厚松散层薄基岩下巷道掘进安全性分析

李 伟 张文泉 谷 斌

（1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.山东宏矿控股有限公司横河煤矿，山东 邹城 273500）

横河井田位于山东省济宁市境内，处于兖州煤田西部。横河煤矿井田绝大部分区域煤系地层与第四系下组含水砂层直接接触，属于厚松散含水层下山西组煤系地层开采。根据横河煤矿生产接续计划，近期计划开采井田东翼北采区3煤层浅部区域东8-1工作面。该区域的基岩最薄处20m左右，受第四系松散层突水涌砂灾害的威胁程度大大增加。隋旺华等[1]利用工程地质系统研究方法建立了预测模型并成功应用于横河煤矿厚松散含水层下放顶煤开采防水煤岩柱的留设。张文泉[2]等采用ANSYS有限元数值模拟方法分析了次生小断层对采动裂隙带高度发育的影响，认为工作面推进过程中存在断层情况下，导水裂隙带发育高度的增大会引发涌水突砂事故。因此，为了避免东8-1工作面浅部区域采掘巷道掘进与施工过程诱发水砂突涌灾害，保证巷道施工掘进的安全性，有必要展开对“横河煤矿东8-1工作面浅部区域巷道掘进安全性分析”的研究。

1 工作面概况

东8-1工作面为3煤一分层工作面，相对地面位于泗河东堤以东，北部为已开采的东10-4工作面。该区3煤厚平均8.86m，倾角8～15°，结构简单。直接顶为泥岩，平均厚1.5m，水平层理，基本顶为粉砂岩，平均厚7.0m。由东8-1工作面附近基岩厚度等值线图可以看出，工作面基岩最薄处20m左右，突水涌砂危险大大增加。

2 水文地质特征及安全煤岩柱留设可行性

该区域附近第四系下组的富水性弱，甚至微弱或极弱（科4、科5、科6水文钻孔单位涌水量系数q均小于0.1），且厚度相对较小，加之部分区域底含或下组含水层粘土含量较多，从而进一步降低了自身的富水程度及渗透性。东8-1工作面顶板按基岩等值线厚度为20.0～46.0m，属于中硬偏软类型，其上部以泥岩为主，下部主要为泥质胶结的砂岩，泥质岩成分含量相对较高，渗透性相对较弱，该组合结构有利于抑制裂缝的发育，对其垂直方向的充水砂源具有一定的阻隔作用。基岩厚度顶板砂岩含水层富水性弱，不具备对工作面开采构成直接充水威胁的条件。

同时，考虑第四系下组水位逐年下降、底含存在疏干的可能，并结合相邻工作面实际开采情况，综合分析认为，水体采动等级为Ⅱ级，东8-1工作面的条件符合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[3]的规定中留设防砂安全煤岩柱的要求，留设防砂安全煤岩柱是可行的。

3 巷道掘进围岩破坏数值模拟分析

为了进一步分析横河煤矿东8-1工作面巷道掘进围岩破坏情况，采用UDEC4.0数值模拟软件，建立相关的数值模型，对东8-1工作面浅部巷道掘进围岩破坏进行数值模拟分析。本次模拟以横河煤矿东8-1工作面为研究背景，根据工作面上覆地层的沉积特征，为了便于模型的建立，工作面煤层及顶底板岩层均按水平地层处理（倾角为0°）。根据工作面巷道实际掘进的工程地质及技术条件，本次模拟建立基岩厚度为20m，3煤层厚度为8.5m，模型3煤层底板岩层厚度为40m，其离散元几何模型的示意图如图1所示。模型采用平面应变模型，模型的尺寸（长×高）为 250m×100.5m。

图1 基岩厚度20m模型尺寸

模型的底部界和左、右边界均采用零位移边界条件，即：底部边界条件为全约束边界（u=0且v=0）；左、右边界条件为单约束边界（u=0，v≠0）；上边界为自由边界，无约束，上边界以上的岩层作为外载荷施加在模型的上边界上。模型具体模型及块体划分情况如图2所示。

图2 模型块体划分情况

3.1 巷道掘进模拟过程

依据东8-1工作面巷道实际掘进的工程地质及技术条件，运用数值模拟软件还原东8-1工作面顺槽的掘进过程。即：在之前东10-1和东10-4工作面采掘平衡的基础上，沿3煤层顶板先后掘进东8-1工作面运输巷和轨道巷，其分别外错于东10-1工作面轨道巷4m和65m，两巷均为矩形断面，运输巷断面尺寸（长×高）3.6m×2.5m，轨道巷断面尺寸3.6m×2.3m，开挖完成后待模型计算平衡即可。

3.2 数值模拟结果分析

结合前人对东10-4工作面推进覆岩破坏模拟结果，完成东8-1轨道巷（断面尺寸长×高=3.6m×2.3m）的掘进模拟，其模拟结果如图3所示。东8-1轨道巷不受东10-4工作面采动影响，并且在东8-1工作面掘进完成后，其上方岩层应力较未开挖前有所降低。从东8-1轨道巷围岩破坏近景图（见图3（c））可以看出，轨道巷开挖后仅直接顶岩层出现离层现象，由此可以推断，此类条件下巷道掘进对顶板覆岩破坏较轻，破坏高度约为1.8m。在离采空区较近处于应力集中区煤柱内掘进皮带巷时上覆岩层最大破坏高度约3.3m。

图3 轨道巷掘进围岩破坏模拟结果（基岩厚度20m）

4 围岩破坏高度与安全煤岩柱的综合确定

4.1 巷道掘进围岩破坏高度的综合确定

根据模拟结果可知，在基岩厚度为20m条件下，东8-1工作面皮带巷掘进覆岩最大破坏高度为3.3m，东8-1工作面轨道巷覆岩最大破坏高度为1.8m。巷道掘进的覆岩导水裂隙带高度即为巷道围岩破坏范围。按垮落拱平衡理论计算围岩破坏范围小于2m，这与模拟结果基本一致；同时，按一般传统经验和查阅相关资料所得结果，类似条件下，围岩破坏范围一般不超过巷道宽度，即＜3.6m，与模拟结果（3.3m）基本一致。

综上分析，为安全起见，本次巷道掘进围岩破坏高度选取较大值，即3.3m。同时在此基础上，选取1.5倍的安全系数，即最终东8-1工作面巷道掘进围岩最大破坏高度确定约为5.0m。

4.2 浅部巷道掘进安全煤岩柱尺寸的确定

据前述内容可知，区域顶板砂岩水已趋于疏干，第四系下组底含的富水性弱，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》可留设防砂煤岩柱。考虑到《煤矿防治水细则》[4]第九十三条规定“防隔水煤（岩）柱的尺寸不得小于20m”，本次东8-1工作面浅部巷道掘进按留设安全防水煤岩柱进行分析。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中相关规定，结合东8-1工作面的开采参数和地质采矿条件，3煤顶板以泥岩为主，受风氧化作用岩体强度降低，属于中硬-软弱类型，根据工作面附近井下探查情况可知，工作面上覆松散层底部赋存粘土层，为安全起见，保护层按中硬类型选取，其防水安全煤岩柱的保护层厚度应按式（1）计算：

式中：

∑M-采高，m；

n-分层层数。

将巷道掘进最大高度2.5m，代入相应参数，得到保护层厚度为：

Hb=2.5×4=10.0m

东8-1工作面巷道掘进条件下的防水安全煤岩柱的厚度（Hsh=HLi+Hb）则为15.0m。

综上分析，根据横河煤矿东8-1工作面的具体情况，可以按留设防砂安全煤岩柱进行开采，巷道可按留设防砂煤岩柱进行掘进，而即使按防水安全煤岩柱留设，巷道掘进所需最小防水煤岩柱厚度为15.0m，仍小于工作面最小基岩厚度20m。因此，在全面落实安全技术措施的前提下进行掘进是安全可行的。

5 结论

（1）运用数值模拟对巷道掘进围岩破坏特征进行了综合分析，最终确定东8-1工作面巷道掘进围岩最大破坏高度约5.0m。

（2）东8-1工作面可以按留设防砂安全煤岩柱进行开采，巷道可按留设防砂煤岩柱进行掘进，而即使按防水安全煤岩柱留设，巷道掘进所需最小防水煤岩柱厚度为15.0m，仍小于工作面最小基岩厚度20m。因此，在全面落实安全技术措施的前提下进行掘进是安全可行的。