厚松散層薄基巖下巷道掘進安全性分析

李 偉 張文泉 谷 斌

（1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.山東宏礦控股有限公司橫河煤礦，山東 鄒城 273500）

橫河井田位于山東省濟寧市境內，處于兗州煤田西部。橫河煤礦井田絕大部分區域煤系地層與第四系下組含水砂層直接接觸，屬于厚松散含水層下山西組煤系地層開采。根據橫河煤礦生產接續計劃，近期計劃開采井田東翼北采區3煤層淺部區域東8-1工作面。該區域的基巖最薄處20m左右，受第四系松散層突水涌砂災害的威脅程度大大增加。隋旺華等[1]利用工程地質系統研究方法建立了預測模型并成功應用于橫河煤礦厚松散含水層下放頂煤開采防水煤巖柱的留設。張文泉[2]等采用ANSYS有限元數值模擬方法分析了次生小斷層對采動裂隙帶高度發育的影響，認為工作面推進過程中存在斷層情況下，導水裂隙帶發育高度的增大會引發涌水突砂事故。因此，為了避免東8-1工作面淺部區域采掘巷道掘進與施工過程誘發水砂突涌災害，保證巷道施工掘進的安全性，有必要展開對“橫河煤礦東8-1工作面淺部區域巷道掘進安全性分析”的研究。

1 工作面概況

東8-1工作面為3煤一分層工作面，相對地面位于泗河東堤以東，北部為已開采的東10-4工作面。該區3煤厚平均8.86m，傾角8～15°，結構簡單。直接頂為泥巖，平均厚1.5m，水平層理，基本頂為粉砂巖，平均厚7.0m。由東8-1工作面附近基巖厚度等值線圖可以看出，工作面基巖最薄處20m左右，突水涌砂危險大大增加。

2 水文地質特征及安全煤巖柱留設可行性

該區域附近第四系下組的富水性弱，甚至微弱或極弱（科4、科5、科6水文鉆孔單位涌水量系數q均小于0.1），且厚度相對較小，加之部分區域底含或下組含水層粘土含量較多，從而進一步降低了自身的富水程度及滲透性。東8-1工作面頂板按基巖等值線厚度為20.0～46.0m，屬于中硬偏軟類型，其上部以泥巖為主，下部主要為泥質膠結的砂巖，泥質巖成分含量相對較高，滲透性相對較弱，該組合結構有利于抑制裂縫的發育，對其垂直方向的充水砂源具有一定的阻隔作用。基巖厚度頂板砂巖含水層富水性弱，不具備對工作面開采構成直接充水威脅的條件。

同時，考慮第四系下組水位逐年下降、底含存在疏干的可能，并結合相鄰工作面實際開采情況，綜合分析認為，水體采動等級為Ⅱ級，東8-1工作面的條件符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[3]的規定中留設防砂安全煤巖柱的要求，留設防砂安全煤巖柱是可行的。

3 巷道掘進圍巖破壞數值模擬分析

為了進一步分析橫河煤礦東8-1工作面巷道掘進圍巖破壞情況，采用UDEC4.0數值模擬軟件，建立相關的數值模型，對東8-1工作面淺部巷道掘進圍巖破壞進行數值模擬分析。本次模擬以橫河煤礦東8-1工作面為研究背景，根據工作面上覆地層的沉積特征，為了便于模型的建立，工作面煤層及頂底板巖層均按水平地層處理（傾角為0°）。根據工作面巷道實際掘進的工程地質及技術條件，本次模擬建立基巖厚度為20m，3煤層厚度為8.5m，模型3煤層底板巖層厚度為40m，其離散元幾何模型的示意圖如圖1所示。模型采用平面應變模型，模型的尺寸（長×高）為 250m×100.5m。

圖1 基巖厚度20m模型尺寸

模型的底部界和左、右邊界均采用零位移邊界條件，即：底部邊界條件為全約束邊界（u=0且v=0）；左、右邊界條件為單約束邊界（u=0，v≠0）；上邊界為自由邊界，無約束，上邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上。模型具體模型及塊體劃分情況如圖2所示。

圖2 模型塊體劃分情況

3.1 巷道掘進模擬過程

依據東8-1工作面巷道實際掘進的工程地質及技術條件，運用數值模擬軟件還原東8-1工作面順槽的掘進過程。即：在之前東10-1和東10-4工作面采掘平衡的基礎上，沿3煤層頂板先后掘進東8-1工作面運輸巷和軌道巷，其分別外錯于東10-1工作面軌道巷4m和65m，兩巷均為矩形斷面，運輸巷斷面尺寸（長×高）3.6m×2.5m，軌道巷斷面尺寸3.6m×2.3m，開挖完成后待模型計算平衡即可。

3.2 數值模擬結果分析

結合前人對東10-4工作面推進覆巖破壞模擬結果，完成東8-1軌道巷（斷面尺寸長×高=3.6m×2.3m）的掘進模擬，其模擬結果如圖3所示。東8-1軌道巷不受東10-4工作面采動影響，并且在東8-1工作面掘進完成后，其上方巖層應力較未開挖前有所降低。從東8-1軌道巷圍巖破壞近景圖（見圖3（c））可以看出，軌道巷開挖后僅直接頂巖層出現離層現象，由此可以推斷，此類條件下巷道掘進對頂板覆巖破壞較輕，破壞高度約為1.8m。在離采空區較近處于應力集中區煤柱內掘進皮帶巷時上覆巖層最大破壞高度約3.3m。

圖3 軌道巷掘進圍巖破壞模擬結果（基巖厚度20m）

4 圍巖破壞高度與安全煤巖柱的綜合確定

4.1 巷道掘進圍巖破壞高度的綜合確定

根據模擬結果可知，在基巖厚度為20m條件下，東8-1工作面皮帶巷掘進覆巖最大破壞高度為3.3m，東8-1工作面軌道巷覆巖最大破壞高度為1.8m。巷道掘進的覆巖導水裂隙帶高度即為巷道圍巖破壞范圍。按垮落拱平衡理論計算圍巖破壞范圍小于2m，這與模擬結果基本一致；同時，按一般傳統經驗和查閱相關資料所得結果，類似條件下，圍巖破壞范圍一般不超過巷道寬度，即＜3.6m，與模擬結果（3.3m）基本一致。

綜上分析，為安全起見，本次巷道掘進圍巖破壞高度選取較大值，即3.3m。同時在此基礎上，選取1.5倍的安全系數，即最終東8-1工作面巷道掘進圍巖最大破壞高度確定約為5.0m。

4.2 淺部巷道掘進安全煤巖柱尺寸的確定

據前述內容可知，區域頂板砂巖水已趨于疏干，第四系下組底含的富水性弱，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》可留設防砂煤巖柱。考慮到《煤礦防治水細則》[4]第九十三條規定“防隔水煤（巖）柱的尺寸不得小于20m”，本次東8-1工作面淺部巷道掘進按留設安全防水煤巖柱進行分析。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中相關規定，結合東8-1工作面的開采參數和地質采礦條件，3煤頂板以泥巖為主，受風氧化作用巖體強度降低，屬于中硬-軟弱類型，根據工作面附近井下探查情況可知，工作面上覆松散層底部賦存粘土層，為安全起見，保護層按中硬類型選取，其防水安全煤巖柱的保護層厚度應按式（1）計算：

式中：

∑M-采高，m；

n-分層層數。

將巷道掘進最大高度2.5m，代入相應參數，得到保護層厚度為：

Hb=2.5×4=10.0m

東8-1工作面巷道掘進條件下的防水安全煤巖柱的厚度（Hsh=HLi+Hb）則為15.0m。

綜上分析，根據橫河煤礦東8-1工作面的具體情況，可以按留設防砂安全煤巖柱進行開采，巷道可按留設防砂煤巖柱進行掘進，而即使按防水安全煤巖柱留設，巷道掘進所需最小防水煤巖柱厚度為15.0m，仍小于工作面最小基巖厚度20m。因此，在全面落實安全技術措施的前提下進行掘進是安全可行的。

5 結論

（1）運用數值模擬對巷道掘進圍巖破壞特征進行了綜合分析，最終確定東8-1工作面巷道掘進圍巖最大破壞高度約5.0m。

（2）東8-1工作面可以按留設防砂安全煤巖柱進行開采，巷道可按留設防砂煤巖柱進行掘進，而即使按防水安全煤巖柱留設，巷道掘進所需最小防水煤巖柱厚度為15.0m，仍小于工作面最小基巖厚度20m。因此，在全面落實安全技術措施的前提下進行掘進是安全可行的。