趙固一礦巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型與 穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

馮吉成，石建軍，張鳳巖，師浩宇，郭書英，彭 瑞，肖 建

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2. 北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

我國煤巷工程量浩大，每年新掘巷道高達2萬多千米，而煤礦巖體多處于沉積巖環(huán)境中，由于沉積環(huán)境及變質(zhì)-混合作用的不同，在幾百米或者甚至幾十米范圍內(nèi)巖體性質(zhì)都會發(fā)生變化，而煤巷就處于這樣的復(fù)雜多樣且變化無常的地層條件中，使巷道頂板性質(zhì)如巖性、厚度和結(jié)構(gòu)組合等千差萬別，在巷道頂板垂直方向上，巖性不斷交替變化，在水平方向上，不同巖層厚度增大、變薄甚至尖滅，或巖層由于受軟弱夾層(夾矸)厚度變化的影響而發(fā)生合并或分叉，從而在不同的位置上頂板巖層的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出顯著差異性[1-3]。

在研究巷道層狀頂板穩(wěn)定性方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，取得了豐富的研究成果。國外學(xué)者Sofianos A.I.[4]運用離散元方法研究了錨桿支護情況下層狀復(fù)合頂板穩(wěn)定性，國內(nèi)學(xué)者陳炎光、陸士良[5]將巷道頂板失穩(wěn)影響因素歸為四大類：自然地質(zhì)因素、工程質(zhì)量因素、采掘工程影響、礦井工程技術(shù)人員未嚴(yán)格執(zhí)行頂板安全規(guī)程；賈蓬，唐春安等[6]采用RFPA2D方法研究認為巖梁的厚跨比對層狀巷道失穩(wěn)有重要影響；黃旭、馬念杰等[7]采用RFPA2D方法研究巷道層狀頂板失穩(wěn)主要與頂板巖層性質(zhì)、賦存狀態(tài)等因素有關(guān)，但其中軟巖厚度的變化是頂板失穩(wěn)主要因素；林崇德等[8]采用離散元方法研究了錨桿作用下巷道層狀頂板穩(wěn)定性；黃達，康天合[9]認為層狀頂板巖體破壞冒頂是主要是由側(cè)壓系數(shù)λ決定；楊建輝[10]揭示層狀頂板巖體在垂直應(yīng)力作用下，巖層內(nèi)節(jié)理、裂隙使層狀轉(zhuǎn)化為鉸接拱，承載結(jié)構(gòu)破壞，水平應(yīng)力作用下，拱鉸接破碎壓壞，煤巷層狀結(jié)構(gòu)頂板在垂直和水平應(yīng)力下最終會形成組合鉸接拱結(jié)構(gòu)。賈明魁[11]將冒頂原因分四大類、十二個亞類，認為層狀圍巖體巷道頂板巖層的組合劣化是導(dǎo)致冒頂?shù)淖畲笤?；劉洪濤等[12]建立了巷道頂板巖層力學(xué)模型，闡明了穩(wěn)定巖層與冒頂隱患之間的關(guān)系；蔣力帥等[13]基于成巖環(huán)境和現(xiàn)場大量檢測資料結(jié)果，將巷道復(fù)合頂板劃分7種類型；朱永建[14，15]根據(jù)神東礦區(qū)淺埋礦井大量鉆孔資料、巖芯和鉆孔窺視結(jié)果，將神東礦區(qū)煤巷頂板巖層結(jié)構(gòu)劃分8種類型。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，以趙固一礦現(xiàn)場頂板窺視和礦區(qū)大量鉆孔資料結(jié)果，分析了趙固一礦巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型，采用UDEC離散元數(shù)值模擬方法，研究了趙固一礦不同巖層組合巷道頂板破壞特征與破斷規(guī)律，基于趙固一礦已掘和未掘巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的支護形式與支護參數(shù)進行評價和修正，保證掘采期間巷道頂板穩(wěn)定。

1 礦井地質(zhì)條件

趙固一礦為焦作煤業(yè)集團的新建礦井，主采煤層為2-1煤，厚度為6.0～6.59m，平均6.32m，煤層傾角2°～6°，主要可采煤層2-1煤頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 11031工作面煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2 巷道復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)類型

2.1 巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)探測

巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)直接影響到巷道錨桿錨索支護范圍與支護效果，本文主要在趙固一礦東軌道、西運輸、西軌道以及工作面巷道11031上巷和11031下巷分別進行頂板鉆孔窺視試驗，測點布置詳見表2。

表2 頂板鉆孔窺視測點布置表

窺視結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，東軌道91上巷以東觀測8m范圍內(nèi)巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)均為泥巖，泥巖厚度較大，窺視孔0～2.5m范圍內(nèi)頂板較為破碎，有較小離層發(fā)生，4～7m左右頂板發(fā)生離層，通過窺視錄像可知離層發(fā)生的距離不大。

圖1 東軌道91上巷以東區(qū)域巖層典型鉆孔窺視圖

西軌道軌膠二聯(lián)巷區(qū)域巖層典型鉆孔窺視情況如圖2所示。西軌道軌運二聯(lián)巷觀測8m范圍內(nèi)有泥巖，砂巖，砂質(zhì)泥巖，其中泥巖占大部分，泥巖變質(zhì)程度較為明顯，在觀測范圍內(nèi)0～4m范圍內(nèi)均觀測到明顯的破碎帶，且在0～4m范圍內(nèi)有離層發(fā)生。

圖2 西軌道軌運二聯(lián)巷區(qū)域巖層典型鉆孔窺視圖

11031上、下巷觀測區(qū)域巖層典型鉆孔窺視情況如圖3、圖4所示。11031上巷觀測范圍內(nèi)巖芯主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，泥巖和砂巖占絕大部分。窺視孔內(nèi)0～1m范圍內(nèi)頂板較為破碎，裂隙較為發(fā)育，3～5m有裂隙存在，5～7m左右孔內(nèi)巖石完整性較好。

圖3 11031上巷觀測區(qū)域巖層典型鉆孔窺視圖

圖4 11031下巷觀測區(qū)域巖層典型鉆孔窺視圖

11031下巷觀測區(qū)域內(nèi)主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，其中主要成分為泥巖，砂巖集中出現(xiàn)在260～360m之間，窺視孔5～7m范圍內(nèi)出現(xiàn)豎向裂隙，從裂隙的發(fā)育狀況來看，巖石承受著較大的壓力，且?guī)r層間存在小離層。

2.2 巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)趙固一礦現(xiàn)場窺視和礦區(qū)鉆孔資料分析結(jié)果，趙固一礦二1煤層頂板(0～8m范圍內(nèi))巖層結(jié)構(gòu)類型主要由如下6種組合形式，如圖5所示。

圖5 趙固一礦二1煤層頂板賦存狀況

①二1煤層頂板由強度較低的單一厚層狀的砂質(zhì)泥巖或泥巖構(gòu)成或砂質(zhì)泥巖和泥巖組合構(gòu)成(單一厚軟)；②二1煤層頂板下部由厚層狀的砂質(zhì)泥巖或泥巖構(gòu)成，頂板上部由厚層狀的砂巖構(gòu)成(厚軟厚硬)；③二1煤層頂板下部由薄層狀的泥巖構(gòu)成，頂板上部由厚層狀的砂巖構(gòu)成(薄軟厚硬)；④二1煤層頂板下部由薄層狀的砂巖構(gòu)成，頂板上部由厚層狀的泥巖構(gòu)成(薄硬厚軟)；⑤二1煤層頂板下部由厚層狀的泥巖構(gòu)成，頂板上部由薄層狀的泥巖構(gòu)成(厚硬薄軟)；⑥二1煤層頂板從下到上軟硬相間的薄層狀互層構(gòu)成(軟硬薄互層)。

綜上所述，按巖層層位和組合情況將趙固一礦巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)劃分為單一軟巖、下硬上軟、下軟上硬和軟硬互層4種總結(jié)構(gòu)類型，按巖層厚度繼續(xù)劃分為單一厚軟、厚軟厚硬、薄軟厚硬、薄硬厚軟、厚硬薄軟和軟硬薄多層相間6種亞結(jié)構(gòu)類型，詳見表3，其中Ⅰ代表硬巖，Ⅱ代表軟巖，1代表薄層狀，2代表厚層狀。

表3 趙固一礦巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)分類表

3 復(fù)合頂板破壞特征與破斷規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型及模擬方案

巷道頂板穩(wěn)定性主要取決于軟硬巖在巷道頂板的位置、薄厚和組合情況，根據(jù)趙固一礦巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型，采用UDEC離散元數(shù)值模擬分析不同巖層組合的的破斷規(guī)律及破斷形態(tài)，不同層狀頂板組合類型模擬方案見表2，其中巷道復(fù)合頂板10m范圍內(nèi)巖性組成如下：Ⅱ2型(單一厚軟型)泥巖為10m，Ⅰ1Ⅱ2型(薄硬厚軟型)砂巖為1.5m、泥巖為8.5m，Ⅰ2Ⅱ1型(厚硬薄軟型)砂巖為8.5m、泥巖為1.5m，Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)泥巖為1.5m、砂巖為8.5m，Ⅱ2Ⅰ2型(厚軟厚硬型)泥巖為5m、砂巖為5m，Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1型(軟硬薄多層相間型)泥巖為1.5m、砂巖為1.5m、泥巖為2m、砂巖為2m、泥巖3m。

模擬巖體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，節(jié)理和裂隙采用Coulomb滑移準(zhǔn)則，巷道寬×高為4m×4m，考慮到巷道開挖后影響半徑，模擬總模型長×高為40m×40m，煤層厚度為4m，巷道埋深600m，巖層水平賦存，采用先加載后開挖的模擬方式，模型上邊界和左右邊界分別施加垂直和水平應(yīng)力15MPa，左右邊界為水平位移約束，下邊界為垂直位移約束，模型及網(wǎng)格劃分如圖6所示，其具體的巖石力學(xué)參數(shù)見表4。

圖6 模型建立及網(wǎng)格劃分

巖性 視密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強度/MPa砂巖280018.311.56.20374.3泥巖25609.87.12.70311.8煤12806.54.21.50271.4砂質(zhì)泥巖268013.29.04.12353.0

3.2 不同巖層組合巷道頂板破壞特征及垮落規(guī)律

在數(shù)值模擬中，巷道頂?shù)装逵缮皫r、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，巖層水平賦存，主要模擬分析6種不同層狀巖層組合巷道頂板對巷道穩(wěn)定性及頂板破壞形態(tài)的影響。不同層狀巖層組合巷道頂板破壞特征及垮落規(guī)律如圖7—10所示。

圖7 Ⅱ型(單一軟巖型)

3.2.1 Ⅱ型(單一軟巖型)

從圖7可知，巷道頂板上覆巖層全部為單一結(jié)構(gòu)的軟弱泥巖，在無支護的情況下，雖軟巖整體厚度10m，但垮落高度僅為1.5m，離層深度達到2.5m，其原因主要巷道頂板淺部巖體從三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為兩向應(yīng)力狀態(tài)，淺部泥巖承載能力降低，在600m埋深的高應(yīng)力作用下，發(fā)生了剪切和拉伸破壞，淺部泥巖頂板垮落，垮落后冒頂形態(tài)呈圓錐形，而緊鄰其上部的泥巖由于承受自身重力和上覆載荷的作用發(fā)生離層，但泥巖承載能力越往深部越強，多層軟弱泥巖之間雖整體下沉，但最終形成外形如梁，實質(zhì)是“鉸接拱形”的平衡結(jié)構(gòu)，巷道頂板趨于穩(wěn)定，此類單一軟巖型巷道頂板易發(fā)生高冒頂事故，需進行及時支護，采用錨桿支護將淺部軟弱頂板巖層形成整體承載層結(jié)構(gòu)，采用錨索將淺部承載層懸吊到上部穩(wěn)定巖層中的同時，將懸吊區(qū)域內(nèi)軟巖離層區(qū)擠壓加固。

3.2.2 Ⅰ Ⅱ型(下硬上軟型)

從圖8可以看出，Ⅰ1Ⅱ2型(薄硬厚軟型)頂板和Ⅰ2Ⅱ2型(厚硬厚軟型)頂板，在無支護的情況下，由于堅硬砂巖具有很強的承載能力，巷道頂板沒有發(fā)生垮落，Ⅰ2Ⅱ2型(厚硬厚軟型)頂板僅僅在巷道淺部頂板1m處出現(xiàn)了離層現(xiàn)象，但隨著下部堅硬巖層厚度變薄Ⅰ1Ⅱ2型(薄硬厚軟型)，緊鄰其上部軟巖離層現(xiàn)象越來越明顯，逐漸向上延伸，頂板下沉比較大，存在頂板垮落的風(fēng)險。因此，對于巷道為硬巖的厚直接頂，巷道頂板穩(wěn)定性一般都較好，但對于巷道為硬巖的薄直接頂，若硬巖繼續(xù)變薄、巷道跨度增加或巷道埋深應(yīng)力加大，堅硬砂巖已不能夠承受自身重力和上覆載荷的作用，頂板就會發(fā)生垮落，而緊鄰的軟巖也會發(fā)生迭加連鎖的失穩(wěn)，此類薄硬厚軟型巷道頂板需采用錨桿加錨索聯(lián)合支護。

圖8 Ⅰ Ⅱ型(下硬上軟型)

3.2.3 Ⅱ Ⅰ型(下軟上硬型)

從圖9可以看出，Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)頂板和Ⅱ2Ⅰ2型(厚軟厚硬型)頂板，在巷道開挖后，巷道頂板都會發(fā)生垮落，垮落高度和垮落后形態(tài)都不相同，同時軟巖與硬巖接觸面都會產(chǎn)生離層現(xiàn)象。其中Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)巷道頂板垮落后，巷道冒頂形態(tài)呈平頂型，由于其上部為厚堅硬的砂巖起到了支撐上覆巖層的作用，垮落高度為1.0m，緊鄰堅硬砂巖的較薄泥巖則發(fā)生離層現(xiàn)象，而Ⅱ2Ⅰ2型(厚軟厚硬型)頂板的破壞特征及垮落規(guī)律與圖7相似，不再贅述，故此類下軟上硬型巷道頂板需進行及時支護。

圖9 Ⅱ Ⅰ型(下軟上硬型)

3.2.4 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬多層相間型)

從圖10中可以看出，對于Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1型(軟硬薄多層相間型)巷道頂板，冒頂破壞特征及垮落規(guī)律大致與圖9Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)頂板相似，巷道冒頂形態(tài)呈平頂型，冒頂高度都是淺部薄巖層冒落，但與它頂板不同之處，軟硬軟巖層接觸面之間容易發(fā)生離層，頂板整體下沉比較大，一旦緊鄰薄層軟巖的薄層硬巖失穩(wěn)垮落，其上軟巖也會發(fā)生迭加連鎖的失穩(wěn)，故此類頂板初期冒頂高度低，一旦不及時支護，頂板會繼續(xù)多次垮落，冒頂高度會繼續(xù)增加，因此，采用錨桿將薄軟巖懸吊在薄硬巖淺部巖層上，形成承載結(jié)構(gòu)，采用錨索將淺部承載層懸吊到上部穩(wěn)定巖層中的同時，將懸吊區(qū)域內(nèi)軟硬軟巖層接觸面易離層區(qū)域擠壓加固。

通過對4種總結(jié)構(gòu)類型，6種亞結(jié)構(gòu)類型頂板結(jié)構(gòu)的巷道進行數(shù)值模擬分析，從圖7—10通過分析歸納總結(jié)如下：

圖10 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬多層相間型)

1)Ⅱ型(單一軟巖型)和Ⅱ2Ⅰ2型(厚軟厚硬型)破壞特征與破斷規(guī)律相近，冒垮落高度僅為1.5m，離層深度達到2.5m，垮落后冒頂形態(tài)呈圓錐形，緊鄰其上部軟巖最終形成外形如梁，實質(zhì)是“鉸接拱形”的平衡結(jié)構(gòu)，巷道頂板趨于穩(wěn)定；Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)和Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1型(軟硬薄多層相間型)破壞特征與破斷規(guī)律相近，垮落高度為1.0m，垮落后冒頂形態(tài)呈平頂形，緊鄰其上部硬巖由于自身承載能力強，巷道頂板趨于穩(wěn)定。Ⅰ1Ⅱ2型(薄硬厚軟型)和Ⅰ2Ⅱ1型(厚硬薄軟型)因硬巖承載能力強，在無支護情況下，無垮落現(xiàn)象。

2)Ⅱ型(單一軟巖型)、ⅡⅠ型(下軟上硬型)和ⅠⅡⅠⅡⅠⅡ(軟硬多層相間型)巷道頂板易發(fā)生高冒頂事故，需及時進行支護，采用錨桿支護將淺部軟弱頂板巖層形成整體承載層結(jié)構(gòu)，采用錨索將淺部承載層懸吊到上部穩(wěn)定巖層中的同時，將懸吊區(qū)域內(nèi)多個離層區(qū)擠壓加固，并且需重點監(jiān)測；ⅠⅡ型(下硬上軟型)的Ⅰ1Ⅱ2型(薄硬厚軟型)，雖無垮落發(fā)生，但對于薄硬厚軟和厚硬薄軟型，無垮落現(xiàn)象，若硬巖繼續(xù)變薄、巷道跨度加大或埋深增加，堅硬砂巖已不能夠承受自身重力和上覆載荷的作用，頂板就會發(fā)生垮落，而緊鄰的軟巖也會發(fā)生迭加連鎖的失穩(wěn)，應(yīng)注意監(jiān)測和及時補強。

3)對于已掘出的巷道，要及時進行頂板巖層鉆孔窺視探測，根據(jù)鉆孔資料和探測得到的巷道頂板結(jié)構(gòu)類型對已掘出的巷道現(xiàn)有的支護形式與支護參數(shù)進行評價，及時采取合理有效的補強措施；對于未掘進的巷道，根據(jù)鉆孔資料初判巷道頂板結(jié)構(gòu)類型，采取初步支護設(shè)計，待開挖后立即進行頂板巖層鉆孔窺視探測，修正支護成參數(shù)，保證掘采期間巷道頂板穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1)按巷道頂板按巖層層位和組合情況可劃分為單一軟巖、下硬上軟、下軟上硬和軟硬互層4種總結(jié)構(gòu)類型，按巖層厚度繼續(xù)劃分為單一厚軟、厚軟厚硬、薄軟厚硬、薄硬厚軟、厚硬薄軟和軟硬薄多層相間6種亞結(jié)構(gòu)類型。

2)對于單一軟巖型和厚軟厚硬型頂板，垮落后冒頂形態(tài)呈圓錐形，緊鄰其上部軟巖最終形成外形如梁，實質(zhì)是“鉸接拱形”的平衡結(jié)構(gòu)，最終趨于穩(wěn)定；對于薄軟厚硬型和軟硬薄多層相間型頂板，垮落后冒頂形態(tài)呈平頂形，緊鄰其上部硬巖由于自身承載能力強，最終趨于穩(wěn)定；對于薄硬厚軟和厚硬薄軟型，無垮落現(xiàn)象，若硬巖繼續(xù)變薄、巷道跨度加大或埋深增加，應(yīng)注意監(jiān)測和及時補強。

3)基于趙固一礦已掘巷道和未掘巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的支護形式與支護參數(shù)進行評價和修正，保證掘采期間巷道頂板穩(wěn)定。