采空区下巷道开拓安全距离研究

孙志猛 于振亚 李孟达

（1.甘肃靖远煤电股份有限公司红会第一煤矿，甘肃 白银 730900；2.枣庄矿业(集团)济宁岱庄煤业有限公司，山东 枣庄 277000；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116 ）

关健词 采空；巷道；破坏区；模拟

当对红会一矿南翼井田1500 运输下山巷道开展开拓工作时，发现巷道顶板距离采空区23.3 m，经勘测上方采空区内积水，如果不对1500 运输下山巷道开拓安全距离进行研究，可能会面临顶板突水的危险。

1 工程概况

红会矿区位于甘肃省白银市，矿区煤炭资源颇丰，煤炭年产量较高，为靖远煤田的主要矿区之一。近年来随着不同井田煤炭开采工作的相互影响，资源利用率不断降低。出于提高资源利用率、降低成本、提高矿井服务年限从而达到规模化生产、标准化生产的角度考虑，现将甘肃省靖远煤田魏家地矿扩大区南部井田划分给红会一矿进行开采。

随着煤炭开采活动、设备维修等工作的进行，采空区内积水逐渐增多，采空区积水引发的水灾事故频发，采空区积水变成了矿井水害的主要诱因。采空区积水一般水量大，来势凶，持续性较短。本文所研究的采空区下红会一矿南翼井田1500 运输下山巷道的布置受顶板老空区积水影响，需重点考虑煤柱破坏和底板破坏。由于岩性不同，不同的围岩与老空区积水会呈现出不同的结果，即使是相同的围岩，由于围岩所处的温度、压力的不同，再加上时间效应，老空区围岩的强度将会产生差别。

地质勘探已经查明，南翼井田煤层顶板上方存在一条废弃巷道，为原白银会通煤业公司所开采。该条废弃巷道长度达到1200 m，巷道内积水总量大约1.0 万m3。平面上废弃积水巷道与1801-1 首采面相交，相交角度达到26°，垂直方向上与首采面高差达到183 m，水平方向上存在1220 运输联巷，两巷道距离约30 m。巷道布置如图1。

图1 南翼井田与长征煤矿采掘空间位置关系剖面图

2 采空区下巷道布置分析

根据采空区与巷道之间层位关系，从上至下可划分为工作面底板破坏区、安全隔水层、巷道围岩破坏区。要确保巷道不会发生水害，就必须确保巷道与采空区之间的距离大于工作面底板破坏区、安全隔水层、巷道围岩破坏区这三者距离之和。

2.1 工作面底板破坏距离分析

根据魏西克提出的岩体塑性滑移时岩体的承载极限理论计算公式，可推导出适用于本矿底板破坏最大深度计算公式[1]：

式中：m为煤层厚度，m；φ为所采煤层内摩擦角，（°）；Cm为所采煤层黏聚力，MPa；H为平均埋深，m；γ为岩层平均重度，kN/m3；k为峰值系数。

根据地质条件，煤层厚度15.38 m，埋深282 m，煤层内摩擦角35°，黏聚力1 MPa，k取4，可计算出工作面底板破坏最大深度为9.77 m。

2.2 巷道松动范围理论计算

未开挖巷道时，所有岩层包括煤层都处于原岩应力状态，此时应力平衡。巷道开挖后打破了平衡，由于巷道所处空间岩石消失，围岩应力发生改变，边界处应力变化最大，由原岩应力降至零。应力状态也发生了变化，未开挖前，所受应力状态为三向应力，开挖之后，变为双向应力状态，随之带来的是围岩强度下降。若此时围岩强度小于巷道开挖后的集中应力值，巷道周边围岩将出现程度不一的破坏，越靠近巷道，围岩破坏程度也越大，破碎带产生并向远离巷道方向上发展[2-5]。

岩石塑性区半径公式为[6]：

式中：r0为巷道半径，m；P0为原岩应力，MPa；φ为煤层内摩擦角，（°）；C为煤层黏聚力，MPa；P1为支护反力，MPa。

为方便计算，红会一矿南翼1500 运输下山巷道断面简化为圆形，半径2.75 m，埋深305 m，不考虑支护反力，原岩应力4.76 MPa，巷道围岩C=3.5 MPa，φ=30°，代入式（3）计算得出巷道松动圈范围大小为2.67 m。

2.3 安全隔水层厚度理论计算

根据煤矿防治水规定[7]，安全隔水层厚度可由下式计算获得：

式中：L为巷道宽度，m；γ为岩层平均容重，MN/m3；Kp为岩层平均抗拉强度，MPa；P为底板隔水层承受的水头压力，MPa。

开拓巷道宽度5.5 m，岩层平均容重取2.5 MN/m3，根据矿井实测Kp为0.2 MPa，假设水头至地表，则水头压力为19.78 MPa，代入可计算得安全隔水层厚度为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坏区、安全隔水层、巷道围岩破坏区三个被考虑因素的距离之和与巷道和采空区之间距离的比值大小。工作面底板破坏区是工作面回采工作时产生的，在本文中针对的是老空积水区；巷道围岩破坏区是掘进1500运输下山产生的；安全隔水层处于两者之间。根据计算，工作面底板破坏区、安全隔水层、巷道围岩破坏区的厚度分别为9.77 m、7.59 m、2.67 m，三区之和为20.03 m＜23.3 m，三者之和小于巷道与采空区之间的距离。因此，巷道布置在采空区底板下方23.3 m 处具有安全可行性。

3 数值模拟分析

根据南翼井田与地方煤矿采掘位置关系剖面和工程地质条件建立相应的FLAC3D数值计算模型，先让模型实现老空区的应力状态，之后在老空区的应力状态下开挖1500 运输下山，进一步与实际情况相吻合。根据塑性区和巷道位移情况，对巷道变形破坏情况进一步了解与掌握。数值模拟所有岩体模型采用的是mohr-coulomb 本构关系，网格划分均匀，模型上部边界自由，其他部分边界固定。模拟分析过程中将相互贯通的拉应力破坏区视作导水裂隙带，将塑性区发育最大高度视作导水裂隙带最大高度[8-9]。巷道塑性区切片云图如图2。

图2 过1500 运输下山剖面

由图2 可知，地方煤矿开采过后，出现塑性区，发生拉伸破坏和压缩破坏，底板出现破坏，最终表现为地表沉陷。从图中进一步分析发现底板破坏范围主要集中于采空区中部，在采空区中部底板破坏深度达到了峰值，底板破坏深度由采空区中部向煤壁两侧呈现出逐渐减小的趋势。这是由于两侧煤壁的支撑作用造成的，越靠近煤壁，底板区破坏深度越小，与煤壁距离越远，底板破坏深度越大。由于在1500 运输下山向下延伸处最靠近煤壁，因此1500 运输下山向下延伸处距采空区破坏范围距离最小，将此处切片可以更清楚地分析巷道围岩影响区的范围，将其向下延伸部位切片显示如图3。

图3 垂直1500 运输下山剖面

由图3 可知，塑性区发展方向主要沿顶角和底角呈x 状发育，且顶板塑性区发育范围较大，底板塑性区发育范围较小，前者大于后者。巷道塑性区发育最大高度仅为巷道高度，约3.5 m，巷道顶板塑性区远远未波及到采空区底板破坏区域。经过测量，在采空区底板破坏区域与巷道顶板破坏区域之间存在8.9 m 的隔水层。模拟结果明确显示，运输下山这一岩巷开挖过程中，运输下山巷道围岩破坏范围不会与老空区巷道围岩破碎区相互影响，符合理论计算。

4 结语

（1）分析巷道与采空区之间层位关系，从上至下可分为采场底板破坏区、安全隔水层、巷道围岩破坏区，三区范围之和与巷道距采空区距离的大小关系可作为老空水能否对巷道产生灾害的判别依据。

（2）对三区发育范围进行计算，并与巷道和采空区底板之间距离进行比较，结果表明当前巷道布置方式具有安全可行性。

（3）通过数值模拟，分析了1500 运输下山围岩破坏规律，其结果与理论计算相互验证。