煤巷復(fù)合頂板破壞特征與垮落規(guī)律數(shù)值模擬研究

彭鴻麟，蘆 健，劉道光，舍宏明

(黑龍江煤礦安全監(jiān)察局 鶴濱監(jiān)察分局，黑成江 鶴崗 154100)

0 引言

煤層地質(zhì)條件多為沉積巖環(huán)境，在沉積巖地質(zhì)條件下該煤巖層結(jié)構(gòu)多屬于層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，而煤巷就處于這樣的圍巖環(huán)境下，由于地質(zhì)構(gòu)造和成因作用，層狀結(jié)構(gòu)與分布規(guī)律不均勻，這也導(dǎo)致煤巷復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型多種多樣，頂板穩(wěn)定性表現(xiàn)出顯著的差異性[1-5]。

在研究巷道層狀頂板穩(wěn)定性方面，國內(nèi)外學(xué)者做了許多工作，在理論和實(shí)踐方面取得了豐碩的成果。黃達(dá)等[6]數(shù)值模擬得出，當(dāng)水平應(yīng)力小于垂直應(yīng)力時，頂板撓度較小，但塑性區(qū)和卸壓范圍較大；當(dāng)水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力時，正好相反。谷拴成等[7]在煤巷復(fù)合頂板破壞前后各巖層變形曲率相同前提下，將載荷分配到各巖層中來分析其受力狀況，得到了含軟弱夾層復(fù)合頂板使巷道頂板整體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生二次變形，能夠承受圍巖應(yīng)力變化的頂板趨于穩(wěn)定，不能夠承受圍巖應(yīng)力變化的頂板產(chǎn)生大變形并最終失穩(wěn)，煤巷復(fù)合頂板變形破壞規(guī)律為結(jié)構(gòu)的承載調(diào)整、剛度弱化、最終失穩(wěn)。賈明魁[8]認(rèn)為巷道層狀復(fù)合頂板失穩(wěn)最大原因就是巖層組合劣化與支護(hù)參數(shù)不匹配，導(dǎo)致巖層失穩(wěn)，并將冒頂原因分為4個大類和12個亞類。朱永建等[9，10]根據(jù)內(nèi)蒙神東礦區(qū)淺埋礦井榆家梁煤礦、保德煤礦、哈拉溝煤礦、活雞兔煤礦、補(bǔ)連塔煤礦上述大量鉆孔資料分析結(jié)果、現(xiàn)場調(diào)查及巖芯分析結(jié)果，將神東礦區(qū)煤巷頂板巖層結(jié)構(gòu)類型分8類。馮吉成等[11]將河南趙固礦區(qū)趙固一礦巷道復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型劃分為單一軟巖、下硬上軟、下軟上硬和軟硬互層4種總結(jié)構(gòu)類型和6種亞結(jié)構(gòu)類型。以往研究都基于一種或幾種頂板結(jié)構(gòu)類型，文獻(xiàn)[9-11]分別劃分了內(nèi)蒙神東礦區(qū)和河南趙固礦區(qū)多種頂板類型，但根據(jù)軟硬巖薄厚、組合情況以及在煤巷頂板位置關(guān)系進(jìn)行精細(xì)化劃分且與之建立幾十個數(shù)值模型鮮有研究。

因此，本文根據(jù)軟硬巖薄厚、組合情況以及在煤巷頂板位置關(guān)系，對煤巷復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行精細(xì)化劃分，獲得煤巷不同巖層組合結(jié)構(gòu)復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)類型，并采用UDEC離散元數(shù)值方法對煤巷不同巖層組合結(jié)構(gòu)的復(fù)合頂板穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，獲得煤巷軟硬巖不同組合頂板條件下的破壞形態(tài)與垮落規(guī)律，為煤巷頂板結(jié)構(gòu)分類支護(hù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 煤巷軟硬巖組合頂板類型劃分和數(shù)值模擬方案

本文根據(jù)軟硬巖薄厚、組合情況以及在煤巷頂板位置關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)[9-11]對煤巷復(fù)合頂板巖層組合結(jié)構(gòu)類型研究成果，對煤巷復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行精細(xì)化劃分，獲得了8種頂板類型和28種頂板亞結(jié)構(gòu)類型，并以此建立數(shù)值模擬方案，具體詳見表1。

表1 煤巷軟硬巖不同組合頂板類型和數(shù)值模擬方案

續(xù)表

2 數(shù)值模擬模型與力學(xué)參數(shù)

UDEC數(shù)值模擬能夠?qū)r體介質(zhì)用連續(xù)力學(xué)性質(zhì)和連續(xù)體接觸定律加以描述，有效的解決了以往通用的有限元計算方法均勻、連續(xù)介質(zhì)體假設(shè)的難題，提供了更加符合實(shí)際層狀復(fù)合頂板垮落的計算方法。

數(shù)值模擬模型整體尺寸為40.0×40.0 m，模擬煤層實(shí)際厚度為4.0 m，埋深為600.0 m，巷道尺寸為4.0×4.0 m，模型的本構(gòu)方程采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，初始條件模型上邊界施加垂直應(yīng)力15.0 MPa，測壓系數(shù)為1.0，邊界條件為左右邊界水平位移約束，下邊界垂直約束，煤層頂板結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)詳見表2。

圖1 數(shù)值模型

表2 數(shù)值模擬巖層及其力學(xué)參數(shù)

3 煤巷不同組合巖層頂板破壞形態(tài)與規(guī)律

主要模擬分析28種不同巖層組合煤巷頂板破斷形態(tài)與破斷規(guī)律，如圖2～圖9所示。

(1) Ⅰ(單一硬巖型)

Ⅰ(單一硬巖型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖2所示。

由圖2可知，由于巷道頂板上覆巖層是單一厚堅硬的砂巖，頂板穩(wěn)定性強(qiáng)，在巷道開挖后自身的強(qiáng)度足以能夠承擔(dān)上覆載荷的作用，此類頂板容易維護(hù)。

圖2 Ⅰ(單一硬巖型)

(2) Ⅱ(單一軟巖型)

Ⅱ(單一軟巖型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖3所示。

由圖3可知，巷道頂板上覆巖層全部為單一結(jié)構(gòu)的軟弱泥巖，雖整體巖性相同，但整體強(qiáng)度軟弱，頂板穩(wěn)定性差，巷道開挖后，軟弱頂板淺部中間位置首先發(fā)生離層現(xiàn)象，在離層中部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，各層位都出現(xiàn)離層現(xiàn)象，隨著離層的逐漸增大，淺部泥巖與深部巖體產(chǎn)生了脫節(jié)現(xiàn)象，脫節(jié)部分泥巖厚度和整體強(qiáng)度均變小，便發(fā)生了剪切和拉伸破壞，頂板垮落呈圓錐形態(tài)冒落，頂板冒落高度約1.5 m，為軟巖整體厚度的20%，上部泥巖達(dá)到極限平衡結(jié)構(gòu)。此類頂板不容易維護(hù)，需要及時支護(hù)。

圖3 Ⅱ(單一軟巖型)

(3) ⅡⅠ(下軟上硬型)

ⅡⅠ(下軟上硬型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖4所示。

圖4 Ⅱ Ⅰ(下軟上硬型)

由圖4可知，(a)Ⅱ1Ⅰ2(薄軟厚硬型)頂板、(b)Ⅱ2Ⅰ2(厚軟厚硬型)頂板和(c)Ⅱ2Ⅰ1(厚軟薄硬型)頂板，在巷道開挖后，巷道均發(fā)生不同程度的垮落破壞，垮落的高度和冒落形態(tài)也不相同。(a)Ⅱ1Ⅰ2(薄軟厚硬型)頂板由于軟巖較薄，緊鄰上部為堅硬砂巖起到承載作用，故冒頂高度僅為1 m，冒頂形態(tài)由于軟硬巖交界面發(fā)生離層，呈平頂型冒頂；(b)Ⅱ2Ⅰ2(厚軟厚硬型)頂板和(c)Ⅱ2Ⅰ1(厚軟薄硬型)頂板，垮落規(guī)律與圖3相類似，冒頂形態(tài)呈圓錐形，但厚軟厚硬型頂板冒頂高度為2 m，厚軟薄硬型為1.5 m，說明直接頂軟巖厚度并不一定越厚，垮落高度就越大，也取決于上部硬巖的位置和厚度，上部堅硬巖層能夠承擔(dān)上覆載荷的作用，同時也具有較好的傳遞力的作用，當(dāng)上部堅硬巖層厚度達(dá)到一定程度后，對下部軟弱巖層尤其厚軟弱巖層的冒頂高度有一定影響，但無論上部堅硬巖層厚度達(dá)到多厚，無支護(hù)情況下，下部軟弱巖層都會產(chǎn)生垮落。因此，對于巷道直接頂為軟弱巖層要及時進(jìn)行支護(hù)。此類頂板不容易維護(hù)，需要及時支護(hù)。

(4) ⅠⅡ型(下硬上軟型)

ⅠⅡ型(下硬上軟型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖5所示。

圖5 Ⅰ Ⅱ(下硬上軟型)

由圖5可知，(a)Ⅰ1Ⅱ2(薄硬厚軟型)頂板、(b)Ⅰ2Ⅱ2(厚硬厚軟型)頂板和(c)Ⅰ2Ⅱ1(厚硬薄軟型)頂板，在巷道開挖后，雖然上部軟巖在地應(yīng)力作用下，內(nèi)部和軟硬巖交界面發(fā)生離層現(xiàn)象，但由于直接頂為硬巖有較好的承載能力，能夠承受自身重力和上覆載荷作用，頂板未發(fā)生垮落，但如(a)Ⅰ1Ⅱ2(薄硬厚軟型)頂板，硬巖較薄，隨著時間延長，在未支護(hù)的情況下也會發(fā)生垮落。此類頂板較容易維護(hù)。

(5) Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬軟型)

Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬軟型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖6所示。

圖6 Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬軟型)

由圖6可知，7種類型頂板下部都為軟巖，在巷道開挖后，下部軟巖強(qiáng)度低，不能形成有效的承載結(jié)構(gòu)，隨著離層的逐漸增大，頂板淺部巖層極限跨距小于巷道跨距，首先呈圓錐形態(tài)，而后巷道上覆頂板兩邊發(fā)生剪切破壞、斷裂失穩(wěn)，而緊鄰其上部的巖梁形成極限平衡結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，其中(a)Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ2(薄軟薄硬厚軟)、(b)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ1(薄軟厚硬薄軟)和(d)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ2(薄軟厚硬厚軟)巷道頂板冒頂形態(tài)都近似為平頂形，而(a)Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ2(薄軟薄硬厚軟)冒頂高度1.5 m，(b)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ1(薄軟厚硬薄軟)和(d)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ2(薄軟厚硬厚軟)冒頂高度1.0 m，表明中間為薄堅硬巖層，自穩(wěn)能力要大于承載能力，隨著中間堅硬巖層厚度增加，承載能力增強(qiáng)，下部軟弱巖層所受的載荷較小，巷道冒頂高度減少。(c)Ⅱ2Ⅰ1Ⅱ1型(厚軟薄硬薄軟型)、(e)Ⅱ2Ⅰ1Ⅱ2型(厚軟薄硬厚軟型)、(f)Ⅱ2Ⅰ2Ⅱ1型(厚軟厚硬薄軟型)和(g)Ⅱ2Ⅰ2Ⅱ2型(厚軟厚硬厚軟型)頂板，巷道頂板冒頂形態(tài)都近似為圓錐形，冒頂高度都為1.5 m，表明下部軟弱巖層雖強(qiáng)度低，但厚度的增加，使整體承載能力增強(qiáng)，冒落高度小于軟巖厚度，當(dāng)下部軟巖達(dá)到一定厚度，無論中部硬巖厚度變薄或變厚，對下部軟巖穩(wěn)定性影響都較小。此類頂板不容易維護(hù)，需要及時支護(hù)。

(6) Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬軟硬型)

Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬軟硬型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖7所示。

圖7 Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬軟硬型)

由圖7可知，對于7種Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬軟硬型)巷道頂板，巷道開挖后直接暴露于臨空面的堅硬砂巖巖層，整體強(qiáng)度高，極限跨距大，自身穩(wěn)定性和承載能力強(qiáng)，能夠形成有效的承載結(jié)構(gòu)，雖在軟弱巖層間和軟硬巖層接觸面間會有離層現(xiàn)象，但對巷道整體穩(wěn)定性影響較小，此類巷道頂板易于控制。

(7) Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬多層相間型)

Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬多層相間型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖8所示。

圖8 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬多層相間型)

由圖8可知，(a)Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1(硬軟薄多層相間型)，巷道開挖后，盡管層間組合都是薄層，頂板下沉、兩幫和底板鼓起，但是巷道下部頂板為堅硬巖層，整體強(qiáng)度高，巖層間形成塊體鉸接承載結(jié)構(gòu)，能夠承載上覆巖層的載荷和自身的自重，使巷道頂板穩(wěn)定。對于(b)Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1(軟硬薄多層相間型)巷道頂板，巷道下部頂板為軟弱薄巖層，緊鄰為堅硬薄巖層，巷道開挖后，1 m厚軟巖垮落，冒落形態(tài)似平頂型，0.5 m厚的軟巖形成塊體鉸接結(jié)構(gòu)，與緊鄰堅硬薄巖層產(chǎn)生離層，若不采取支護(hù)，頂板會繼續(xù)垮落。

(8) ⅠΔⅡ(中間夾有煤線或夾矸型)

ⅠΔⅡ(中間夾有煤線或夾矸型)巷道頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)如圖9所示。

圖9 ⅠΔⅡ(中間夾有煤線或夾矸型)

由圖9可知，基于有煤線或是夾矸頂板，一般會在該層位首先發(fā)生離層破壞，隨著變形繼續(xù)擴(kuò)大，繼而發(fā)生下部逐層垮落。若巷道開挖后直接暴露空氣的是堅硬的砂巖，當(dāng)厚度一定時，能夠承受由于夾矸或煤線作用導(dǎo)致離層后的巖層的重量，而未發(fā)生頂板冒落，若巷道開挖后直接暴露空氣的是軟弱的砂巖，由于本身強(qiáng)度低，自身內(nèi)部首先會發(fā)生離層現(xiàn)象，加上上部夾矸或煤線作用導(dǎo)致離層后的巖層的重量，頂板便會發(fā)生冒頂事故，同時，由于在巷道頂板巖性組合復(fù)雜，煤線或夾矸在同一巷道時有時無，造成頂板整體性較差。此類頂板不易維護(hù)。

通過對28種亞結(jié)構(gòu)類型頂板穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，從圖2～圖9通過分析總結(jié)如下：

(1) 煤巷軟硬巖不同組合頂板離層特征。28種亞結(jié)構(gòu)類型頂板在軟硬巖層接觸面和厚軟弱巖層本層內(nèi)處均發(fā)生了不同程度的離層現(xiàn)象，若巷道開挖后直接暴露于臨空面的堅硬砂巖巖層，緊鄰堅硬巖層上部發(fā)生離層，但下部堅硬巖層具有較好的承載能力，對巷道整體穩(wěn)定性影響較小，此類巷道頂板易于控制。若巷道開挖后直接暴露于臨空面的軟弱巖層，在軟硬巖層接觸面和厚軟弱巖層本層內(nèi)發(fā)生離層，如不進(jìn)行及時支護(hù)，巷道頂板會發(fā)生多次層狀垮落，這與現(xiàn)場冒頂后不及時支護(hù)會產(chǎn)生多次層狀頂板垮落相吻合。產(chǎn)生離層的原因有以下幾個方面：①軟巖與硬巖相比，在經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，其力學(xué)性能差，節(jié)理裂隙發(fā)育，自身層內(nèi)就有許多結(jié)構(gòu)弱面；②軟巖與硬巖分界處為弱粘結(jié)，不同巖層之間產(chǎn)生層間錯動、彎曲擾度不同，在巷道開挖后，巖層間沿巖性分界面滑動，張開；③巷道開挖后，下部軟巖從三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎驊?yīng)力，其易發(fā)生塑性和拉伸破壞，緊鄰的巖層也會發(fā)生迭加連鎖失穩(wěn)，軟硬巖層接觸面和厚軟弱巖層本層內(nèi)離層增加，上部巖層形成塊體鉸接結(jié)構(gòu)，變形、轉(zhuǎn)動，與上部巖體產(chǎn)生了顯著離層現(xiàn)象。

(2) 煤巷軟硬巖不同組合頂板破壞形態(tài)與垮落規(guī)律。層狀復(fù)合頂板破斷規(guī)律及破斷形態(tài)主要受軟巖層位、厚度、水平應(yīng)力和頂板后跨比等因素的影響。巷道開挖后直接暴露于臨空面的堅硬砂巖層，如Ⅰ(單一硬巖型)，Ⅰ Ⅱ(下硬上軟型)，Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬軟硬型)，Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1(硬軟薄多層相間型)，ⅡΔⅠ(硬軟中間夾有煤線或夾矸型)，頂板下部砂巖整體強(qiáng)度高，極限跨距大，自身穩(wěn)定性和承載能力強(qiáng)，能夠形成有效的承載結(jié)構(gòu)，雖在層間有離層現(xiàn)象，但巷道頂板未發(fā)生破斷；巷道開挖后直接暴露于臨空面的軟弱泥巖巖層，如Ⅱ(單一軟巖型)，Ⅱ Ⅰ(下軟上硬型)，Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬軟型)，Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1(軟硬薄多層相間型)，ⅠΔⅠ(軟軟中間夾有煤線或夾矸型)，ⅠΔⅡ(軟硬中間夾有煤線或夾矸型)，頂板下部軟巖強(qiáng)度低，在圍巖高應(yīng)力作用下，下部軟巖發(fā)生塑性和拉伸破壞，在離層中部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其它各層位也都出現(xiàn)離層現(xiàn)象，隨著離層的逐漸增大，淺部軟頂垮落，呈圓錐形態(tài)，緊鄰其上部的巖梁形成外形如梁，實(shí)質(zhì)是拱的平衡結(jié)構(gòu)，并最終趨于穩(wěn)定，因此，此類頂板容易發(fā)生冒頂事故，需要重點(diǎn)維護(hù)。

綜上所述，煤巷直接頂軟巖厚度越厚，垮落高度不一定越大，其破壞特征和垮落規(guī)律主要取決于圍巖應(yīng)力環(huán)境、軟硬巖的組合情況和巷道尺寸等。在圍巖應(yīng)力和巷道尺寸不變條件下，煤巷頂板軟巖為直接頂且厚度超過極限垮落高度，淺部軟頂垮落，冒頂呈圓錐形態(tài)，緊鄰其上部的巖梁形成外形如梁，實(shí)質(zhì)是拱的平衡結(jié)構(gòu)；煤巷頂板軟巖為直接頂且厚度低于極限垮落高度，由于硬巖有較好的自穩(wěn)能力和承載能力，淺部軟頂與硬巖交界面分離垮落，冒頂呈平頂形態(tài)，但硬巖也有較好的傳遞能力，硬巖下部軟巖厚度越大，其冒頂高度越高，支護(hù)設(shè)計需錨固到穩(wěn)定巖層。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)軟硬巖薄厚、組合情況以及在煤巷頂板位置關(guān)系，對煤巷復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行精細(xì)化劃分，獲得了8種頂板類型和28種頂板亞結(jié)構(gòu)類型，其中Ⅱ(單一軟巖型)，Ⅱ Ⅰ(下軟上硬型)，Ⅱ Ⅰ Ⅱ(軟硬軟型)，Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1(軟硬薄多層相間型)，ⅠΔⅠ(軟軟中間夾有煤線或夾矸型)，ⅠΔⅡ(軟硬中間夾有煤線或夾矸型)頂板容易發(fā)生冒頂事故，需要重點(diǎn)維護(hù)。

(2) 煤巷開挖后直接暴露于臨空面的硬巖，緊鄰硬巖上部軟巖和軟硬巖交界面發(fā)生離層，但下部硬巖具有較好的自穩(wěn)能力和承載能力，對煤巷整體穩(wěn)定性影響較小，此類煤巷頂板易于控制；反之，下部軟巖本身和軟硬巖接觸面易發(fā)生離層，如不進(jìn)行及時支護(hù)，煤巷頂板會發(fā)生多次層狀垮落，這與現(xiàn)場巷道分片冒頂現(xiàn)象吻合。

(3) 煤巷層狀復(fù)合頂板破壞特征和垮落規(guī)律主要取決于圍巖應(yīng)力環(huán)境、軟硬巖的組合情況和巷道尺寸等。在圍巖應(yīng)力和巷道尺寸不變條件下，煤巷頂板軟巖為直接頂且厚度超過極限垮落高度，淺部軟頂垮落，冒頂呈圓錐形態(tài)，緊鄰其上部的巖梁形成外形如梁，實(shí)質(zhì)是拱的平衡結(jié)構(gòu)；煤巷頂板軟巖為直接頂且厚度低于極限垮落高度，由于硬巖有較好的自穩(wěn)能力和承載能力，淺部軟頂與硬巖交界面分離垮落，冒頂呈平頂形態(tài)，但硬巖也有較好的傳遞能力，硬巖下部軟巖厚度越大，其冒頂高度越高，支護(hù)設(shè)計需錨固到穩(wěn)定巖層。