下伏煤层空巷对上覆煤层开采的影响

魏文胜，李春元，司艳龙，杜华溢，毛新华，4

（1.中国矿业大学（北京）共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；3.中国华能集团有限公司，北京 100038；4.山西陆合集团有限公司，山西 洪洞 041600）

华北煤田资源整合型矿井众多，早期小煤窑开采遗留下的过空巷问题长期以来制约着矿井安全高效生产，造成巨大经济损失和人员伤亡[1-2]。又华北煤田奥灰水水害严重，近距离煤层群较多，而近距离煤层群开采时工作面矿压显现强烈，煤层间影响突出，往往造成开采煤层顶底板破坏区与邻近煤层采空区、空巷贯通，并导致冒顶、瓦斯突出、冒水、突水等重大灾害频发[3-5]，因此对华北煤田近距离煤层群上覆工作面过下伏空巷过程中底板应力和塑性区破坏演化规律研究十分必要。结合基安达矿1002工作面地质条件和底板突水情况，分析了下伏空巷顶板破坏范围及上覆煤层底板破坏深度，数值模拟了含下伏空巷煤层开采底板与空巷破坏贯通演化过程，为矿井安全生产提供了依据。

1 含下伏空巷煤层开采状况

1.1 工程地质

基安达煤矿为资源整合矿井，平均埋深0～200m，井田总体为一走向北东倾向南东的单斜构造，倾角3°～13°，未见断层、陷落柱及岩浆岩侵入。主采3、10、11 号煤层，间距分别 50.40～77.10 m、5.32～9.83 m，平均间距 60.76、7.36 m，3、11号煤层已开采完毕，现采10号煤1002综采工作面，走向长750 m，倾向长120 m，顶板采用全部垮落法，两巷尺寸均为2.4 m×3.0 m。11号煤层早期小煤矿开采遗留有众多轴向与1002工作面推进方向垂直、斜交的积水空巷，由于近距离煤层群开采底板破坏严重，因此10号煤层过下伏11号煤层空巷开采时有突水危险。

1.2 上覆煤层开采底板破坏及突水过程

2012年8月1日1002工作面发生突水事故，1002工作面突水示意图如图1。事故后回风巷270 m以里，巷道底部覆盖约1 m厚的煤渣，堆积有大量长1.6～2.25 m、直径10～15 cm的坑木、白塑料管等下伏煤层开采的遗留物（图1（a））；机尾超前支护单体柱上挂有从老窑采空区冲出的彩条布，布的两端指向回风巷开口方向；工作面多架液压支架的控制手柄被水冲击而弯曲变形，手柄弯曲方向指向运输巷一侧（机头方向），通过联络巷涌入相邻的10062掘进巷；在1002工作面机尾后部、距工作面煤壁约7.5 m的采空区底板有一上端口直径约6 m、下端口直径不小于2.5 m、深超过3 m的漏斗形坑（图1（b））。判定突水点在1002综采工作面机尾后部、距工作面煤壁约7.5 m的底板处，突水通道是底板的漏斗形坑，突水水源是下伏11号煤层的老空巷积水。

图1 1002工作面突水示意图

2 下伏空巷对上覆煤层开采的影响

2.1 下伏空巷顶板稳定性及破坏高度

为分析下伏11号煤层空巷顶板稳定性及破坏高度，简化巷道为圆形巷道，在圆形巷道中，巷道塑性区半径R公式为[6-8]：

式中：C为岩体黏聚力，MPa；φ为岩体内摩擦角，（°）；ρ为覆岩密度，t/m3；Hm为埋深，m；r1为巷道半径，m。参考地质资料及实验室数据：C=0.8 MPa，φ=30°，ρ=2.4 t/m3，H=180 m，r1=1.2 m，代入到式（1）计算得R=1.7 m，巷道高度3 m，所以顶板塑性区破坏范围0.2 m，即巷道顶板高0.2 m范围内为裂隙破碎岩体。

2.2 上覆煤层开采底板破坏深度

回采过程中在底板中形成的高应力区会造成底板破坏，由滑移线理论可得不同煤层间距下支承压力形成的底板破坏深度图（图2）及底板最大破坏深度Dmax[9-11]计算公式：

式中：φ为内摩擦角，（°）；L为煤体极限平衡区宽度，m。

由图2可以看出，随着煤层间距减小，上覆工作面开始受下伏空巷影响，且影响范围越来越大，影响时间越来越长；当 H＞D+R 时（图 2（a）），上覆煤层工作面过下伏空巷过程中，空巷和上覆煤层底板破坏区范围始终不会贯通，空巷对上覆煤层开采影响较小或无影响；当 D＜H≤D+R 时（图 2（b）），过下伏空巷过程中上覆煤层底板破坏区仅与巷道顶板围岩重叠、贯通，未重叠到巷道两帮，受下伏空巷影响时间较短；当 D-m2＜H＜D 时（图 2（c）），下伏空巷基本顶部分损伤，上覆煤层底板破坏区范围重叠贯通到巷道顶板和两帮，受下伏空巷影响时间程度较大、时间较长；当 H＜D-m2时（图 2（d）），下伏空巷基本顶完全损伤，上覆煤层底板破坏区范围贯通到巷道顶板、两帮及底板，受下伏空巷影响程度最大、时间最长。

根据矿方资料10号煤层开采煤体实际平衡区宽度4.5 m，内摩擦角分别22°，代入式（2）计算得10号煤层开采后底板破坏深度5.54 m。1002工作面与下伏11号煤层间距约5.4 m，此时符合理论模型图2（c）。由于侧向采动影响范围内隔水层阻水抗压能力会降低，加之空巷周围岩体长期受积水侵蚀，所以1002工作面采动引发的底板破坏会贯通下伏老空巷道，引发突水事故，即下伏空巷对上覆煤层开采有极大突水威胁。

图2 不同煤层间距下支承压力形成的底板破坏深度

3 含下伏空巷煤层开采的数值分析

建立基安达矿1002工作面FLAC3D数值计算模型，模型简化为12层，模型尺寸320 m×240 m×160 m；上表面施加等效载荷，四周约束法向位移，底面固定，数值计算模型如图3。模型边界条件如图4。结合现场情况模型先开挖11号煤层的空巷，空巷轴向与1002工作面推进方向垂直，现场工作面推进750 m，考虑模型尺寸1002工作面只开挖100 m，避开工作面来压的影响。开挖岩石材料模型采用摩尔库伦本构模型，开挖之后10号煤层与11号煤层间岩层的岩石本构更改为应变软化模型，材料岩石力学参数均由实验室岩石力学试验测得，各岩层力学参数见表1。1002工作面推进过程中底板应力场及塑性区演化规律如图5、图6。

3.1 含下伏空巷煤层开采底板应力演化

图3 FLAC3D数值计算模型

由图5可知，工作面在距下伏空巷4 m到过空巷8 m过程中，工作面回采形成的压应力集中区贯穿前移通过空巷，集中分布在空巷对角，在距空巷0 m时总范围达到最大并贯穿整个空巷；空巷工作面侧上偶角应力集中范围先增大后减小，距空巷0 m时达到最大，之后逐渐减小，煤体侧下偶角应力集中范围亦先增大后减小，距空巷0 m时开始应力集中，过空巷4 m时达到最大之后逐渐减小；应力集中峰值亦先增大后减小，在距空巷4 m到过空巷8 m 过程中，依次为 4.87、4.93、4.99、4.05 MPa；该过程下伏空巷与上覆工作面破坏间破坏影响逐渐增加，导致应力集中区范围和峰值逐渐增大、前移，空巷依次处于依次被动应力区、过渡区和主动应力区；在过空巷时底板变形破坏，围岩应力开始释放导致集中区减小，但破坏程度较小应力仍增大，过空巷8 m时，空巷围岩发生大面积破坏，应力大量释放趋于稳定，卸压完毕，此时极易发生突水事故。

图4 模型边界条件

表1 各岩层力学参数

图5 1002工作面底板应力演化规律

3.2 含下伏空巷煤层开采底板塑性区演化

图6 1002工作面底板塑性区演化过程

由图6可知，工作面距下伏空巷4 m时，空巷煤体侧塑性区高度2 m，工作面侧塑性区高度达到3 m，扩大了1.5倍，但并未贯通上覆工作面，空巷左帮与覆煤层开采相互影响；距空巷0 m时下伏空巷左帮贯通上覆工作面破坏区，贯通宽度2 m，俩帮塑性区破坏高度均达到3 m及以上，此时俩帮均受到上覆煤层采动影响，工作面底板开始变形破坏，释放应力；随工作面推进，贯通范围越来越大，过空巷4 m时，下伏空巷顶板贯通上覆工作面底板破坏区，贯通宽度4 m；过空巷8 m时贯通宽度达到8 m，空巷左右帮及顶板贯通上覆工作面底板，空巷对上覆煤层开采有明显影响，此时极易发生突水。

4 结论

1）观测并分析1002工作面底板突水过程可知突水地点在工作面机尾后部、距工作面煤壁约7.5 m的底板处，突水通道是漏斗形坑，突水水源是下伏11号煤层空巷积水。

2）下伏空巷顶板0.2 m范围内岩体为破碎岩体；10号煤层开采后底板破坏深度5.54 m大于煤层间距5.4 m，1002工作面采动引发的底板破坏会贯通下伏空道，下伏空巷对上覆煤层开采有突水威胁。

3）数值模拟表明，随工作面推进空巷围岩产生移动应力集中区，集中区总范围、工作面侧上偶角及煤体侧下偶角应力集中范围、应力峰值均呈现先增大后减小趋势，分别在距空巷0 m、距空巷0 m、过空巷4 m、过空巷4 m达到最大值，应力集中峰值达到4.99 MPa，过空巷8 m时，空巷围岩大面积破坏，应力大量释放趋于稳定；空巷围岩塑性区范围随工作面推进不断增大贯通工作面，距空巷0 m时下伏空巷左帮贯通上覆工作面塑性区，宽度达到2 m，距空巷4 m时空巷右帮贯通上覆工作面底板塑性区，随工作面推进贯通宽度不断增加在空巷后方8 m时达到8 m，空巷左右帮及顶板均贯通底板塑性区。下伏空巷对上覆煤层开采有极大影响。