巖巷下方交錯煤巖巷道掘進迎頭涌水機制研究

姜永豐，趙寶友

(1.本溪鋼鐵(集團)有限責任公司 歪頭山鐵礦，遼寧 本溪 117006;2.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

礦山巷道及硐室的掘進、支護施工期及運行服役期，地下水的存在對施工安全和工程長期穩定將產生重要影響:一方面地下水可能引起淋水、涌水，甚至是突水等事故的發生;另一方面由于地下水對圍巖的溶解、溶蝕、沖刷、軟化，或產生靜水壓力，或引起膨脹壓力，可導致圍巖物理力學性能的嚴重弱化，改變了巖體的物理力學性質，破壞了巖體的完整性，引起圍巖的變形破壞，影響支護方案的設計和支護結構的穩定，甚至使圍巖發生失穩坍塌。

據統計，60% 的礦井事故與地下水作用有關［1］。如:1988年發生在淮北楊莊煤礦Ⅱ617 綜采工作面的特大突水災害，瞬時水量高達3153t/h，造成二水平被淹［2］;東灘礦3 煤頂板的突水事故［3］;2007年3 月10 日撫順老虎臺煤礦回采工作面上隅角發生突發透水事故，工作面被迫停產［4］;2010年3 月28 日山西王家嶺煤礦發生的透水事故［5］。

目前，有關煤礦突水或涌水機制的研究主要是基于現場量測或實驗方法［2－4，6－7］和理論分析方法［1，8－9］。如:羅立平和彭蘇萍［2］通過對突水地段地質與水文地質情況、突水水源與導水通道、底板防隔水性能、不同應力場相互作用的研究，認為淮北楊莊礦Ⅱ617 綜采工作面特大底板突水災害的發生是其巖性場、應力場與滲流場耦合作用的結果。許家林等［6］采用現場測試和模擬實驗方法，對松散承壓含水層下采煤頂板突水機理、突水危險區域預測與突水災害防治對策等進行了研究，得到了祁東煤礦工作面突水災害和覆巖破斷的關系。鄭紅等［1］針對紅透山深部斷層下巷道圍巖破壞誘發的涌水現象，以該礦水文地質條件為基礎，建立了巖體水力學模型，應用RFPA 數值計算軟件，模擬研究了深部斷層下巷道圍巖破壞過程，揭示了巷道應力重新分布誘發損傷及滲流涌水規律。武強等［9］基于流－固耦合理論，提出彈塑性應變－滲流耦合、流變－滲流耦合及變參數流變－滲流耦合3 種突水模擬的評價模型，應用FLAC3D軟件，對上述3 種評價模型進行數值模擬，研究了礦井斷裂構造帶滯后突水的原因。

由于煤層沉積地質環境的復雜性及井下采掘系統功能性的需求，使得井下巷道數量眾多，相互之間關系錯綜復雜，巷道之間有的直接相交連通，有的則空間交錯，尤其是近水平多煤層開采情況，為開采下水平煤層，常利用上水平巷道組成采掘巷道系統，也就很難避免遇到空間交錯巷道。由于巷道交錯位置的煤巖柱厚度往往較薄，使得交錯巷道圍巖的穩定性是影響整個采掘系統設計的關鍵因素之一。若煤層地下水豐富，即便沒有斷層、大型聯通裂隙面、節理面或軟弱夾層等軟弱巖體結構面的存在，受采掘爆破及開挖卸荷的影響，下水平交錯巷道掘進時，有可能誘發淋水、涌水，甚至突水的災害，嚴重威脅著井下采煤的安全生產。然而，針對交錯巷道涌水機制的研究卻罕見報道。因此，本文以某礦的實際工程為背景，基于數值模擬的方法，對既有水平巖巷下方交錯煤巖斜巷(井)掘進迎頭涌水現象進行研究，揭示其涌水機制，并依此設計了防治措施，為類似工程的施工設計提供可參考性的意見。

1 工程背景

某礦煤(巖)層走向114～118°，平均傾角28°。預掘的西翼回風井(下段)位于－1100m 水平后六采區，現揭露煤19 及其頂板粉砂巖，與西翼回風井(上段)貫通。預掘巷道為半煤巖巷道，斷面形狀為半圓拱形，斷面凈寬4.5m，凈高4.0m，其中拱高2.25m，墻高1.75m，巷道開門底板標高－871m，埋深900～1100m，傾角28°，與后六石門交錯角約21°，全長447.6m。西翼回風井在從底過后六石門過程中，在掘進至標高為－742m時，有4 根錨索滲水，出水孔深5.0m，涌水量約4m3/h，最小巖柱厚約為10m。巷道交錯位置附近圍巖并無斷層和大型聯通的結構面存在。預掘的西翼回風巷與鄰近的交錯巷道的局部平面布置圖和剖面見圖1 和圖2 所示。其中，后六石門為水平布置的半圓拱形巷道，巷道凈寬4.0m，凈高3.4m。墻高1.4m，拱高2.0m。巷道煤巖體的物理力學參數詳見表1。

圖1 巷道布置平面

圖2 巷道布置B－B 剖面

表1 煤巖體物理力學參數

2 有限差分數值計算模型

本文擬采用有限差分數值模擬的研究方法，對西翼回風井(下段)掘進至與后六石門交錯附近時的涌水現象進行模擬計算，通過開挖擾動引起的位移場、應力場、塑性區的分布規律，詳細探究誘發涌水的原因及機制，為實踐工程及類似工程的涌水防治提供有意義的結論。

2.1 數值計算模型

2.1.1 交錯巷道模型的建立

西翼回風巷掘進過程中先后會遇到后六石門和后六變電所2 條交錯巷道，但由于掘進巷道涌水位置發生在與后六石門交錯位置附近，且后六變電所位于后六石門之上的高程，因此，對實際情況進行合理簡化，數值計算中不考慮事先存在的后六變電所對與后六石門交錯位置巷道涌水的影響。簡化后的西翼回風巷與后六石門的空間交錯位置情況見圖3 的幾何模型，兩巷道之間巖柱最薄處約為10m，且在水平投影的交角約22°。

圖3 交錯巷道的幾何模型示意

參照該礦地質剖面圖，數值計算模型由地下－1000m 高程建至地表200m 高程。為消除數值模型邊界效應的影響，在巷道四周向外截取200m 厚度的巖體，采用關心區域網格細化，其他區域漸變增大的原則進行有限差分網格的劃分。坐標系的規定:水平向右為廣義坐標系X 軸正向，即西翼回風井在水平的投影沿X 軸方向，以水平垂直向里為廣義坐標系Y 軸正向，Z 軸豎直向上，三者遵循右手定則。

2.1.2 煤巖體的力學本構模型

煤巖體的力學本構模型采用經典的彈塑性模型，對應的屈服準則為Mohr Coulomb 拉剪復合破壞準則。基于煤巖體力學特性的試驗結果及分段線性擬合Hoek－Brown (HB)模型獲得煤體等效MC模型的物理力學參數［10－12］，見表1 所示。

2.1.3 邊界條件及開挖支護模擬

有限差分模型底部三向位移約束，四周邊界法向位移約束;豎向應力為巖層自重，水平側壓力系數λx和λy分別為1.25 和1.5，三向地應力的方向分別與廣義坐標系方向一致。

洞室開挖前，先進行地應力場的模擬，待地應力場平衡后，將模型的位移清空，并進行后六石門的開挖支護模擬，待后六石門開挖支護完成后，將模型位移場清零，再進行西翼回風井的分步開挖支護模擬，完整圍巖和破碎圍巖情況下的開挖步距分別為1.6m 和0.8m。

根據工程類比法確定西翼回風井采用錨網索作為永久支護。拱頂和兩幫分別采用5 根和3 根φ22mm×2400mm 的全螺紋鋼式樹脂錨桿;錨桿間排距為800mm×800mm;巖層和煤層中錨桿的設計錨固力分別不小于130kN 和70kN。金屬網采用8號鍍鋅鐵絲編結的菱形金屬網，網孔規格為50mm×50mm。錨索長6m，對應的材料為φ17.8mm 高強度、低松馳、粘結式1×7 鋼絞線;在拱頂呈三花布置單根錨索梁，間距1.2m，排距為2.4m，單根錨索設計錨固力不小于200kN。

3 結果分析

西翼回風井下段與上段連通開挖后，交錯巷道圍巖的塑性區分布見圖4 所示。從中可直觀地看出，處于30MPa 左右的三向地應力下的煤巖巷道開挖穩定后，在交錯位置的西翼回風井四周圍巖均產生了一定深度的拉剪塑性區，巷道頂板和兩幫的塑性區深度基本在系統錨桿的長度范圍內，且交錯巷道之間巖柱內的塑性區并未發生貫通。從塑性區分布情況來看，上水平巖層內后六石門的存在對交錯巷道穩定性的影響不大。

圖4 開挖后交錯巷道圍巖塑性區分布

圖5 給出了西翼回風井下段開挖期間兩豎向剖面上總位移的分布情況。從中可知，巷道開挖后，西翼回風井四周的圍巖均向巷道內產生一定的變形;由于水平地應力略大于豎向地應力，加之拱形結構自身的穩定性及煤巖體力學特性的差異，使得巷道兩幫的位移要大于巷道拱頂的位移，兩幫的最大位移量可達0.26m;受西翼回風井下段開挖的影響，后六石門在巷道交錯位置附近發生了朝向西翼回風井的不均勻沉降，如圖6 所示，圍巖最大下沉位移量達20mm。

圖5 開挖后交錯巷道圍巖總位移分布

圖6 開挖引起的后六石門圍巖位移分布

巷道開挖后交錯巷道圍巖的最大主應力分布圖直觀地表明(圖7 和圖8)，受爆破開挖卸荷擾動的影響，兩巷道四周均產生了一定深度的應力重分布，重分布的最大主應力較開挖前圍巖的地應力明顯降低，越靠近巷道表面，圍巖的最大主應力越接近拉應力狀態，越易造成圍巖的拉伸破壞;另外，開挖后圍巖的應力場還表明，應力重分布后的最大主應力在兩交錯巷道之間的巖柱內已連通，在一定程度上影響著交錯巷道圍巖的穩定性。

圖7 B－B 剖面巷道圍巖最大主應力分布

圖8 垂直B－B 剖面的豎向剖面內交錯巷道圍巖最大主應力分布

因此，綜合上述西翼回風井下段開挖后的塑性區、位移場、應力場的分析可知，受既有巷道下方巷道爆破開挖擾動的影響，使得開挖期間上水平的巖層巷道向開挖巷道一側發生不均價沉降變形，加之交錯巷道巖柱厚度在開挖擾動范圍內，應力重分布后的最大主應力較原巖地應力顯著降低，且在巖柱內已和兩巷道的頂底板相互連通;因此，受開挖擾動卸荷的影響，導致交錯巷道之間巖柱的不均勻變形和應力卸荷重分布，圍巖松動，容易使開挖前閉合且穩定的巖體原生結構面產生拉伸破壞及朝向開挖巷道一側的錯動剪切變形，降低圍巖的阻水能力，即使沒有斷層等大型導水結構面的存在，若圍巖的地下水豐富，有可能誘發淋水、涌水，甚至突水的災害。這也揭示了西翼回風井掘進至交錯位置附近時，掘進迎頭發生涌現現象的原因和機制，為該工程合理防水治理措施的設計提供了參考依據。

4 實際涌水的防治方案設計

結合現場地測信息，水文觀測孔流量、水壓、水溫可知，涌水的水源為后六石門內水溝的水，再考慮誘發涌水的原因和機制，巷道涌水防治的方案是對出水區域及兩巷疊加區域及巖柱進行高分子注漿堵水加固處理。即在出水點處注漿，以巷道中心為基準，巷道中心布置1 個注漿孔，垂直于巷道輪廓線1m 間距向兩側各布置2 個注漿孔，共施工5個注漿孔，注漿孔深度為6m，封孔深度3m，注漿孔排距為3m，單孔注漿量根據現場情況確定，對應的施工流程圖見圖9。后續注漿堵水加固圍巖的防水措施的信息反饋表明，該防治措施效果顯著，有效地抑制了巷道圍巖的涌水現象，保證了巷道的順利掘進及安全運行。

圖9 注漿工藝

5 結論

基于有限差分數值計算方法，對某礦過既有巖巷底板掘進交錯巷道時，交錯位置附近掘進迎頭涌水的現象進行數值模擬，通過開挖后交錯巷道圍巖塑性區、位移場、最大主應力分布規律的分析，揭示了掘進巷道涌水的機制，并結合實際工程情況，設計了涌水防治的注漿加固堵水技術及施工工藝。可防治巷道局部淋水、涌水和突水事故的發生，可為類似工程的設計提供參考依據。

［1］鄭 紅，劉洪磊，石長巖，等.深部斷層下巷道圍巖破壞誘發涌水的模擬研究［J］.力學與實踐，2009，31(2):69－53.

［2］羅立平，彭蘇萍.承壓水體上開采底板突水災害機理的研究［J］.煤炭學報，2005，30 (4):459－503.

［3］周笑綠，楊國勇，鄭世書.東灘礦3 煤頂板突水的影響因素［J］.采礦與安全工程學報，2006，23 (3):281－285.

［4］高致宏.老虎臺礦“3.10”透水事故的水文地質分析［J］.煤礦安全，2010，41 (7):131－132.

［5］李湖生，劉鐵民.從“3·28”王家嶺煤礦透水事故搶險救援反思中國事故災難應急準備體系［J］.中國安全生產科學技術，2010，6 (3):5－12.

［6］許家林，朱衛兵，王曉振.松散承壓含水層下采煤突水機理與防治研究［J］.采礦與安全工程學報，2011，28 (3):333－339.

［7］趙蘇啟，武 強，尹尚先.廣東大興煤礦特大突水事故機理分析［J］.煤炭學報，2006，31 (5):618－622.

［8］韓江水，趙 婷，武謀達.綜采放頂煤工作面頂板涌水機理分析［J］.西安科技大學學報，2012，32 (2):144－148.

［9］武 強，朱 斌，劉守強.礦井斷裂構造帶滯后突水的流–固耦合模擬方法分析與滯后時間確定［J］.巖石力學與工程學報，2011，30 (1):93－104.

［10］MEDHURST T P，BROWN E T.A study of the mechanical behavior of coal for pillar design ［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1998，35 (8):1087－1105.

［11］OKUBO S，FUKUI K，Qi Q X.Uniaxial compression and tension tests of anthracite and loading rate dependence of peak strength［J］.International Journal of Coal Geology，2006，68(3－4):196－204.

［12］EVERT H.Pratical rock engineering ［OL］.http://www.rocscience.com/education/hoeks_ corner，2012.