不同巖性穿層巷道圍巖變形特征分析

劉彥武

（山西柳林煤礦有限公司，山西 柳林 033399）

柳林煤礦開采8#煤層生產(chǎn)時(shí)所涉及的膠帶暗斜井、軌道暗斜井大巷需要穿層掘進(jìn)，不同巖層巖石力學(xué)性質(zhì)不同，為了有針對(duì)性地進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性控制及制定合理的支護(hù)方案，需對(duì)穿層巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)概況

山西柳林煤礦井田呈不規(guī)則多邊形，井田東西長約3.70km，南北寬3.50km，位于柳林縣城北5km 處的屈家溝村一帶，批準(zhǔn)開采煤層為4、5、8、9 號(hào)煤層，開采標(biāo)高+970～ +430m。一水平布置在5號(hào)煤層，水平標(biāo)高+745m；二水平布置在8號(hào)煤層中，水平標(biāo)高+700m。根據(jù)礦井開采現(xiàn)狀，需進(jìn)行8 號(hào)煤層與5 號(hào)煤層配采，要求5、8 號(hào)煤層接替開采。

柳林煤礦暗斜井穿過多種巖層，包括煤層、粉砂巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖及石灰?guī)r，尤其是石灰?guī)r非常堅(jiān)硬。

巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試表明，泥巖（粉砂巖）的抗壓強(qiáng)度在41.03～66.02MP 之間，平均57.18MPa；5#煤層單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值在3.43～10.29MPa 間，煤與巖石的離散性較大，強(qiáng)度中等偏弱，但頂板的抗拉強(qiáng)度和剪切凝聚力相對(duì)較高，也為錨網(wǎng)支護(hù)提供了有利條件。8#煤直接頂為石灰?guī)r，致密，堅(jiān)硬，測(cè)試強(qiáng)度96.16～114.0MPa，平均101.78MPa。8#煤堅(jiān)硬直接頂板為采區(qū)巷道支護(hù)提供了有利條件。

2 數(shù)值模擬計(jì)算方案

巷道所在區(qū)域穿過4#煤層、5#煤層、6#煤層、7#煤層、8#煤層及煤層之間的各個(gè)巖層。根據(jù)L17 鉆孔綜合柱狀圖，從4#煤層頂板至8#煤層底板，巖層總厚度約70m，其中粉砂巖、砂巖占比約21%，砂質(zhì)泥巖占比約26%，灰?guī)r占比約36%。砂巖、粉砂巖主要分布在6#煤層頂板灰?guī)r以上；灰?guī)r分布在6#頂板巖層以下，且厚度較大；砂質(zhì)泥巖在各個(gè)煤層之間都有分布，但呈現(xiàn)層數(shù)多、單層厚度小的特點(diǎn)。根據(jù)鉆孔綜合柱狀圖，巷道所在區(qū)域巖性可分為兩類：一是粉砂巖、砂巖與厚度不大的砂質(zhì)泥巖互層分布；二是灰?guī)r與厚度不大的砂質(zhì)泥巖互層分布。

根據(jù)煤層的綜合地質(zhì)柱狀圖，結(jié)合煤礦實(shí)際地質(zhì)資料建立模擬計(jì)算模型，共取8 個(gè)不同巖層區(qū)域的剖面進(jìn)行模擬分析。具體的剖面圖及剖面所在位置如圖1 所示。

圖1 巷道模型所在位置

模型長×寬×高=100m×50m×100m，模擬計(jì)算巷道分別位于8 種不同巖層位置下的圍巖變形、應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)育情況，計(jì)算時(shí)選取地應(yīng)力系數(shù)為1.2。

模型的四個(gè)側(cè)面為位移邊界，限制水平位移，底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移，網(wǎng)格大小的變化使用Attach 語句聯(lián)接。模型上覆巖層的重力，以每100m 增加2.5MPa 按照均布荷載形式施加在模型的上部邊界。支護(hù)方案選擇時(shí)，以cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿及錨索的支護(hù)。

3 穿層巷道圍巖應(yīng)力分布特征

圖2 為不同巖層區(qū)域位置的巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖。不同位置的巷道的頂?shù)装寰a(chǎn)生了垂直應(yīng)力減小的區(qū)域，兩幫均產(chǎn)生了垂直應(yīng)力升高的區(qū)域。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著巷道所處位置向下方移動(dòng)，其兩幫的垂直應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，而巷道頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力則沒有明顯變化，均處于小于原巖應(yīng)力的狀態(tài)。

圖2 區(qū)域2 巷道圍巖應(yīng)力分布

4 穿層巷道圍巖變形特征

圖3 為不同巖層區(qū)域位置的巷道圍巖變形特征圖。不同位置的巷道的頂?shù)装寰a(chǎn)生了變形，但不同巖層區(qū)域及巷道不同位置圍巖的變形程度不同?？傮w上看，巷道頂?shù)装遄冃瘟恳笥趦蓭妥冃瘟俊? 煤頂板灰?guī)r以上巖層為砂巖、泥質(zhì)砂巖互層，6煤頂板灰?guī)r以下巖層為灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖互層。從8個(gè)剖面的巷道圍巖變形量來看，從4 煤向下直至8煤層的8 個(gè)計(jì)算模型中，巷道圍巖變形量總體上逐漸減小，說明上部分區(qū)域圍巖條件較差，下半部分圍巖條件較好。模型1 ～8 頂板變形量、底板變形量及側(cè)幫變形量如下表1 所示。

圖3 區(qū)域2 巷道圍巖變形分布

表1 巷道圍巖變形統(tǒng)計(jì)

圖4 巷道變形統(tǒng)計(jì)圖

從上述圖表中可以看出，雖然巷道變形量從上至下逐漸減小，但上半部分巖層區(qū)域巷道圍巖變形量要明顯大于下半部分巖層區(qū)域。在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可將上下山巷道分為兩部分區(qū)域考慮。

5 穿層巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

圖5 為不同巖層區(qū)域位置的巷道圍巖塑性區(qū)分布圖。不同位置的巷道圍巖均有塑性變形區(qū)，但不同巖層區(qū)域及巷道不同位置圍巖的塑性變形區(qū)不同?？傮w上看，巷道兩底角及兩肩位置處塑性區(qū)范圍要大于兩幫及頂?shù)装鍏^(qū)域。6 煤頂板灰?guī)r以上巖層為砂巖、泥質(zhì)砂巖互層，6 煤頂板灰?guī)r以下巖層為灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖互層。從8 個(gè)剖面的巷道圍巖變形量來看，從4煤向下直至8煤層的8個(gè)計(jì)算模型中，巷道圍巖塑性區(qū)范圍總體上逐漸減小，同樣，說明上部分區(qū)域圍巖條件較差，下半部分圍巖條件較好。模型1～8 巷道圍巖塑性區(qū)范圍如下表2 所示。

圖5 區(qū)域2 巷道塑性區(qū)分布

表2 巷道圍巖塑性區(qū)統(tǒng)計(jì)

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)統(tǒng)計(jì)圖

從上述圖表中可以看出，雖然巷道塑性區(qū)從上至下逐漸減小，但上半部分巖層區(qū)域巷道圍巖塑性區(qū)范圍要明顯大于下半部分巖層區(qū)域。上半部分巖層區(qū)域巷道圍巖塑性區(qū)范圍普遍在2～2.3m，部分區(qū)域超過2.4m。由于巷道斷面較大，因此塑性區(qū)范圍較大，在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況，設(shè)計(jì)合理的錨桿長度。

6 結(jié)論

（1）隨著巷道所處位置由上部向下部移動(dòng)，其兩幫的垂直應(yīng)力呈增大的趨勢(shì)，而巷道頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力則沒有明顯變化，均處于小于原巖應(yīng)力的狀態(tài)。

（2）巷道頂?shù)装遄冃瘟恳笥趦蓭妥冃瘟?，同時(shí)，上半部分巖層區(qū)域巷道圍巖變形量要明顯大于下半部分巖層區(qū)域，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可將暗斜井巷道分為兩部分區(qū)域考慮。

（3）巷道塑性區(qū)范圍較大，上半部分巖層區(qū)域巷道圍巖塑性區(qū)范圍普遍在2～2.3m，在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況，設(shè)計(jì)合理的錨桿長度。