煤矿露天水仓渗流对井工巷道的影响

赵锦生 ，李晓俊 ，王 勇 ，赵志强

（1.国家能源集团国神公司 大南湖二矿，新疆 哈密 100120；2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110066）

随着能源需求的不断增加，露天煤矿资源开采难度呈增加态势[1-2]。在矿床覆盖层逐渐变薄且延伸较长的露天煤矿企业，这种问题尤为突出。因此很多露天煤矿在开采阶段的中后期逐渐转为地下开采，以达到增加资源量，减少开采成本的目的[3-5]。

露天开采过程中受大气降水、地表及地下径流影响；建立水仓，后期转地下开采后因积水下渗会对井工巷道产生不利影响，针对此问题相关学者进行了一定的研究工作[6]。孙珍平[7]对渗流作用下巷道围岩的稳定性进行了一系列研究，探究了应力场、位移场等变化规律；荣传新等[8]对渗流作用下的围岩稳定孔隙水压力的临界值进行了摸索；孙秀东[9]通过流固耦合的分析理论对巷道开挖后渗流场等相关因素进行计算，探讨流固耦合手段的优势。

基于此，以内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司西露天煤矿为研究对象，分析、计算、评价在露天开采转地下开采过程后露天采区的两翼水仓对井工采区巷道的影响；研究成果可对该矿山露天边坡的稳定及井工巷道的安全开采提供技术支撑，也可以为其他具有类似情况的露天转地下煤矿的设计和开采运行提供参考。

1 工程概况

内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司西露天煤矿（以下简称西露天煤矿），行政隶属于内蒙古自治区赤峰市元宝山区。西露天煤矿2016 年12月经技术改造后，结束露天开采工作，进入井工开采区，为露天开采转地下开采煤矿。

西露天煤矿露采矿坑底部现存南翼和北翼2处水仓，该矿南翼水仓距井工开采运输大巷较近，北翼水仓距井工开采工作面较近，2 个水仓对矿井巷道有渗流影响。露天水仓与井工巷道位置关系剖面图如图1。

图1 露天水仓与井工巷道位置关系剖面图Fig.1 Sectional view of the relationship between open pit water chamber and shaft workings

因环保要求，水仓积水不能外排，同时受矿坑周边岩层渗水及降雨积累影响，矿坑内积水量逐渐增加。为探究煤矿露天水仓渗流对井工巷道的影响，避免矿坑积水对井工开采产生水害隐患，采用FLAC3D数值模拟手段对矿坑积水与井工巷道间相互关系及影响进行流固耦合分析、研究、评价。

2 基于流固耦合理论的数值模拟分析

2.1 流固耦合理论原理

在煤矿露天开采转地下开采过程中，渗流场与应力场相互作用，这种现象叫流固耦合[10]。在流固耦合分析过程中，完全耦合需消耗大量时间且并非必须项。一般情况下可以采用不同程度的不耦合方法简化计算。为此采用不完全流固耦合方法，先计算应力场变化，再进行渗流模式计算。这种方法在不影响计算精度的基础上，极大减少了计算时间。FLAC3D流固耦合计算步骤流程如图2，右边为计算模型应力场步骤，左边为开启渗流场后模型的计算步骤。

图2 FLAC3D 流固耦合计算步骤流程Fig.2 FLAC3D fluid-structure interaction calculation process

2.2 两翼水仓数值模型

两翼水仓数值模型如图3。

图3 两翼水仓数值模型Fig.3 Numerical model of two-wing water chamber

以北翼水仓标高+296～+464 m 剖面为研究对象，进行渗流稳定性分析，现场积水面高程+356 m，巷道高程+345.26 m 位于煤层，距离积水处水平方向73.65 m。如图3（a），模型总高度168 m，总宽度为321.16 m，模型土层条件经现场实际钻探，按现场土层分布进行一定的简化处理，土体采用摩尔库伦模型。由于模型尺寸足够大故将模型底部及两侧考虑成不透水边界，巷道四周设置成透水边界面，基本上还原现场地质情况。

以南部水仓标高+320～+500 m 剖面为研究对象，进行渗流稳定性分析，水面高程+370 m，巷道高程+332～+339 m，位于煤层，距离积水处水平方向163～198 m。如图3（b），其中模型总高度180 m，水平方向总宽度为407 m。模型条件设置同北翼水仓。

通过两翼水仓数值模型在正常水位工况下及极端降雨条件下水仓及井工巷道的位移沉降、渗流情况，分析渗流对井工巷道强度的影响。

2.3 常水位水仓渗流影响分析

北翼水仓常水位标高为+356 m，南翼水仓常水位标高为+370 m。为分析常水位情况下水仓渗流对井工巷道稳定性的影响，采用FLAC3D软件对分别对巷道及水仓位移及渗流情况进行分析。常水位情况下南、北翼巷道及水仓开挖沉降云图如图4，南、北翼水仓常水位工况下孔压分布如图5，两翼常水位工况渗流矢量图如图6。

图4 常水位工况两翼巷道及水仓沉降模型Fig.4 Settlement model of roadway and water chamber in both wings under constant water level condition

图5 常水位工况两翼孔压分布云图Fig.5 Hole pressure distribution cloud diagrams of two wings under constant water level condition

图6 常水位工况两翼渗流矢量图Fig.6 Seepage vector diagrams of two wings under constant water level condition

1）常水位巷道及水仓开挖沉降分析。由于巷道处于煤层，上下相邻土层均为岩质砂土，土体强度较高，周围土体状态较为稳定。故巷道历经开挖后，对周围土体扰动不大。两翼水仓影响井工巷道处最大沉降均发生在巷道顶部，两翼水仓最大沉降均发生在水位面左下侧。常水位巷道及水仓开挖沉降位移为：①北翼：开挖巷道最大沉降74.6 mm，常水位最大沉降153.0 mm，开挖巷道最大隆起59.2 mm，常水位最大隆起6.11 mm；②南翼：开挖巷道最大沉降18.7 mm，常水位最大沉降138.5 mm，开挖巷道最大隆起14.2 mm，常水位最大隆起10.0 mm。

2）常水位渗流分析。经计算在常水位工况下两翼水仓不同位置最大孔隙水压力为：①北翼水仓：模型最大孔隙水压力586.78 kPa，积水面最大孔隙水压力147.98 kPa；②南翼水仓：模型最大孔隙水压力639.86 kPa，积水面最大孔隙水压力148.18 kPa，水仓底部最大孔隙水压力26.0 kPa。通过渗流路径得到渗流对巷道的影响，渗流主力集中区域位于巷道底部，由计算结果可知需对道底部进行一定的防水措施，从而提高巷道的稳定性。

2.4 极端降雨条件水仓渗流影响分析

为探究极限降雨工况下渗流作用对巷道稳定的影响，对比常水位工况与极限水位渗流工况两者沉降参数；北翼水仓极限降雨水位+371.0 m，南翼水仓极端降雨水位+373.7 m，对巷道进行位移及渗流分析，探究巷道稳定性。极限水位工况下，南北翼巷道及水仓开挖沉降云图如图7，极限水位两翼孔压分布云图如图8，极限水位工况下两翼巷道渗流场矢量图如图9。

图7 极限水位工况两翼巷道及水仓沉降模型Fig.7 Settlement model of roadway and water tank in both wings under extreme water level condition

图8 极限水位工况两翼孔压分布云图Fig.8 Hole pressure distribution cloud diagrams of two wings under extreme water level condition

图9 极限水位工况两翼渗流矢量图Fig.9 Seepage vector diagrams of two wings under extreme water level condition

1）极限水位工况巷道及水仓开挖沉降分析。与常水位情况类似，因为巷道所在位置相邻土体强度较高，状态较稳定。故巷道历经开挖后，对周围土体扰动不大。南北翼水仓沉降位置及应力释放值与常水位工况相同。极限水位工况下，北翼水仓水位面较常水位提升15 m 达到+371 m，南翼水仓水位面较常水位提升3.7 m 达到+373.7 m。两者最大沉降发生在水位面左下侧。极限水位工况巷道及水仓开挖沉降位移为：①北翼：开挖巷道最大沉降74.6 mm，极限水位最大沉降168.7 mm，开挖巷道最大隆起59.2 mm，极限水位最大隆起6.84 mm；②南翼：开挖巷道最大沉降18.7 mm，极限水位最大沉降231.8 mm，开挖巷道最大隆起14.2 mm，极限水位最大隆起22.0 mm。相较于常水位，极限水位影响不大。对于南翼水仓，虽然水位面提升不大，但是受影响情况较为明显，应重点关注南翼水仓的有关情况。

2）极限水位渗流分析。经计算在极限水位工况下两翼水仓不同位置最大孔隙水压力为：①北翼水仓：模型最大孔隙水压力734.89 kPa，积水面最大孔隙水压力362.80 kPa，水仓底部最大孔隙水压力32.80 kPa；②南翼水仓：模型最大孔隙水压力691.45 kPa，积水面最大孔隙水压力198.14 kPa，水仓底部最大孔隙水压力26.40 kPa。与常水位工况相同，通过渗流路径得到渗流对巷道的影响，渗流主力集中区域位于巷道底部，需对巷道底部进行一定的防水措施，从而提高巷道的稳定性。

2.5 2 种工况下渗流影响巷道情况对比

为探究2 种水位工况下，水仓渗流对井工巷道的影响，将其进行对比研究。两翼水仓常水位工况与极限水位工况巷道孔压对比如下：

1）北翼水仓2 工况巷道孔压。①常水位工况巷道孔压：巷道顶部及右、巷道左侧下、巷道左侧上、巷道底部分别为0、3.50、0、23.6 kPa；②极限水位工况巷道孔压：巷道顶部及右、巷道左侧下、巷道左侧上、巷道底部分别为0、3.59、0.31、32.8 kPa；③极限水位工况较常水位工况巷道孔压增加量：巷道顶部及右、巷道左侧下、巷道左侧上、巷道底部分别为+0、+0.09、+0.31、+9.20 kPa。

2）南翼水仓2 工况巷道孔压。①常水位工况巷道孔压：巷道顶部、巷道左下、巷道左上、巷道右部、巷道底部分别为0、14.85、0、13.94、26.00 kPa；②极限水位工况巷道孔压：巷道顶部、巷道左下、巷道左上、巷道右部、巷道底部分别为0、15.06、0、14.11、26.40 kPa；③极限水位工况较常水位工况巷道孔压增加量：巷道顶部、巷道左下、巷道左上、巷道右部、巷道底部分别为+0、+0.21、0、+0.17、+0.40。

可以看出，常水位与极限水位工况下，巷道底部都承担着巨大的压力，同时在极限水位时，其他部位与巷道底部增加孔压相比有着数量级的差距，可以得出露天水仓渗流压力主要集中在巷道底部，应该主要观测巷道底部的孔压；并且时刻观察露天水仓水位变化，一旦到达极限水位条件，此时因底部渗水导致破坏的可能性更大，应加强井工巷道的安全管理工作，以免发生危险。使用FLAC3D软件计算的两翼巷道不同工况下渗流量见表1。

表1 两翼巷道不同工况下渗流量Table 1 Seepage flow table under different working conditions of the roadway in both wings

两翼巷道常水位和极端降雨条件下，均满足GB 50108—2008 地下工程防水技术规范中对于隧道工程防水等级为二级的0.05×10-3m3/（d·m2）要求，均为正常值，不影响正常生产进行。

3 结 语

采用FLAC3D软件，对平庄西露天煤矿露采转地采后常水位及极限水位2 种工况下两翼露天水仓对井工巷道的影响进行数值分析研究。2 种工况下巷道位移变形塑性区均没有形成贯通趋势，巷道在渗流影响下没有发生整体塑性贯通破坏及透水破坏。极限水位工况下，两翼巷道底部渗流量均有明显增长，但是最大渗流量均满足规范要求。考虑到地质的复杂性、长期渗流及孔压作用下，巷道围岩强度下降或者会产生长期蠕变变形，因此坑底及水池需采取防排水措施。