石港煤業(yè)15106工作面運(yùn)輸順槽底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與分析

韓 偉

（山西陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

山西省左權(quán)縣石港煤業(yè)15106工作面位于960水平一采區(qū)，工作面開采15#煤層，煤層底板標(biāo)高為775m，平均厚度為7.03m，平均傾角為9°，煤層頂板巖性主要為泥巖和石灰?guī)r直接底巖層為黑色泥巖，均厚2.0m，基本底巖層為灰色鋁土泥巖，均厚14.74m。15106工作面運(yùn)輸順槽沿15#煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，掘進(jìn)寬度×高度=5.2m×3.7m，根據(jù)礦井地質(zhì)鉆孔資料可知，巷道底板奧灰水位標(biāo)高約為800m左右，即巷道距奧灰水的高度為25m，底板隔水層主要為鋁土泥巖，其所承受的水壓值約為1.42MPa，現(xiàn)進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)底板突水危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)分析。

2 承壓水對(duì)底板的破壞模式

2.1 矩形巷道底板破壞深度

當(dāng)矩形巷道在三軸應(yīng)力作用條件下發(fā)生的破壞服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，即為：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，kN；σ3為最小主應(yīng)力，kN；K為巖體內(nèi)摩擦角；°；Rc為完整巖體單軸抗壓強(qiáng)度，kN。現(xiàn)將公式(1)定義為為安全系數(shù)，其中k=1+sinφ0/1-sinφ0，

當(dāng)?shù)装鍘r體n＞1時(shí)表示底板安全狀態(tài)，當(dāng)n=1時(shí)表示底板臨界狀態(tài)，當(dāng)n＜1時(shí)表示底板巖體已經(jīng)發(fā)生破壞故此時(shí)屬于危險(xiǎn)狀態(tài)。

根據(jù)“三區(qū)”理論[14]，可將底板分為塑性滑動(dòng)區(qū)、裂隙擴(kuò)展區(qū)和圍巖穩(wěn)定區(qū)如圖1所示，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較小時(shí)，巷道底板以受拉為主，由于巖體的抗拉強(qiáng)度較小，而底板表面所受到拉力會(huì)超過表面巖層所能承受的極限抗拉強(qiáng)度，便會(huì)致使底板表面出現(xiàn)大面積的拉裂破壞，巷道兩幫和頂?shù)装迳畈恐饕l(fā)生剪切破壞，并且剪切破壞可運(yùn)用摩爾一庫(kù)侖準(zhǔn)則評(píng)價(jià)，當(dāng)安全系數(shù)n＜1時(shí)該區(qū)域會(huì)發(fā)生剪切破壞；當(dāng)深度增大到一定值時(shí)，圍巖會(huì)趨于穩(wěn)定用安全系數(shù)表達(dá)即為安全系數(shù)大于1，該區(qū)域稱為圍巖穩(wěn)定區(qū)；剪壞邊界和圍巖穩(wěn)定區(qū)邊界之間，巷道圍巖中小裂隙會(huì)逐漸擴(kuò)展，該區(qū)域界定為裂隙擴(kuò)展區(qū)域。

圖1 煤層巷道圍巖“三區(qū)”示意圖

由巖石彈塑性理論可以確定三區(qū)的界限及狀態(tài)，同時(shí)可以確定出裂隙的擴(kuò)展方向，對(duì)于矩形巷道，煤層巷道底板的破壞深度要大于兩幫。

由于矩形巷道的破壞深度難以確定，可利用矩形的外切圓來近似代替矩形巷道確定底板的破壞深度（如圖2所示），由于外切圓的開挖尺寸是大于其對(duì)應(yīng)的矩形巷道的，故用圓形巷道的方法計(jì)算得出的破壞深度時(shí)大于對(duì)應(yīng)的矩形巷道的，所以計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。

圖2 矩形巷道的簡(jiǎn)化模型

式中：r0為圓形巷道半徑，m；c為巖石的粘聚力；p0為圍巖應(yīng)力，MPa;φ為巖石的內(nèi)摩擦角；a、b分別為矩形的長(zhǎng)邊與短邊。結(jié)合15106工作面運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件計(jì)算得出巷道圍巖塑性區(qū)圈的范圍R0=2.7m。

2.2 底板隔水層的破壞模式

根據(jù)底板隔水層的特征，可將隔水層簡(jiǎn)化為兩端固支的梁，均布荷載作用下的固支梁，最大彎矩及剪力都在兩端。在梁的兩端處由于受到的拉應(yīng)力超過極限抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致破壞，固支梁的破壞形式為彎拉破壞。從材料力學(xué)的角度出發(fā)，巖梁彎拉破壞，脆性斷裂是合理的。但結(jié)合巷道實(shí)際工況，不受采動(dòng)影響，在巷道掘進(jìn)后，兩幫會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)（應(yīng)力峰值為kγh），底板為應(yīng)力降低區(qū)。隔水層厚度為t，水壓為p，隔水巖層在兩幫應(yīng)力計(jì)底板承壓水的作用下出現(xiàn)剪切破壞，如圖3所示。根據(jù)眾多試驗(yàn)分析與工程實(shí)踐結(jié)果表明[3]，底板隔水巖層在承壓水的圍巖應(yīng)力的共同作用下，其破壞過程主要為：完整→小裂隙形成→裂隙擴(kuò)展→底板破碎，且在隔水巖層破壞時(shí)，巖層會(huì)首先在巷道底角處出現(xiàn)裂縫。

圖3 底板隔水層剪切破壞

3 底板突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 巖柱法評(píng)價(jià)模型

在研究承壓水突水底板破壞模式的基礎(chǔ)上，考慮孔隙水壓的力學(xué)作用，建立巖柱法力學(xué)模型，具體如圖4所示。

圖4 巖柱法巷道力學(xué)模型示意圖

圖中作用于底板隔水層下部的承壓水水壓為p，底板隔水巖層有效厚度為t，矩形巷道寬度為L(zhǎng)，單元體的在垂直方向上受到的應(yīng)力為σ1，水平方向受到的應(yīng)力為σ3，通過力學(xué)推導(dǎo)能夠得出底板隔水層所能承受的水壓p表達(dá)式為：

式中：t為底板隔水巖層的厚度，m；γ為底板隔水巖層的平均容重，MN/m3；u為孔隙水壓力，MPa；φ為底板隔水巖層的內(nèi)摩擦角，°；α為孔隙水壓力系數(shù)；其余符號(hào)含義同圖中符號(hào)含義。

3.2 評(píng)價(jià)模型適用性分析

規(guī)范推薦的巖梁法認(rèn)為底板能承受的最大水壓與隔水巖層的厚度，平均容重，底板巖層的抗拉強(qiáng)度直接相關(guān)，公式為：

式中：t為安全隔水厚度,m；L為巷道底板寬度,m；γ為底板隔水層的平均容重,MN/m3；

Kp為底板隔水層的平均抗張強(qiáng)度,MPa；H為底板隔水層承受的水頭壓力,MPa。

根據(jù)眾多采掘工程實(shí)踐可知，回采巷道的掘進(jìn)寬度一般在3～5m，現(xiàn)固定巷道的寬度，基于煤系地層常見巖石飽水后的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)[5-6]，分別繪出巖梁法、巖柱法計(jì)算的隔水層厚度與最大水壓的關(guān)系曲線，如圖5所示。圖5中實(shí)線表示巖柱法在三組不同抗剪強(qiáng)度參數(shù)下的結(jié)果；虛線表示巖梁法在三組不同抗拉強(qiáng)度下的結(jié)果。同時(shí)也繪出表4中的底板突水事故中實(shí)測(cè)的隔水層厚度和最大水壓。

表4 巷道底板突水事故

圖5 最大水壓與隔水層厚度

從圖5可以看出，巖梁法的最大水壓和隔水層厚度呈二次函數(shù)關(guān)系，巖柱法的最大水壓和隔水層厚度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在巷道寬度確定的情況下，基于煤系地層常見巖石飽水后力學(xué)參數(shù)，巖柱法計(jì)算結(jié)果能更好的吻合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.3 評(píng)價(jià)分析

根據(jù)15106工作面運(yùn)輸順槽的具體地質(zhì)條件，結(jié)合上述分析可知巷道開挖后，圍巖塑性圈的發(fā)育深度約為2.7，故取底板隔水層鋁土泥巖的有效厚度t=14m，基于巷道特征取巷道寬度L=5.2m，取隔水 層 內(nèi) 摩 擦 角 φ=33° ，c=1.94， 容 重 γ=0.024MN/m3，孔隙水壓力系數(shù) α=0.8，結(jié)合式（4）能夠計(jì)算得出 A=0.26，B=2.94，進(jìn)一步代入式（4）中能夠計(jì)算得出底板隔水層所能承受最大水壓為：

基于上述計(jì)算能夠得出15106工作面運(yùn)輸順槽底板鋁土泥巖隔水層所能承受的最大水壓為3.26MPa，實(shí)際承受水壓大于底板隔水層承受的水壓值，故巷道掘進(jìn)期間無危險(xiǎn)性，但應(yīng)加強(qiáng)探放水工作，防止底板巖層在地質(zhì)構(gòu)造處與奧灰水貫通。

4 結(jié)論

根據(jù)15106工作面的地質(zhì)條件，通過具體分析承壓水對(duì)底板的破壞模式，具體分析了巷道掘進(jìn)后底板塑性圈發(fā)育深度及底板隔水層的破壞模式，根據(jù)底板突水巖柱法力學(xué)模型，能夠計(jì)算得出底板鋁土泥巖所能承受的最大水壓為3.26MPa，而其所承受的水壓值約為1.42MPa，故判斷巷道掘進(jìn)期間無突水危險(xiǎn)性。