緩傾煤層地應(yīng)力方向?qū)ο锏绹鷰r變形特征的影響

羅 剛

（貴州文家壩礦業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 552100）

傾斜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]，導致其圍巖受力特點與水平煤巖層受力特點存在顯著差異[2]。此外，隨著礦山開采深度增加，地應(yīng)力水平提高，深入分析煤礦開采受巖層分布特征、地應(yīng)力主應(yīng)力方向特征和構(gòu)造運動影響的研究顯得越來越重要[3]。貴州文家壩一礦地處強烈構(gòu)造區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力場影響顯著，其中該礦6 號煤層為緩傾斜煤層，煤層回風巷施工中出現(xiàn)了大面積變形破壞情況。以6 號煤層為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬分析地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平時（構(gòu)造應(yīng)力場）地應(yīng)力方向?qū)弮A斜煤巖層中巷道圍巖的變形特征的影響規(guī)律和機制，以期為構(gòu)造強烈區(qū)深埋傾斜煤巖層中巷道的變形與穩(wěn)定性控制提供參考。

1 數(shù)值模型及方案

貴州文家壩一礦地處強烈構(gòu)造區(qū)，礦區(qū)整體構(gòu)造應(yīng)力較大，地應(yīng)力呈現(xiàn)水平向構(gòu)造應(yīng)力大于豎向自重應(yīng)力的分布特征，在南北方向和東西方向的地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)分別為0.82 和1.54。6 號煤層平均埋深約900 m，平均厚度為2.58 m，屬中厚穩(wěn)定煤層，煤層平均傾角15°。煤巖頂?shù)装甯鲙r層強度參數(shù)見表1。礦井開拓方式采用平硐+斜井聯(lián)合開拓，巷道總體呈現(xiàn)“井”字形布置，開采中巷道處地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向水平且與巷道垂直和平行的情況均會出現(xiàn)?？紤]邊界效應(yīng)，建立煤巖層傾角為15°的傾斜煤巖層巷道模型，如圖1。采用FLAC3D建立數(shù)值模型，數(shù)值模型長×寬×高為50 m×40 m×50 m，分析采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，模型左、右及底部邊界施加法向位移約束，上邊界為應(yīng)力邊界（取巖層平均密度為2250 kg/m3，巷道平均埋深900 m），地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)分別取值為0.8和1.5，設(shè)置地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平且與巷道軸線垂直（以下簡稱垂直工況）和地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平且與隧道軸線平行（以下簡稱平行工況）兩種工況，兩種工況下水平應(yīng)力布置如圖1。

表1 頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

圖1 數(shù)值模型及應(yīng)力布置示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 巷道圍巖變形特征

從巷道圍巖變形分布上看，垂直工況下巷道圍巖變形的最大水平收斂較平行工況大27 mm，說明垂直工況下地應(yīng)力分布對巷道收斂變形控制不利。巷道圍巖變形最大的位置均在煤層內(nèi)，即當巷道斷面截斷或部分處于煤層范圍內(nèi)時，巷道圍巖中煤層出露部位變形較大，從變形控制角度看是變形控制的關(guān)鍵部位。結(jié)合圖2 可看出，在兩種地應(yīng)力分布工況下，緩傾斜巖層中巷道圍巖總變形均呈現(xiàn)出兩幫水平收斂＞頂板下沉＞底板隆起的分布特征，且總體上變形分布呈現(xiàn)非對稱特征，隨巖層傾斜發(fā)生一定量偏移；在垂直工況下，圍巖最大變形出現(xiàn)在左幫下部和右?guī)蜕喜?，最大變形?34 mm，對比而言平行工況下圍巖變形相對較小。

圖2 巷道圍巖總位移分布特征

2.2 巷道圍巖破壞特征

兩種工況下圍巖內(nèi)塑性區(qū)深度與總變形量分布特征，塑性區(qū)深度最大位置和圍巖變形量最大位置均在左幫下部和右?guī)蜕喜浚沂冀K處于煤層范圍內(nèi)。此外，垂直工況下頂板及頂板塑性區(qū)、圍巖變形量均較大。因此，在傾斜煤巖層巷道掘進時，煤層出露部位和巷道兩幫是圍巖出現(xiàn)破壞的重點區(qū)域，支護設(shè)計需充分考慮地應(yīng)力分布對圍巖變形和破壞的影響。結(jié)合圖3 可知，在兩種地應(yīng)力分布工況下，緩傾斜巖層中巷道圍巖內(nèi)塑性區(qū)分布均呈現(xiàn)傾斜非對稱分布，塑性區(qū)深度總體呈現(xiàn)出兩幫＞頂板＞底板的分布特征，其中垂直工況下圍巖內(nèi)塑性區(qū)在兩幫和頂板深度均較大，左幫、右?guī)汀㈨敯搴偷装逅苄詤^(qū)深度分別為2.4 m、2.6 m、2.0 m 和1.6 m。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

2.3 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

緩傾斜巖層中巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力分布均呈現(xiàn)傾斜非對稱特征，垂直工況下最大水平向應(yīng)力是平行工況下的兩倍，且垂直工況下水平向應(yīng)力在頂板和底板內(nèi)的集中程度明顯高于平行工況，這是導致垂直工況下巷道在頂板和底板處塑性區(qū)深度增大的關(guān)鍵原因（圖4）。巷道圍巖表層卸荷區(qū)分布總體相似，平行工況下水平向應(yīng)力的集中點相對較淺。平行工況下最大豎直向應(yīng)力與垂直工況基本相當，且垂直工況和水平工況下豎直向應(yīng)力在頂板和底板內(nèi)的分布均呈現(xiàn)隨深度增大而增大的態(tài)勢，垂直工況下豎直向應(yīng)力在巷道兩幫外圍巖內(nèi)的集中程度和集中點深度均較水平工況要大（圖5）。

圖4 巷道圍巖水平向應(yīng)力分布特征

圖5 巷道圍巖豎直應(yīng)力分布特征

3 地應(yīng)力方向?qū)ο锏绹鷰r變形破壞的影響機制

煤巖層傾斜導致巖層層面與重力方向（巖層自重方向）的夾角變小，煤巖體自重在煤層層理方向的作用效應(yīng)被強化，誘導了巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力的非對稱分布，這是傾斜巖層內(nèi)巷道圍巖變形和破壞呈現(xiàn)非對稱的關(guān)鍵?；谏鲜龇治隹芍貞?yīng)力最大主應(yīng)力水平（也稱構(gòu)造應(yīng)力場）時，地應(yīng)力最大主應(yīng)力分布方向?qū)A斜煤巖層巷道圍巖變形破壞的影響機制主要體現(xiàn)在兩方面：

1）當?shù)貞?yīng)力最大主應(yīng)力水平且與巷道軸線垂直時，初始大水平向應(yīng)力的存在迫使傾斜煤巖層內(nèi)沿傾斜層面的應(yīng)力誘導效應(yīng)被增強，導致巷道圍巖的水平向收斂變形增大；垂直工況下豎直應(yīng)力和水平向應(yīng)力的應(yīng)力差增大，加劇了水平向應(yīng)力在底板和頂板內(nèi)的應(yīng)力集中程度，同時迫使剪切破壞范圍增大。

2）當?shù)貞?yīng)力最大主應(yīng)力水平且與巷道軸線平行時，初始大水平向地應(yīng)力與豎直向地應(yīng)力差減小，相比垂直工況，傾斜煤巖層內(nèi)沿傾斜層面的應(yīng)力誘導效應(yīng)相對較弱，巷道圍巖的水平向收斂變形較小。此外，平行工況下豎直應(yīng)力和水平向應(yīng)力的應(yīng)力差相對較小，減小了水平向應(yīng)力在底板和頂板內(nèi)的應(yīng)力集中程度，此時頂板和底板內(nèi)的剪切破壞范圍增大。

綜上可知：地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向水平時，地應(yīng)力方向?qū)A斜煤巖層中巷道圍巖內(nèi)的順層應(yīng)力誘導效應(yīng)有較大影響，垂直工況對巷道圍巖的變形和破壞更不利。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，礦區(qū)回風巷施工中，將原設(shè)計中的對稱支護進行了優(yōu)化，在地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向水平且與巷道軸垂直段，加強了左幫、右?guī)秃晚敯宓闹ёo，同時在頂板右側(cè)煤層出露區(qū)增加了一根加強錨索進行了加固處理，如圖6。

圖6 文家壩一礦區(qū)采區(qū)回風巷改進支護設(shè)計圖（mm）

根據(jù)現(xiàn)場觀測反饋，按數(shù)值模擬結(jié)果進行針對性改進的支護方案在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果，與地應(yīng)力方向和巖層傾斜（非對稱支護）相適應(yīng)的改進支護均無需進行二次支護，有效解決了構(gòu)造強烈區(qū)巷道圍巖非對稱變形控制問題。

4 結(jié)論

1）在地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平且與巷道軸線垂直（垂直工況）和平行（平行工況）兩種地應(yīng)力分布工況下，緩傾斜巖層中巷道圍巖總變形和塑性區(qū)深度均呈現(xiàn)出兩幫水平收斂＞頂板下沉＞底板隆起的分布特征，且總體呈現(xiàn)非對稱分布特征。

2）垂直工況下最大水平向應(yīng)力是平行工況下的兩倍，且垂直工況下水平向應(yīng)力在頂板和底板內(nèi)的集中程度明顯高于平行工況，這是導致垂直工況下巷道在頂板和底板處塑性區(qū)深度增大的關(guān)鍵。

3）當?shù)貞?yīng)力最大主應(yīng)力水平且與巷道軸線垂直時，初始大水平向應(yīng)力的存在會導致傾斜煤巖層內(nèi)沿傾斜層面的應(yīng)力誘導效應(yīng)被增強，迫使巷道圍巖的水平向收斂變形增大。此外，垂直工況下豎直應(yīng)力和水平向應(yīng)力的應(yīng)力差增大會加劇水平向應(yīng)力在底板和頂板內(nèi)的應(yīng)力集中程度，迫使剪切破壞范圍增大，即塑性區(qū)增大。