回淹巷道煤柱水流動特征分析★

樊江波，李 磊，劉寧寧

（1.中煤科工能源投資秦皇島有限公司，河北 秦皇島 066000；2.中煤科工能源科技發展有限公司，北京 100000）

巖石發生破裂后，仍具有一定的殘余強度，同理，巷道圍巖松動破裂也具有一定的承載能力，但這一承載能力遠低于其抗壓強度值，需對其進行支護，支護的主要目的是提高松動圍巖的殘余強度，充分發揮加固圍巖的承載能力。巷道圍巖的變形與其物理力學性質參數密切相關，參數其主要包括：抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、黏結力及內摩擦角等。

目前，通常采用的支護技術措施主要包括：及時封閉暴露圍巖、錨桿支護、注漿以及支架壁后充填等。回淹巷道煤柱遇水后其強度表現為衰減速度快，且穩定性差的特點，對于此類巷道煤柱，不僅要提高圍巖承載能力，而且必須減少水對煤柱弱化的技術措施。針對上述問題，國內外學者已開展了相關的研究，榮傳新[1]等建立了巷道破壞半徑與水壓力的關系；劉鋒珍[2]分析了滲流作用下圍巖應力的變化規律；余偉建[3]等揭示了不同支護方式下巷道圍巖變形破壞的機理；孫珍平[4]等人提出了圓形隧道在非均勻應力場下的彈塑性解析解；劉新穎等分析了水對圍巖的破壞和力學特性的影響；李宗利等發現巷道考慮滲流場計算得出的塑性半徑大于不考慮滲透場的半徑。奚家米提出了巷道的錨噴支護以及圍巖穩定性的計算方法。韋立德等基于有限元分析，提出了一種新的巷道支護計算的數學模型；朱維申等分析認為流-固耦合作用導致巖體強度降低、變形量增加；李國富等發現對膨脹巖注漿不僅可降低圍巖孔隙比，而且減小圍巖滲透系數。

針對滲流作用下巷道圍巖的受力及變形特征，已開展了大量的研究，但對于其在支護條件下孔隙水壓力的研究相對較少，本文利用多場物理耦合數值模擬軟件COMSOL計算了回淹巷道煤柱在無支護與有支護條件下的孔隙水壓力，分析了煤柱水流動規律。

1 回淹巷道煤柱水流動特征分析

1.1 煤柱水流動特點

利用多場物理耦合數值模擬軟件COMSOL計算了煤柱在無支護、有支護條件下巷道開挖時間、有無疏水孔以及裂隙面對孔隙水壓力的影響，分析了煤柱水流動特點。

1.1.1 無支護時水流動及孔隙水壓力變化規律

1.1.1.1 煤柱水流動規律

利用COMSOL軟件計算了巷道煤柱有疏水孔、無疏水孔及有疏水孔且存在裂隙面三種方案下煤柱水的流動規律。下頁圖1—圖3分別為巷道開挖1 d、30 d、90 d條件下煤柱的水流動規律，在一定的孔隙水壓力作用下，布置疏水孔與無疏水孔條件下水流動規律存在顯著的差異性，布置疏水孔后煤柱水沿疏水孔流動，且流動速度和流量均較大；當巷道煤柱疏水孔穿過回淹層主裂隙面，煤柱水沿主裂隙面流動，并經疏水孔流出，流動速度與流量較無疏水孔和有疏水孔條件下明顯增加；因此，合理布置疏水孔技術參數，有利于煤柱水的排放。

圖1 巷道開挖1 d煤柱水流動規律

圖3 巷道開挖90 d煤柱水流動規律

1.1.1.2 孔隙水壓力變化規律

下頁圖4為回淹巷道煤柱軟弱巖層與回淹煤柱交界處孔隙水壓力隨巷道開挖時間變化曲線圖，模擬計算模型左右對稱，選取模型左半部分，分析其孔隙水壓力的變化規律。

圖2 巷道開挖30 d煤柱水流動規律

圖4 煤柱水孔隙水壓力曲線

由圖4可知，當布置疏水孔時，孔隙水壓力隨巷道開挖變化速率較快，從巷道中央向邊界減少的變化趨勢，說明煤柱水流動呈現為連續性的特點。當布置疏水孔且存在主裂隙面條件下，在巷道開挖初期，30～50 m之間孔隙水壓力降低為0。從孔隙水壓力變化云圖可以明顯看出，隨開挖時間延長，主裂隙面以上孔隙水壓力逐漸減小，水在裂隙面和疏水孔流動的變化規律較小。煤柱在無疏水孔條件下，孔隙水壓力的變化量較小。

1.1.2 支護作用下煤柱水流動特點分析

巷道開挖后，通常需要進行人為加固以確保其穩定性。在巷道煤柱表面施加均布壓力，孔隙水壓力變化云圖和曲線分別見下頁圖5。

圖5 不同支護阻力作用下孔隙水壓力曲線

在支護條件下，改變了巷道圍巖表面的受力狀態，對巷道煤柱孔隙水壓力的變化規律產生一定的影響，但其變化趨勢沒有發生變化。巷道開挖90 d后，在無支護條件下，中間位置的孔隙水壓力為0.09 MPa，當支護阻力為0.2 MPa和0.4 MPa時，孔隙水壓力分別增大至0.15 MPa和0.29 MPa，為無支護阻力的1.7和2.2倍，由此可知，巷道煤柱施加支護阻力，可減緩煤柱水的滲透作用。

在巷道中布置疏水孔，有利于煤柱水的疏放，而且能夠減少水對煤柱的弱化作用，尤其是鉆孔穿透煤柱回淹層主裂隙面時，更有利于水的疏放。在疏放煤柱水時，地下水與圍巖相互作用，對煤柱施加支護阻力，可改變巷道圍巖的受力狀態，一定程度上可減緩水的滲透作用，降低水對巖石的侵蝕作用。

2 結論

1）在無支護條件下，煤柱布置疏水孔時，孔隙水壓力隨巷道開挖變化速率較快，從巷道中央向邊界呈現為減少的變化趨勢；煤柱有疏水孔且存在主裂隙面時，隨開挖時間的延長，主裂隙面以上巖層的孔隙水壓力逐漸降低；在無疏水孔時，孔隙水壓力的變化較小。

2）在支護條件下，對巷道煤柱孔隙水壓力的變化規律產生了的一定影響，但變化量較小，巷道煤柱施加一定的支護阻力，可減緩煤柱水的滲透作用。

3）在巷道中布置疏水孔，有利于煤柱水的疏放，可減小水對煤柱的侵蝕作用，尤其是鉆孔長度穿透煤柱回淹層主裂隙面時，更有利于煤柱水的疏放；對煤柱施加支護阻力，可改變巷道圍巖的受力狀態，可減緩水的滲透作用，減小水對巖石的弱化作用。