石港煤业15106工作面运输顺槽底板突水危险性评价与分析

韩 伟

（山西阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

山西省左权县石港煤业15106工作面位于960水平一采区，工作面开采15#煤层，煤层底板标高为775m，平均厚度为7.03m，平均倾角为9°，煤层顶板岩性主要为泥岩和石灰岩直接底岩层为黑色泥岩，均厚2.0m，基本底岩层为灰色铝土泥岩，均厚14.74m。15106工作面运输顺槽沿15#煤层底板掘进，断面为矩形，掘进宽度×高度=5.2m×3.7m，根据矿井地质钻孔资料可知，巷道底板奥灰水位标高约为800m左右，即巷道距奥灰水的高度为25m，底板隔水层主要为铝土泥岩，其所承受的水压值约为1.42MPa，现进行巷道掘进时底板突水危险性的评价分析。

2 承压水对底板的破坏模式

2.1 矩形巷道底板破坏深度

当矩形巷道在三轴应力作用条件下发生的破坏服从Mohr-Coulomb破坏准则，即为：

式中：σ1为最大主应力，kN；σ3为最小主应力，kN；K为岩体内摩擦角；°；Rc为完整岩体单轴抗压强度，kN。现将公式(1)定义为为安全系数，其中k=1+sinφ0/1-sinφ0，

当底板岩体n＞1时表示底板安全状态，当n=1时表示底板临界状态，当n＜1时表示底板岩体已经发生破坏故此时属于危险状态。

根据“三区”理论[14]，可将底板分为塑性滑动区、裂隙扩展区和围岩稳定区如图1所示，当侧压系数较小时，巷道底板以受拉为主，由于岩体的抗拉强度较小，而底板表面所受到拉力会超过表面岩层所能承受的极限抗拉强度，便会致使底板表面出现大面积的拉裂破坏，巷道两帮和顶底板深部主要发生剪切破坏，并且剪切破坏可运用摩尔一库仑准则评价，当安全系数n＜1时该区域会发生剪切破坏；当深度增大到一定值时，围岩会趋于稳定用安全系数表达即为安全系数大于1，该区域称为围岩稳定区；剪坏边界和围岩稳定区边界之间，巷道围岩中小裂隙会逐渐扩展，该区域界定为裂隙扩展区域。

图1 煤层巷道围岩“三区”示意图

由岩石弹塑性理论可以确定三区的界限及状态，同时可以确定出裂隙的扩展方向，对于矩形巷道，煤层巷道底板的破坏深度要大于两帮。

由于矩形巷道的破坏深度难以确定，可利用矩形的外切圆来近似代替矩形巷道确定底板的破坏深度（如图2所示），由于外切圆的开挖尺寸是大于其对应的矩形巷道的，故用圆形巷道的方法计算得出的破坏深度时大于对应的矩形巷道的，所以计算结果是偏于安全的。

图2 矩形巷道的简化模型

式中：r0为圆形巷道半径，m；c为岩石的粘聚力；p0为围岩应力，MPa;φ为岩石的内摩擦角；a、b分别为矩形的长边与短边。结合15106工作面运输顺槽的地质条件计算得出巷道围岩塑性区圈的范围R0=2.7m。

2.2 底板隔水层的破坏模式

根据底板隔水层的特征，可将隔水层简化为两端固支的梁，均布荷载作用下的固支梁，最大弯矩及剪力都在两端。在梁的两端处由于受到的拉应力超过极限抗拉强度而导致破坏，固支梁的破坏形式为弯拉破坏。从材料力学的角度出发，岩梁弯拉破坏，脆性断裂是合理的。但结合巷道实际工况，不受采动影响，在巷道掘进后，两帮会出现应力升高区（应力峰值为kγh），底板为应力降低区。隔水层厚度为t，水压为p，隔水岩层在两帮应力计底板承压水的作用下出现剪切破坏，如图3所示。根据众多试验分析与工程实践结果表明[3]，底板隔水岩层在承压水的围岩应力的共同作用下，其破坏过程主要为：完整→小裂隙形成→裂隙扩展→底板破碎，且在隔水岩层破坏时，岩层会首先在巷道底角处出现裂缝。

图3 底板隔水层剪切破坏

3 底板突水危险性评价

3.1 岩柱法评价模型

在研究承压水突水底板破坏模式的基础上，考虑孔隙水压的力学作用，建立岩柱法力学模型，具体如图4所示。

图4 岩柱法巷道力学模型示意图

图中作用于底板隔水层下部的承压水水压为p，底板隔水岩层有效厚度为t，矩形巷道宽度为L，单元体的在垂直方向上受到的应力为σ1，水平方向受到的应力为σ3，通过力学推导能够得出底板隔水层所能承受的水压p表达式为：

式中：t为底板隔水岩层的厚度，m；γ为底板隔水岩层的平均容重，MN/m3；u为孔隙水压力，MPa；φ为底板隔水岩层的内摩擦角，°；α为孔隙水压力系数；其余符号含义同图中符号含义。

3.2 评价模型适用性分析

规范推荐的岩梁法认为底板能承受的最大水压与隔水岩层的厚度，平均容重，底板岩层的抗拉强度直接相关，公式为：

式中：t为安全隔水厚度,m；L为巷道底板宽度,m；γ为底板隔水层的平均容重,MN/m3；

Kp为底板隔水层的平均抗张强度,MPa；H为底板隔水层承受的水头压力,MPa。

根据众多采掘工程实践可知，回采巷道的掘进宽度一般在3～5m，现固定巷道的宽度，基于煤系地层常见岩石饱水后的抗拉强度和抗剪强度参数[5-6]，分别绘出岩梁法、岩柱法计算的隔水层厚度与最大水压的关系曲线，如图5所示。图5中实线表示岩柱法在三组不同抗剪强度参数下的结果；虚线表示岩梁法在三组不同抗拉强度下的结果。同时也绘出表4中的底板突水事故中实测的隔水层厚度和最大水压。

表4 巷道底板突水事故

图5 最大水压与隔水层厚度

从图5可以看出，岩梁法的最大水压和隔水层厚度呈二次函数关系，岩柱法的最大水压和隔水层厚度呈指数函数关系；在巷道宽度确定的情况下，基于煤系地层常见岩石饱水后力学参数，岩柱法计算结果能更好的吻合现场实测数据。

3.3 评价分析

根据15106工作面运输顺槽的具体地质条件，结合上述分析可知巷道开挖后，围岩塑性圈的发育深度约为2.7，故取底板隔水层铝土泥岩的有效厚度t=14m，基于巷道特征取巷道宽度L=5.2m，取隔水 层 内 摩 擦 角 φ=33° ，c=1.94， 容 重 γ=0.024MN/m3，孔隙水压力系数 α=0.8，结合式（4）能够计算得出 A=0.26，B=2.94，进一步代入式（4）中能够计算得出底板隔水层所能承受最大水压为：

基于上述计算能够得出15106工作面运输顺槽底板铝土泥岩隔水层所能承受的最大水压为3.26MPa，实际承受水压大于底板隔水层承受的水压值，故巷道掘进期间无危险性，但应加强探放水工作，防止底板岩层在地质构造处与奥灰水贯通。

4 结论

根据15106工作面的地质条件，通过具体分析承压水对底板的破坏模式，具体分析了巷道掘进后底板塑性圈发育深度及底板隔水层的破坏模式，根据底板突水岩柱法力学模型，能够计算得出底板铝土泥岩所能承受的最大水压为3.26MPa，而其所承受的水压值约为1.42MPa，故判断巷道掘进期间无突水危险性。