垂向位移，进行加强支护后，位移有所变化。间距30 m时，巷道采用锚杆支护，水压作用下，测点A垂向最大位移为3.738 cm；加强支护时，底板垂向最大位移为3.507 cm，位移量改变6.1%。间距17 m时，巷道采用锚杆支护，水压作用下，测点A垂向最大位移为3.922 cm；加强支护时，底板垂向最大位移为3.403 cm，位移量改变18.3%。根据垂向位移变化表中数据分析，锚杆支护条件下，间距越小，位移越大。对巷道进行加强支护后进行计算，17 m间距时位移改变量比30 m时大，控制效果显著。支护强度增大时，采空区底板垂向位移减小，加强支护使得巷道周边的应力状态发生改变，围压逐渐增加，由单向、两向应力状态向三向应力状态转化，围岩强度得到强化，拉应力区域减小，承载区范围随之加大，承载能力得到有效的提高。加强支护更能有效地保持围岩的稳定。

4 结论

(1) 研究了渗流作用影响下积水采空区下布置巷道的四个因素：破坏充水区、底板渗透破坏区、安全隔水区和巷道围岩破坏区。明确了各因素间关系，确定防止巷道发生顶板透水需要满足采空区与巷道间要有足够的安全距离。

(2) 数值模拟分析了积水作用下底板渗流场分布，模拟分析巷道开挖时，塑性破坏场与渗流场的耦合情况。30 m时，巷道围岩破坏区域底板渗透区距离较远，在隔水层完整稳定条件下没有发生水力联系。17 m时，常规锚杆支护条件下，巷道周边塑性破坏区与底板渗流场能够发生联系，容易形成突水，属于比较危险情况。模拟结果显示：采用“全封闭拱形支架+壁后充填”的支护方式相对增加了安全隔水距离，有效减小巷道围岩破坏区和对底板渗流场的扰动。

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