關(guān)鍵層厚度對(duì)大斷面巷道穩(wěn)定性影響研究＊

左建平 趙洪寶 張國(guó)彬

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

煤炭開采會(huì)引起采空區(qū)覆巖的移動(dòng)，而覆巖移動(dòng)規(guī)律與巖層的物理力學(xué)性質(zhì)息息相關(guān)。有關(guān)巖層移動(dòng)理論很多，目前國(guó)內(nèi)主要的理論是巖層移動(dòng)的關(guān)鍵層理論。該理論的主要觀點(diǎn)是當(dāng)煤層上覆巖層中存在多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，各堅(jiān)硬巖層因其變形和破斷特征不同而對(duì)其采場(chǎng)頂板巖層運(yùn)動(dòng)所起的作用不同，把對(duì)覆巖全部或局部起決定作用的巖層稱為關(guān)鍵層，或稱主關(guān)鍵層。近幾年一些學(xué)者把關(guān)鍵層理論用于保水開采技術(shù)中，通過研究建立了保水采煤的隔水關(guān)鍵層模型，系統(tǒng)分析了關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)對(duì)關(guān)鍵層破斷、采場(chǎng)來壓、巖層移動(dòng)、采動(dòng)裂隙分布以及地表沉陷的影響。

可以說，巖層控制的關(guān)鍵層理論得到學(xué)術(shù)界和采礦工程界的普遍關(guān)注和認(rèn)可，關(guān)鍵層理論也在煤炭行業(yè)多個(gè)研究領(lǐng)域得到了較好的推廣應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但有關(guān)巖層關(guān)鍵層厚度確定及其對(duì)巷道變形、沉降的影響研究還較少。本文將以潞安五陽煤礦為例，模擬分析了主關(guān)鍵層厚度對(duì)大斷面巷道的變形影響，并提出了臨界關(guān)鍵層厚度。

1 五陽礦7602工作面地質(zhì)概況

五陽煤礦7602工作面的巷道斷面設(shè)計(jì)尺寸為4m×3m （寬×高），屬于大斷面巷道。巷道偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.3～0.5 m，節(jié)理發(fā)育，易垮落。直接頂為泥巖，厚度為4.0～5.0m，黑色、塊狀?；卷?（老頂）為細(xì)粒到中粒砂巖，厚度為7.0～8.5m，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖性堅(jiān)硬，厚層狀構(gòu)造。所采3＃煤層厚度約為6.3 m。直接底為泥巖，厚度5.0～5.5m。老頂對(duì)巷道穩(wěn)定性有重要的影響。距離巷道頂板約76.3 m 處有一層厚約16～18 m的粗粒石英砂巖，巖性堅(jiān)硬，該層與上覆巖層形成自身穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)巨大的壓力拱，巷道上覆巖層的離層現(xiàn)象主要出現(xiàn)在該層以下，而該層之上只出現(xiàn)小的離層及位移。該層與3＃煤層之間間隔分布幾層巖性堅(jiān)硬的石英砂巖、砂巖等，厚度3.0～10.0m，這幾層堅(jiān)硬的巖層對(duì)巷道的穩(wěn)定性有著重要的影響，尤其是巷道上方的堅(jiān)硬巖層更是對(duì)巷道有著決定性的作用，所以稱之為關(guān)鍵層。下面以此為計(jì)算模型，討論不同厚度關(guān)鍵層 （老頂）影響下覆巖變形和移動(dòng)規(guī)律。

2 不同關(guān)鍵層厚度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

在關(guān)鍵層理論中，關(guān)鍵層在斷裂后將會(huì)被看作是“板”或簡(jiǎn)化為 “梁”的結(jié)構(gòu)來承載上覆巖層的重量，無論是 “板”結(jié)構(gòu)還是 “梁”結(jié)構(gòu)，它的厚度對(duì)強(qiáng)度的影響很大；同樣，當(dāng)關(guān)鍵層斷裂后形成砌體梁結(jié)構(gòu)，而厚度也對(duì)其有著重要的影響。本文采用不連續(xù)變形DDA 數(shù)值方法來分析關(guān)鍵層厚度對(duì)大斷面巷道的影響，假設(shè)基本頂砂巖的厚度分別為0m、3m、5m、8m（實(shí)際情況）、10m、12m和15m，煤巖體的基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1。

表1 巷道圍巖巖石的力學(xué)參數(shù)

通過DDA 模擬顯示，從始至終堅(jiān)硬的砂巖基本頂都承擔(dān)了較大的應(yīng)力，說明上覆巖層直至地表巖層的自重和構(gòu)造應(yīng)力主要作用在該層上。隨著該層厚度逐漸減小，應(yīng)力主要集中到了巷道上方，巷道上方幾米至十幾米甚至更高的區(qū)域都出現(xiàn)了較高的應(yīng)力集中，這些應(yīng)力對(duì)巷道的變形產(chǎn)生了重要的影響。

當(dāng)關(guān)鍵層的厚度達(dá)到15m 或者12m，巖層基本穩(wěn)定，大斷面巷道周圍的變形較小，并且兩者的應(yīng)力場(chǎng)基本相同；當(dāng)關(guān)鍵層的厚度達(dá)到10m 或者8m，隨著關(guān)鍵厚度逐漸減少，圍巖變形加劇，并且局部區(qū)域出現(xiàn)了圍巖破壞；當(dāng)關(guān)鍵層厚度進(jìn)一步減少到5m、3m 和0m，此時(shí)上覆巖層的沉降加大，巷道變形破壞嚴(yán)重。從巷道局部范圍看，應(yīng)力主要集中在巷道的頂部和角幫，而在兩幫和頂板則由于破碎導(dǎo)致了局部的應(yīng)力卸載區(qū)。在對(duì)五陽礦大斷面巷道的現(xiàn)場(chǎng)觀察過程中，發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，初始破壞裂紋往往都是出現(xiàn)在頂板中部及角端，隨著時(shí)間推移，兩幫的巖體會(huì)變得非常破碎，底臌現(xiàn)象也會(huì)非常嚴(yán)重。

從能量的角度來看，堅(jiān)硬巖石的彈性模量較大，更易于儲(chǔ)存較多彈性能，而較軟弱圍巖易發(fā)生變形甚至塑性流動(dòng)，不易積攢過多的能量而引起過高的應(yīng)力。當(dāng)巷道頂部有砂巖時(shí)，砂巖層較為堅(jiān)硬，不易發(fā)生位移，所以會(huì)在該層積攢過高的能量而使得應(yīng)力比較高。隨著該層厚度逐漸減小，巖體整體強(qiáng)度也會(huì)下降，這會(huì)使得該層逐漸發(fā)生位移甚至斷裂，此時(shí)能量便逐漸向周圍巖體轉(zhuǎn)移，這就減小了砂巖層內(nèi)的應(yīng)力。由此可見，能量總是會(huì)沿著更易于發(fā)生位移的方向傳遞。這就是為什么當(dāng)巷道上方覆蓋很厚的軟弱泥巖層時(shí)，應(yīng)力會(huì)集中到巷道的上方，如關(guān)鍵層厚度為0 m 的模擬結(jié)果，巷道上部很大范圍內(nèi)均是泥巖層，由于泥巖層較軟弱，可視為松散體，當(dāng)巷道開挖后很容易向巷道坍落，此時(shí)能量會(huì)沿著位移或應(yīng)變的方向釋放，所以應(yīng)力不會(huì)向水平方向傳遞。

圖1為不同關(guān)鍵層厚度情況下大斷面巷道上部巖體的位移曲線，圖1 顯示，無論關(guān)鍵層厚度多大，從頂板向上垂直位移呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。不同厚度時(shí)位移呈現(xiàn)出不同的變化情況，隨著關(guān)鍵層厚度減小，巷道頂板位移會(huì)不斷增加，尤其是在頂板附近。由于基本頂能夠起到支撐上部荷載的作用，這就類似于板或者梁結(jié)構(gòu)，厚度越大越不容易發(fā)生破壞，垂直位移也越小。當(dāng)關(guān)鍵層厚度小于10 m時(shí)，關(guān)鍵層越厚，巖層位移越?。坏?dāng)關(guān)鍵層厚度超過12m 時(shí)，例如12m 和15m，這時(shí)上覆巖層的下沉位移基本相同，并且與前面相比，下沉位移減少很大。可見當(dāng)關(guān)鍵層厚度超過一定值時(shí)，圍巖的下沉基本保持恒定，因此關(guān)鍵層厚度應(yīng)該存在一個(gè)臨界值。本文的模擬結(jié)果顯示，該值約為12m。而五陽煤礦的主關(guān)鍵層巖層只有8 m 左右，巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生較大的變形，因此需要提前采取措施加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 不同關(guān)鍵層厚度影響下頂板的垂直位移

3 結(jié)論

關(guān)鍵巖層對(duì)巷道圍巖的變形破壞起著決定性的作用，在大斷面巷道中該影響更為突出。本文通過不連續(xù)變形數(shù)值分析方法，對(duì)五陽煤礦的大斷面巷道進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果表明，對(duì)于大斷面巷道存在一個(gè)臨界關(guān)鍵層厚度，關(guān)鍵層厚度超過這個(gè)臨界值時(shí)，巷道的變形很小，幾乎可以不采取加固措施；但當(dāng)關(guān)鍵層厚度小于該臨界值時(shí)，巷道圍巖存在一定變形，這取決于關(guān)鍵層厚度及周圍巖石的物理力學(xué)特征。對(duì)于五陽煤礦寬4m、高3m 的大斷面巷道，臨界關(guān)鍵層厚度約為12 m；而五陽煤礦老頂厚度8m，小于該臨界關(guān)鍵層厚度，因此需要采取加固措施。本文的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)關(guān)鍵層在覆巖移動(dòng)規(guī)律中所起的作用具有一定指導(dǎo)意義。

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