趙固一礦巷道復合頂板巖層結構類型與 穩定性數值模擬分析

馮吉成，石建軍，張鳳巖，師浩宇，郭書英，彭 瑞，肖 建

(1.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；2. 北京天地華泰礦業管理股份有限公司，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境中，由于沉積環境及變質-混合作用的不同，在幾百米或者甚至幾十米范圍內巖體性質都會發生變化，而煤巷就處于這樣的復雜多樣且變化無常的地層條件中，使巷道頂板性質如巖性、厚度和結構組合等千差萬別，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生合并或分叉，從而在不同的位置上頂板巖層的力學性質表現出顯著差異性[1-3]。

在研究巷道層狀頂板穩定性方面，國內外學者做了大量工作，取得了豐富的研究成果。國外學者Sofianos A.I.[4]運用離散元方法研究了錨桿支護情況下層狀復合頂板穩定性，國內學者陳炎光、陸士良[5]將巷道頂板失穩影響因素歸為四大類：自然地質因素、工程質量因素、采掘工程影響、礦井工程技術人員未嚴格執行頂板安全規程；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主要與頂板巖層性質、賦存狀態等因素有關，但其中軟巖厚度的變化是頂板失穩主要因素；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壓系數λ決定；楊建輝[10]揭示層狀頂板巖體在垂直應力作用下，巖層內節理、裂隙使層狀轉化為鉸接拱，承載結構破壞，水平應力作用下，拱鉸接破碎壓壞，煤巷層狀結構頂板在垂直和水平應力下最終會形成組合鉸接拱結構。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致冒頂的最大原因；劉洪濤等[12]建立了巷道頂板巖層力學模型，闡明了穩定巖層與冒頂隱患之間的關系；蔣力帥等[13]基于成巖環境和現場大量檢測資料結果，將巷道復合頂板劃分7種類型；朱永建[14，15]根據神東礦區淺埋礦井大量鉆孔資料、巖芯和鉆孔窺視結果，將神東礦區煤巷頂板巖層結構劃分8種類型。

本文在上述研究基礎上，以趙固一礦現場頂板窺視和礦區大量鉆孔資料結果，分析了趙固一礦巷道復合頂板巖層結構類型，采用UDEC離散元數值模擬方法，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律，基于趙固一礦已掘和未掘巷道頂板巖層結構類型，能夠對現有的支護形式與支護參數進行評價和修正，保證掘采期間巷道頂板穩定。

1 礦井地質條件

趙固一礦為焦作煤業集團的新建礦井，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煤頂底板巖性見表1。

表1 11031工作面煤層頂底板特征

2 巷道復合頂板結構類型

2.1 巷道復合頂板巖層結構探測

巷道復合頂板巖層結構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范圍內巷道頂板巖層結構均為泥巖，泥巖厚度較大，窺視孔0～2.5m范圍內頂板較為破碎，有較小離層發生，4～7m左右頂板發生離層，通過窺視錄像可知離層發生的距離不大。

圖1 東軌道91上巷以東區域巖層典型鉆孔窺視圖

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

圖2 西軌道軌運二聯巷區域巖層典型鉆孔窺視圖

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

圖3 11031上巷觀測區域巖層典型鉆孔窺視圖

圖4 11031下巷觀測區域巖層典型鉆孔窺視圖

11031下巷觀測區域內主要有泥巖、砂質泥巖和砂巖，其中主要成分為泥巖，砂巖集中出現在260～360m之間，窺視孔5～7m范圍內出現豎向裂隙，從裂隙的發育狀況來看，巖石承受著較大的壓力，且巖層間存在小離層。

2.2 巷道復合頂板巖層結構分類

根據趙固一礦現場窺視和礦區鉆孔資料分析結果，趙固一礦二1煤層頂板(0～8m范圍內)巖層結構類型主要由如下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泥巖或泥巖構成或砂質泥巖和泥巖組合構成(單一厚軟)；②二1煤層頂板下部由厚層狀的砂質泥巖或泥巖構成，頂板上部由厚層狀的砂巖構成(厚軟厚硬)；③二1煤層頂板下部由薄層狀的泥巖構成，頂板上部由厚層狀的砂巖構成(薄軟厚硬)；④二1煤層頂板下部由薄層狀的砂巖構成，頂板上部由厚層狀的泥巖構成(薄硬厚軟)；⑤二1煤層頂板下部由厚層狀的泥巖構成，頂板上部由薄層狀的泥巖構成(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合頂板巖層結劃分為單一軟巖、下硬上軟、下軟上硬和軟硬互層4種總結構類型，按巖層厚度繼續劃分為單一厚軟、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種亞結構類型，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 趙固一礦巷道復合頂板巖層結構分類表

3 復合頂板破壞特征與破斷規律數值模擬

3.1 數值模型及模擬方案

巷道頂板穩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，根據趙固一礦巷道復合頂板巖層結構類型，采用UDEC離散元數值模擬分析不同巖層組合的的破斷規律及破斷形態，不同層狀頂板組合類型模擬方案見表2，其中巷道復合頂板10m范圍內巖性組成如下：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準則，節理和裂隙采用Coulomb滑移準則，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，模型及網格劃分如圖6所示，其具體的巖石力學參數見表4。

圖6 模型建立及網格劃分

巖性 視密度/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa內聚力/MPa內摩擦角/(°)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律

在數值模擬中，巷道頂底板由砂巖、泥巖、砂質泥巖組成，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定性及頂板破壞形態的影響。不同層狀巖層組合巷道頂板破壞特征及垮落規律如圖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構的軟弱泥巖，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轉為兩向應力狀態，淺部泥巖承載能力降低，在600m埋深的高應力作用下，發生了剪切和拉伸破壞，淺部泥巖頂板垮落，垮落后冒頂形態呈圓錐形，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，實質是“鉸接拱形”的平衡結構，巷道頂板趨于穩定，此類單一軟巖型巷道頂板易發生高冒頂事故，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構，采用錨索將淺部承載層懸吊到上部穩定巖層中的同時，將懸吊區域內軟巖離層區擠壓加固。

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處出現了離層現象，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，存在頂板垮落的風險。因此，對于巷道為硬巖的厚直接頂，巷道頂板穩定性一般都較好，但對于巷道為硬巖的薄直接頂，若硬巖繼續變薄、巷道跨度增加或巷道埋深應力加大，堅硬砂巖已不能夠承受自身重力和上覆載荷的作用，頂板就會發生垮落，而緊鄰的軟巖也會發生迭加連鎖的失穩，此類薄硬厚軟型巷道頂板需采用錨桿加錨索聯合支護。

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，巷道頂板都會發生垮落，垮落高度和垮落后形態都不相同，同時軟巖與硬巖接觸面都會產生離層現象。其中Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)巷道頂板垮落后，巷道冒頂形態呈平頂型，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生離層現象，而Ⅱ2Ⅰ2型(厚軟厚硬型)頂板的破壞特征及垮落規律與圖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律大致與圖9Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)頂板相似，巷道冒頂形態呈平頂型，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垮落，其上軟巖也會發生迭加連鎖的失穩，故此類頂板初期冒頂高度低，一旦不及時支護，頂板會繼續多次垮落，冒頂高度會繼續增加，因此，采用錨桿將薄軟巖懸吊在薄硬巖淺部巖層上，形成承載結構，采用錨索將淺部承載層懸吊到上部穩定巖層中的同時，將懸吊區域內軟硬軟巖層接觸面易離層區域擠壓加固。

通過對4種總結構類型，6種亞結構類型頂板結構的巷道進行數值模擬分析，從圖7—10通過分析歸納總結如下：

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，垮落后冒頂形態呈圓錐形，緊鄰其上部軟巖最終形成外形如梁，實質是“鉸接拱形”的平衡結構，巷道頂板趨于穩定；Ⅱ1Ⅰ2型(薄軟厚硬型)和Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1型(軟硬薄多層相間型)破壞特征與破斷規律相近，垮落高度為1.0m，垮落后冒頂形態呈平頂形，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構，采用錨索將淺部承載層懸吊到上部穩定巖層中的同時，將懸吊區域內多個離層區擠壓加固，并且需重點監測；ⅠⅡ型(下硬上軟型)的Ⅰ1Ⅱ2型(薄硬厚軟型)，雖無垮落發生，但對于薄硬厚軟和厚硬薄軟型，無垮落現象，若硬巖繼續變薄、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，頂板就會發生垮落，而緊鄰的軟巖也會發生迭加連鎖的失穩，應注意監測和及時補強。

3)對于已掘出的巷道，要及時進行頂板巖層鉆孔窺視探測，根據鉆孔資料和探測得到的巷道頂板結構類型對已掘出的巷道現有的支護形式與支護參數進行評價，及時采取合理有效的補強措施；對于未掘進的巷道，根據鉆孔資料初判巷道頂板結構類型，采取初步支護設計，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，保證掘采期間巷道頂板穩定。

4 結 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種總結構類型，按巖層厚度繼續劃分為單一厚軟、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種亞結構類型。

2)對于單一軟巖型和厚軟厚硬型頂板，垮落后冒頂形態呈圓錐形，緊鄰其上部軟巖最終形成外形如梁，實質是“鉸接拱形”的平衡結構，最終趨于穩定；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，最終趨于穩定；對于薄硬厚軟和厚硬薄軟型，無垮落現象，若硬巖繼續變薄、巷道跨度加大或埋深增加，應注意監測和及時補強。

3)基于趙固一礦已掘巷道和未掘巷道頂板巖層結構類型，能夠對現有的支護形式與支護參數進行評價和修正，保證掘采期間巷道頂板穩定。