深埋大傾角煤巖層巷道變形破壞特征與機(jī)理研究

張 平

（山西寧武大運(yùn)華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036000）

大傾角煤巖層巷道由于圍巖結(jié)構(gòu)非對稱和傾斜頂板巖層應(yīng)力場分布不均勻問題[1-4]，導(dǎo)致其圍巖受力特點(diǎn)與水平煤巖層巷道受力特點(diǎn)存在顯著差異[5-6]。本文以山西莊旺煤業(yè)502 采區(qū)回風(fēng)巷為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬對比分析了大傾角煤巖層和水平煤巖層巷道圍巖的變形破壞特征，總結(jié)了大傾角煤巖層中巷道的變形控制關(guān)鍵點(diǎn)。

1 數(shù)值模型及方案

502 采區(qū)回風(fēng)巷埋深約900 m，長度1988 m，沿16 煤層按腰線4‰上坡掘進(jìn)，巷道斷面部分嵌入其頂或底板巖層中。根據(jù)鉆探資料及鄰區(qū)開采揭露情況分析，16 煤層為穩(wěn)定中厚煤層，均厚2.58 m，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含0～3 層0.10～0.15 m 厚薄層煤矸，平均傾角30°。煤巖頂?shù)装鍏?shù)見表1。

表1 頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

考慮模型邊界效應(yīng)，基于實(shí)際地層條件，采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型建立FLAC3D數(shù)值模型，模型長×寬×高為50 m×40 m×50 m，對模型左、右及底部邊界施加法向位移約束，上邊界為自由邊界，初始平衡前施加上覆巖層自重?fù)Q算的均布荷載（取巖層平均密度2250 kg/m3，巷道平均埋深900 m），側(cè)壓力系數(shù)取值0.7。為便于對比分析，建立了水平煤巖層和30°傾角煤巖層兩個(gè)模型，如圖1。

圖1 傾角0°和30°煤巖層巷道分析模型

2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，煤巖層傾角為0°和30°時(shí)，巷道圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布如圖2～圖5。

圖2 巷道圍巖總位移分布特征

2.1 大傾角煤巖層巷道圍巖變形特征

由圖2 可知，30°（85 mm）與0°（83 mm）傾角的巖層巷道圍巖總位移最大值相當(dāng)；煤巖層傾角為0°時(shí)，圍巖變形表現(xiàn)出明顯的對稱性，最大位移（85 mm）出現(xiàn)在兩幫偏下的位置，而煤巖層30°傾角時(shí)圍巖的變形出現(xiàn)了明顯非對稱現(xiàn)象，最大位移左幫（83 mm）和頂板右側(cè)（78 mm）。總體上，巷道頂?shù)子覀?cè)和底板左側(cè)位移整體較大，右?guī)臀灰拼笥谧髱?，即巷道頂板右?cè)、底板左側(cè)和右?guī)褪菄鷰r變形控制的關(guān)鍵部位。

由圖3、圖4 可知，煤巖層傾角為0°時(shí)，矩形巷道應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在矩形轉(zhuǎn)角周邊區(qū)域，巷道圍巖垂直、水平分布均表現(xiàn)出對稱分布特征；當(dāng)煤巖層傾角為30°時(shí)，巷道圍巖中垂直、水平分布均呈現(xiàn)出非對稱特性，應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，除轉(zhuǎn)角位置存在明顯應(yīng)力集中外，巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力明顯大于左幫，出現(xiàn)了明顯垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象；巷道底板區(qū)域水平應(yīng)力明顯大于頂板，也出現(xiàn)了明顯垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，煤巖層傾角為30°時(shí)，巷道右下轉(zhuǎn)角處的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力均存在較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，值得重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

圖4 巷道圍巖水平應(yīng)力分布特征

2.2 大傾角煤巖層巷道圍巖破壞特征

由圖5 可看出，當(dāng)煤巖層傾角為0°時(shí)，矩形巷道圍巖中塑性區(qū)主要集中于巷道兩幫，兩幫塑性區(qū)最大深度為2.6 m，頂、底板塑性區(qū)深度約0.4 m，塑性區(qū)分布呈現(xiàn)對稱分布特征；當(dāng)煤巖層傾角為30°時(shí)，矩形巷道圍巖中塑性區(qū)深度較大區(qū)域?yàn)橄锏雷髱?、右?guī)蜕喜亢晚敯逵覀?cè)區(qū)域，左幫、右?guī)蜕喜亢晚敯逵覀?cè)塑性區(qū)最大深度分別為2.8 m、1.6 m和1.7 m，底板塑性區(qū)深度約為0.4 m，塑性區(qū)分布呈現(xiàn)明顯非對稱分布特征?？梢姡?02 采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)與支護(hù)過程中，巷道左幫、右?guī)蜕喜亢晚敯逵覀?cè)是需要重點(diǎn)關(guān)注和支護(hù)加強(qiáng)的區(qū)域。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

3 大傾角煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理分析

由于煤巖層傾角較大時(shí)，巖層層面與重力方向（巖層自重方向）夾角變小，迫使豎向力在沿煤巖層理方向的作用效應(yīng)增強(qiáng)，造成巷道圍巖中應(yīng)力、變形和破壞情況在水平方向和垂直方向上出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象，其變形分布與破壞特征與水平（或緩傾）煤巖層中的巷道圍巖顯示出明顯差異。

1）大傾角煤巖層中巷道的圍巖變形具有顯著非對稱性。巷道掘進(jìn)后，被開挖體截?cái)鄳?yīng)力傳導(dǎo)路徑的應(yīng)力向周邊圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，同時(shí)在豎向荷載和重力受煤巖層傾斜層理面的影響，巷道圍巖存在沿傾斜層理面下滑的趨勢。因此，在傾斜煤巖層巷道中應(yīng)力在矩形巷道轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)非對稱集中。圍巖變形在低強(qiáng)度煤巖層和應(yīng)力集中與卸荷的影響下向非對稱分布發(fā)展。

2）若煤層相對頂板和底板巖層存在松軟或結(jié)構(gòu)面發(fā)育等情況，則松軟煤層極易出現(xiàn)煤層破壞和變形突出現(xiàn)象，從而引起巷道圍巖中煤層范圍內(nèi)圍巖變形或滑移顯著增大現(xiàn)象。若巷道頂、底板強(qiáng)度較低，則容易出現(xiàn)頂板嚴(yán)重下沉或嚴(yán)重底鼓。

綜上可知，大傾角煤巖層中巷道圍巖發(fā)生非對稱變形破壞是大傾角煤層巷道兩側(cè)的巖體結(jié)構(gòu)不對稱誘導(dǎo)應(yīng)力分布不對稱導(dǎo)致的。此外，由于煤巖層理面傾斜角度較大，會導(dǎo)致豎向荷載和巖體自重對層理面穩(wěn)定不利；同時(shí)，受巖層傾向和煤層強(qiáng)度影響，煤層范圍內(nèi)巷道圍巖的變形量和沿煤巖層理面方向的變形量較大，塑性區(qū)范圍也發(fā)生對應(yīng)偏轉(zhuǎn)。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，502 采區(qū)回風(fēng)巷施工過程中，將原設(shè)計(jì)中的對稱支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，左幫保持原支護(hù)設(shè)計(jì)，對頂板右側(cè)增加了一根錨索，重點(diǎn)加強(qiáng)了對塑性區(qū)煤層所在區(qū)域的支護(hù)，如圖6。

圖6 502 采區(qū)回風(fēng)巷改進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

現(xiàn)場觀測表明，按數(shù)值結(jié)果進(jìn)行針對性改進(jìn)的支護(hù)方案在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果，與原對稱支護(hù)區(qū)段相比，改進(jìn)支護(hù)區(qū)段頂板右側(cè)和右?guī)晚敳孔冃蚊黠@減弱，無需進(jìn)行二次支護(hù)，非對稱支護(hù)改進(jìn)有效改善了大傾角煤巖層內(nèi)巷道圍巖變形控制效果。

5 結(jié)論

針對深埋大傾角煤巖層巷道圍巖變形與穩(wěn)定性問題，以502 采區(qū)回風(fēng)巷為工程背景，通過數(shù)值模擬對比分析了大傾角煤巖層和水平煤巖層巷道圍巖變形破壞特征，總結(jié)了大傾角煤巖層巷道變形破壞關(guān)鍵點(diǎn)。得出以下主要結(jié)論：

1）傾角為30°的煤巖層中，巷道圍巖變形規(guī)律呈現(xiàn)出明顯非對稱現(xiàn)象，圍巖最大位移出現(xiàn)在左幫（83 mm），頂板右側(cè)位移次之（78 mm）。巷道頂?shù)子覀?cè)和底板左側(cè)位移整體較大，右?guī)臀灰拼笥谧髱臀灰疲聪锏理敯逵覀?cè)、底板左側(cè)和右?guī)褪菄鷰r變形控制的關(guān)鍵部位。

2）傾角為30°的煤巖層中，巷道圍巖塑性區(qū)深度較大的區(qū)域?yàn)橄锏雷髱停?.8 m）、右?guī)蜕喜浚?.6 m）和頂板右側(cè)（1.7 m），塑性區(qū)呈現(xiàn)明顯非對稱分布特征。從圍巖狀態(tài)看，巷道左幫、右?guī)蜕喜亢晚敯逵覀?cè)是需要重點(diǎn)關(guān)注和加強(qiáng)支護(hù)的區(qū)域。

3）大傾角煤巖層中巷道圍巖發(fā)生非對稱變形破壞是大傾角煤層巷道兩側(cè)的巖體結(jié)構(gòu)不對稱誘導(dǎo)應(yīng)力分布不對稱導(dǎo)致的；受巖層傾向和煤層強(qiáng)度影響，低強(qiáng)度煤層范圍內(nèi)巷道圍巖變形量和沿煤巖層理面方向變形量會相對較大，塑性區(qū)深度也較大。