煤礦露天水倉滲流對(duì)井工巷道的影響

趙錦生 ，李曉俊 ，王 勇 ，趙志強(qiáng)

（1.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)神公司 大南湖二礦，新疆 哈密 100120；2.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)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(tài)勢(shì)[1-2]。在礦床覆蓋層逐漸變薄且延伸較長(zhǎng)的露天煤礦企業(yè)，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(zhuǎn)為地下開采，以達(dá)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(zhuǎn)地下開采后因積水下滲會(huì)對(duì)井工巷道產(chǎn)生不利影響，針對(duì)此問題相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一定的研究工作[6]。孫珍平[7]對(duì)滲流作用下巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列研究，探究了應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等變化規(guī)律；榮傳新等[8]對(duì)滲流作用下的圍巖穩(wěn)定孔隙水壓力的臨界值進(jìn)行了摸索；孫秀東[9]通過流固耦合的分析理論對(duì)巷道開挖后滲流場(chǎng)等相關(guān)因素進(jìn)行計(jì)算，探討流固耦合手段的優(yōu)勢(shì)。

基于此，以內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司西露天煤礦為研究對(duì)象，分析、計(jì)算、評(píng)價(jià)在露天開采轉(zhuǎn)地下開采過程后露天采區(qū)的兩翼水倉對(duì)井工采區(qū)巷道的影響；研究成果可對(duì)該礦山露天邊坡的穩(wěn)定及井工巷道的安全開采提供技術(shù)支撐，也可以為其他具有類似情況的露天轉(zhuǎn)地下煤礦的設(shè)計(jì)和開采運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司西露天煤礦（以下簡(jiǎn)稱西露天煤礦），行政隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市元寶山區(qū)。西露天煤礦2016 年12月經(jīng)技術(shù)改造后，結(jié)束露天開采工作，進(jìn)入井工開采區(qū)，為露天開采轉(zhuǎn)地下開采煤礦。

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

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

因環(huán)保要求，水倉積水不能外排，同時(shí)受礦坑周邊巖層滲水及降雨積累影響，礦坑內(nèi)積水量逐漸增加。為探究煤礦露天水倉滲流對(duì)井工巷道的影響，避免礦坑積水對(duì)井工開采產(chǎn)生水害隱患，采用FLAC3D數(shù)值模擬手段對(duì)礦坑積水與井工巷道間相互關(guān)系及影響進(jìn)行流固耦合分析、研究、評(píng)價(jià)。

2 基于流固耦合理論的數(shù)值模擬分析

2.1 流固耦合理論原理

在煤礦露天開采轉(zhuǎn)地下開采過程中，滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用，這種現(xiàn)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(shí)間且并非必須項(xiàng)。一般情況下可以采用不同程度的不耦合方法簡(jiǎn)化計(jì)算。為此采用不完全流固耦合方法，先計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)變化，再進(jìn)行滲流模式計(jì)算。這種方法在不影響計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，極大減少了計(jì)算時(shí)間。FLAC3D流固耦合計(jì)算步驟流程如圖2，右邊為計(jì)算模型應(yīng)力場(chǎng)步驟，左邊為開啟滲流場(chǎng)后模型的計(jì)算步驟。

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

2.2 兩翼水倉數(shù)值模型

兩翼水倉數(shù)值模型如圖3。

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

以北翼水倉標(biāo)高+296～+464 m 剖面為研究對(duì)象，進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，現(xiàn)場(chǎng)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(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆探，按現(xiàn)場(chǎng)土層分布進(jìn)行一定的簡(jiǎn)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(cè)考慮成不透水邊界，巷道四周設(shè)置成透水邊界面，基本上還原現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況。

以南部水倉標(biāo)高+320～+500 m 剖面為研究對(duì)象，進(jìn)行滲流穩(wěn)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(shè)置同北翼水倉。

通過兩翼水倉數(shù)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(duì)井工巷道強(qiáng)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(biāo)高為+356 m，南翼水倉常水位標(biāo)高為+370 m。為分析常水位情況下水倉滲流對(duì)井工巷道穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D軟件對(duì)分別對(duì)巷道及水倉位移及滲流情況進(jìn)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?fù)翆泳鶠閹r質(zhì)砂土，土體強(qiáng)度較高，周圍土體狀態(tài)較為穩(wěn)定。故巷道歷經(jīng)開挖后，對(duì)周圍土體擾動(dòng)不大。兩翼水倉影響井工巷道處最大沉降均發(fā)生在巷道頂部，兩翼水倉最大沉降均發(fā)生在水位面左下側(cè)。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(jīng)計(jì)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(duì)巷道的影響，滲流主力集中區(qū)域位于巷道底部，由計(jì)算結(jié)果可知需對(duì)道底部進(jìn)行一定的防水措施，從而提高巷道的穩(wěn)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(duì)巷道穩(wěn)定的影響，對(duì)比常水位工況與極限水位滲流工況兩者沉降參數(shù)；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(duì)巷道進(jìn)行位移及滲流分析，探究巷道穩(wěn)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(chǎng)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?yàn)橄锏浪谖恢孟噜復(fù)馏w強(qiáng)度較高，狀態(tài)較穩(wěn)定。故巷道歷經(jīng)開挖后，對(duì)周圍土體擾動(dòng)不大。南北翼水倉沉降位置及應(yīng)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(dá)到+371 m，南翼水倉水位面較常水位提升3.7 m 達(dá)到+373.7 m。兩者最大沉降發(fā)生在水位面左下側(cè)。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(duì)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(yīng)重點(diǎn)關(guān)注南翼水倉的有關(guān)情況。

2）極限水位滲流分析。經(jīng)計(jì)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(duì)巷道的影響，滲流主力集中區(qū)域位于巷道底部，需對(duì)巷道底部進(jìn)行一定的防水措施，從而提高巷道的穩(wěn)定性。

2.5 2 種工況下滲流影響巷道情況對(duì)比

為探究2 種水位工況下，水倉滲流對(duì)井工巷道的影響，將其進(jìn)行對(duì)比研究。兩翼水倉常水位工況與極限水位工況巷道孔壓對(duì)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(cè)下、巷道左側(cè)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(cè)下、巷道左側(cè)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(cè)下、巷道左側(cè)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(dān)著巨大的壓力，同時(shí)在極限水位時(shí)，其他部位與巷道底部增加孔壓相比有著數(shù)量級(jí)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(yīng)該主要觀測(cè)巷道底部的孔壓；并且時(shí)刻觀察露天水倉水位變化，一旦到達(dá)極限水位條件，此時(shí)因底部滲水導(dǎo)致破壞的可能性更大，應(yīng)加強(qiáng)井工巷道的安全管理工作，以免發(fā)生危險(xiǎn)。使用FLAC3D軟件計(jì)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(shù)規(guī)范中對(duì)于隧道工程防水等級(jí)為二級(jí)的0.05×10-3m3/（d·m2）要求，均為正常值，不影響正常生產(chǎn)進(jìn)行。

3 結(jié) 語

采用FLAC3D軟件，對(duì)平莊西露天煤礦露采轉(zhuǎn)地采后常水位及極限水位2 種工況下兩翼露天水倉對(duì)井工巷道的影響進(jìn)行數(shù)值分析研究。2 種工況下巷道位移變形塑性區(qū)均沒有形成貫通趨勢(shì)，巷道在滲流影響下沒有發(fā)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(zhǎng)，但是最大滲流量均滿足規(guī)范要求?？紤]到地質(zhì)的復(fù)雜性、長(zhǎng)期滲流及孔壓作用下，巷道圍巖強(qiáng)度下降或者會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期蠕變變形，因此坑底及水池需采取防排水措施。