煤礦露天水倉滲流對井工巷道的影響

趙錦生 ，李曉俊 ，王 勇 ，趙志強

（1.國家能源集團國神公司 大南湖二礦，新疆 哈密 100120；2.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110066）

隨著能源需求的不斷增加，露天煤礦資源開采難度呈增加態勢[1-2]。在礦床覆蓋層逐漸變薄且延伸較長的露天煤礦企業，這種問題尤為突出。因此很多露天煤礦在開采階段的中后期逐漸轉為地下開采，以達到增加資源量，減少開采成本的目的[3-5]。

露天開采過程中受大氣降水、地表及地下徑流影響；建立水倉，后期轉地下開采后因積水下滲會對井工巷道產生不利影響，針對此問題相關學者進行了一定的研究工作[6]。孫珍平[7]對滲流作用下巷道圍巖的穩定性進行了一系列研究，探究了應力場、位移場等變化規律；榮傳新等[8]對滲流作用下的圍巖穩定孔隙水壓力的臨界值進行了摸索；孫秀東[9]通過流固耦合的分析理論對巷道開挖后滲流場等相關因素進行計算，探討流固耦合手段的優勢。

基于此，以內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司西露天煤礦為研究對象，分析、計算、評價在露天開采轉地下開采過程后露天采區的兩翼水倉對井工采區巷道的影響；研究成果可對該礦山露天邊坡的穩定及井工巷道的安全開采提供技術支撐，也可以為其他具有類似情況的露天轉地下煤礦的設計和開采運行提供參考。

1 工程概況

內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司西露天煤礦（以下簡稱西露天煤礦），行政隸屬于內蒙古自治區赤峰市元寶山區。西露天煤礦2016 年12月經技術改造后，結束露天開采工作，進入井工開采區，為露天開采轉地下開采煤礦。

西露天煤礦露采礦坑底部現存南翼和北翼2處水倉，該礦南翼水倉距井工開采運輸大巷較近，北翼水倉距井工開采工作面較近，2 個水倉對礦井巷道有滲流影響。露天水倉與井工巷道位置關系剖面圖如圖1。

圖1 露天水倉與井工巷道位置關系剖面圖Fig.1 Sectional view of the relationship between open pit water chamber and shaft workings

因環保要求，水倉積水不能外排，同時受礦坑周邊巖層滲水及降雨積累影響，礦坑內積水量逐漸增加。為探究煤礦露天水倉滲流對井工巷道的影響，避免礦坑積水對井工開采產生水害隱患，采用FLAC3D數值模擬手段對礦坑積水與井工巷道間相互關系及影響進行流固耦合分析、研究、評價。

2 基于流固耦合理論的數值模擬分析

2.1 流固耦合理論原理

在煤礦露天開采轉地下開采過程中，滲流場與應力場相互作用，這種現象叫流固耦合[10]。在流固耦合分析過程中，完全耦合需消耗大量時間且并非必須項。一般情況下可以采用不同程度的不耦合方法簡化計算。為此采用不完全流固耦合方法，先計算應力場變化，再進行滲流模式計算。這種方法在不影響計算精度的基礎上，極大減少了計算時間。FLAC3D流固耦合計算步驟流程如圖2，右邊為計算模型應力場步驟，左邊為開啟滲流場后模型的計算步驟。

圖2 FLAC3D 流固耦合計算步驟流程Fig.2 FLAC3D fluid-structure interaction calculation process

2.2 兩翼水倉數值模型

兩翼水倉數值模型如圖3。

圖3 兩翼水倉數值模型Fig.3 Numerical model of two-wing water chamber

以北翼水倉標高+296～+464 m 剖面為研究對象，進行滲流穩定性分析，現場積水面高程+356 m，巷道高程+345.26 m 位于煤層，距離積水處水平方向73.65 m。如圖3（a），模型總高度168 m，總寬度為321.16 m，模型土層條件經現場實際鉆探，按現場土層分布進行一定的簡化處理，土體采用摩爾庫倫模型。由于模型尺寸足夠大故將模型底部及兩側考慮成不透水邊界，巷道四周設置成透水邊界面，基本上還原現場地質情況。

以南部水倉標高+320～+500 m 剖面為研究對象，進行滲流穩定性分析，水面高程+370 m，巷道高程+332～+339 m，位于煤層，距離積水處水平方向163～198 m。如圖3（b），其中模型總高度180 m，水平方向總寬度為407 m。模型條件設置同北翼水倉。

通過兩翼水倉數值模型在正常水位工況下及極端降雨條件下水倉及井工巷道的位移沉降、滲流情況，分析滲流對井工巷道強度的影響。

2.3 常水位水倉滲流影響分析

北翼水倉常水位標高為+356 m，南翼水倉常水位標高為+370 m。為分析常水位情況下水倉滲流對井工巷道穩定性的影響，采用FLAC3D軟件對分別對巷道及水倉位移及滲流情況進行分析。常水位情況下南、北翼巷道及水倉開挖沉降云圖如圖4，南、北翼水倉常水位工況下孔壓分布如圖5，兩翼常水位工況滲流矢量圖如圖6。

圖4 常水位工況兩翼巷道及水倉沉降模型Fig.4 Settlement model of roadway and water chamber in both wings under constant water level condition

圖5 常水位工況兩翼孔壓分布云圖Fig.5 Hole pressure distribution cloud diagrams of two wings under constant water level condition

圖6 常水位工況兩翼滲流矢量圖Fig.6 Seepage vector diagrams of two wings under constant water level condition

1）常水位巷道及水倉開挖沉降分析。由于巷道處于煤層，上下相鄰土層均為巖質砂土，土體強度較高，周圍土體狀態較為穩定。故巷道歷經開挖后，對周圍土體擾動不大。兩翼水倉影響井工巷道處最大沉降均發生在巷道頂部，兩翼水倉最大沉降均發生在水位面左下側。常水位巷道及水倉開挖沉降位移為：①北翼：開挖巷道最大沉降74.6 mm，常水位最大沉降153.0 mm，開挖巷道最大隆起59.2 mm，常水位最大隆起6.11 mm；②南翼：開挖巷道最大沉降18.7 mm，常水位最大沉降138.5 mm，開挖巷道最大隆起14.2 mm，常水位最大隆起10.0 mm。

2）常水位滲流分析。經計算在常水位工況下兩翼水倉不同位置最大孔隙水壓力為：①北翼水倉：模型最大孔隙水壓力586.78 kPa，積水面最大孔隙水壓力147.98 kPa；②南翼水倉：模型最大孔隙水壓力639.86 kPa，積水面最大孔隙水壓力148.18 kPa，水倉底部最大孔隙水壓力26.0 kPa。通過滲流路徑得到滲流對巷道的影響，滲流主力集中區域位于巷道底部，由計算結果可知需對道底部進行一定的防水措施，從而提高巷道的穩定性。

2.4 極端降雨條件水倉滲流影響分析

為探究極限降雨工況下滲流作用對巷道穩定的影響，對比常水位工況與極限水位滲流工況兩者沉降參數；北翼水倉極限降雨水位+371.0 m，南翼水倉極端降雨水位+373.7 m，對巷道進行位移及滲流分析，探究巷道穩定性。極限水位工況下，南北翼巷道及水倉開挖沉降云圖如圖7，極限水位兩翼孔壓分布云圖如圖8，極限水位工況下兩翼巷道滲流場矢量圖如圖9。

圖7 極限水位工況兩翼巷道及水倉沉降模型Fig.7 Settlement model of roadway and water tank in both wings under extreme water level condition

圖8 極限水位工況兩翼孔壓分布云圖Fig.8 Hole pressure distribution cloud diagrams of two wings under extreme water level condition

圖9 極限水位工況兩翼滲流矢量圖Fig.9 Seepage vector diagrams of two wings under extreme water level condition

1）極限水位工況巷道及水倉開挖沉降分析。與常水位情況類似，因為巷道所在位置相鄰土體強度較高，狀態較穩定。故巷道歷經開挖后，對周圍土體擾動不大。南北翼水倉沉降位置及應力釋放值與常水位工況相同。極限水位工況下，北翼水倉水位面較常水位提升15 m 達到+371 m，南翼水倉水位面較常水位提升3.7 m 達到+373.7 m。兩者最大沉降發生在水位面左下側。極限水位工況巷道及水倉開挖沉降位移為：①北翼：開挖巷道最大沉降74.6 mm，極限水位最大沉降168.7 mm，開挖巷道最大隆起59.2 mm，極限水位最大隆起6.84 mm；②南翼：開挖巷道最大沉降18.7 mm，極限水位最大沉降231.8 mm，開挖巷道最大隆起14.2 mm，極限水位最大隆起22.0 mm。相較于常水位，極限水位影響不大。對于南翼水倉，雖然水位面提升不大，但是受影響情況較為明顯，應重點關注南翼水倉的有關情況。

2）極限水位滲流分析。經計算在極限水位工況下兩翼水倉不同位置最大孔隙水壓力為：①北翼水倉：模型最大孔隙水壓力734.89 kPa，積水面最大孔隙水壓力362.80 kPa，水倉底部最大孔隙水壓力32.80 kPa；②南翼水倉：模型最大孔隙水壓力691.45 kPa，積水面最大孔隙水壓力198.14 kPa，水倉底部最大孔隙水壓力26.40 kPa。與常水位工況相同，通過滲流路徑得到滲流對巷道的影響，滲流主力集中區域位于巷道底部，需對巷道底部進行一定的防水措施，從而提高巷道的穩定性。

2.5 2 種工況下滲流影響巷道情況對比

為探究2 種水位工況下，水倉滲流對井工巷道的影響，將其進行對比研究。兩翼水倉常水位工況與極限水位工況巷道孔壓對比如下：

1）北翼水倉2 工況巷道孔壓。①常水位工況巷道孔壓：巷道頂部及右、巷道左側下、巷道左側上、巷道底部分別為0、3.50、0、23.6 kPa；②極限水位工況巷道孔壓：巷道頂部及右、巷道左側下、巷道左側上、巷道底部分別為0、3.59、0.31、32.8 kPa；③極限水位工況較常水位工況巷道孔壓增加量：巷道頂部及右、巷道左側下、巷道左側上、巷道底部分別為+0、+0.09、+0.31、+9.20 kPa。

2）南翼水倉2 工況巷道孔壓。①常水位工況巷道孔壓：巷道頂部、巷道左下、巷道左上、巷道右部、巷道底部分別為0、14.85、0、13.94、26.00 kPa；②極限水位工況巷道孔壓：巷道頂部、巷道左下、巷道左上、巷道右部、巷道底部分別為0、15.06、0、14.11、26.40 kPa；③極限水位工況較常水位工況巷道孔壓增加量：巷道頂部、巷道左下、巷道左上、巷道右部、巷道底部分別為+0、+0.21、0、+0.17、+0.40。

可以看出，常水位與極限水位工況下，巷道底部都承擔著巨大的壓力，同時在極限水位時，其他部位與巷道底部增加孔壓相比有著數量級的差距，可以得出露天水倉滲流壓力主要集中在巷道底部，應該主要觀測巷道底部的孔壓；并且時刻觀察露天水倉水位變化，一旦到達極限水位條件，此時因底部滲水導致破壞的可能性更大，應加強井工巷道的安全管理工作，以免發生危險。使用FLAC3D軟件計算的兩翼巷道不同工況下滲流量見表1。

表1 兩翼巷道不同工況下滲流量Table 1 Seepage flow table under different working conditions of the roadway in both wings

兩翼巷道常水位和極端降雨條件下，均滿足GB 50108—2008 地下工程防水技術規范中對于隧道工程防水等級為二級的0.05×10-3m3/（d·m2）要求，均為正常值，不影響正常生產進行。

3 結 語

采用FLAC3D軟件，對平莊西露天煤礦露采轉地采后常水位及極限水位2 種工況下兩翼露天水倉對井工巷道的影響進行數值分析研究。2 種工況下巷道位移變形塑性區均沒有形成貫通趨勢，巷道在滲流影響下沒有發生整體塑性貫通破壞及透水破壞。極限水位工況下，兩翼巷道底部滲流量均有明顯增長，但是最大滲流量均滿足規范要求。考慮到地質的復雜性、長期滲流及孔壓作用下，巷道圍巖強度下降或者會產生長期蠕變變形，因此坑底及水池需采取防排水措施。