層狀巖層影響下煤礦巷道穩定性研究

徐 峰 （安徽理工大學，安徽 淮南 232000）

0 引言

在淮南礦區中層狀巖層分布較為廣泛，因其不同巖層的沉積時間、礦物成分等成巖條件各不相同，且不同巖層的厚度及力學特性相差較大，不同方向、不同深度的層狀巖層力學特征相去甚遠。層狀巖層在垂直于層面方向上可以傳遞較大的壓應力，僅能傳遞較低的拉應力，圍巖整體性差，易產生碎脹，形成拉裂區域，進而導致冒頂、底臌等問題；若僅用均勻巖體支護的方法對傾斜巖層進行支護，由于巖體各處的各項異性，導致支護結構受力不均勻，易使得層狀巖塊發生滑移，尤其易在肩角和幫部位置出現大變形。由于層狀圍巖條件下巷道掘進引起的頂板離層、兩幫非對稱收斂、底臌、肩角閉合等圍巖破壞現象，極易產生安全問題并影響煤礦生產進度。因此，需分析層狀巖層覆蓋下煤礦巷道圍巖應力分布特點及其易破壞位置，并有針對性地對其進行加固。

李曉紅等表示層狀巖體下巷道圍巖最大地應力方向不是巷道圍巖破壞的方向，而是在垂直于層面方向上。沙鵬等表示層狀圍巖主要沿巖層層面法線方向產生擠壓變形，且該方向的強度最弱。李樹忱等表示開挖多裂隙且具有傾角的巖體時，頂板及底板巖體主要產生大變形、兩幫巖體具有分層破裂特征，沿裂隙方向在巷道兩旁呈“耳朵狀”分布。周應麟等表示層狀巖體破裂后會導致圍巖變形，巖層傾角與巷道開挖后穩定性成反比，傾角越大，穩定性越差，且當傾角在40°左右時，對二次襯砌產生偏壓現象最為明顯。張學民表示層狀巖層層面傾角角度的變化影響巖石材料的強度，具有的傾角效應，沿著平行或垂直于層理面方向，巖體的抗壓強度最大，抗壓強度與層面傾角的關系曲線分別呈“U”型、肩型或波浪型。王輝表示層狀復合巖層巷道頂板、底板、兩幫的變形破壞具有明顯的耦合作用特征。

本文在此基礎上，以顧橋煤礦巷道為背景，通過基爾希方程來分析巷道周圍的應力分布，并結合現場實際監測數據，判斷巷道最易破壞及形變較快位置。

1 工程背景

本文選取的顧橋煤礦巷道周圍巖體巖性由上到下主要為細砂巖、煤線、泥巖、砂質泥巖等，巖層產狀為88°～92°、∠5°～7°。如圖1所示。

圖1 綜合地層柱狀圖

2 理論分析

當對層狀圍巖體進行開挖時，受開挖影響,巷道周圍巖體向內徑向變形，當有巖體效約束不足時，層間節理最先發生破壞，巖層發生受剪破壞最終導致層狀圍巖失穩。因此，在分析最大可能破壞位置時，需找出平行于層狀巖層傾角的最大切向應力位置。本文假設在層狀巖層處發生滑移、剪脹變形前，巷道周圍巖體為具有均質性、各向同性和線彈性特征，且巷道斷面為圓形，埋深深度大于巷道直徑的二十倍（如圖2所示），用彈性理論中基爾希解來計算環向應力（如圖3所示）。

圖2 層狀巖層下巷道-圍巖示意圖

圖3 在極坐標系下使用彈性理論確定的環形巷道應力分布[9]

基爾希方程即：

σ,σ,τ—徑向應力、切向應力和剪應力；

λ—側壓力系數；

ρ—巷道半徑；

r—巷道中心到應力計算點的距離；

θ—在極坐標系中的角度。

經對煤礦深部原巖應力場進行實測，側壓力系數一般為1.0～1.6。由基爾希方程易知當λ＞1，r=ρ時，σ為零，σ較大且與cos2θ的變化成正比。當σ平行于層狀巖層傾角時，層狀巖體所受的剪應力最大，層間節理首先破壞，巖層受剪切作用導致斷裂最終巖體發生滑移、拱曲、變形，具體表現為肩角內擠、底臌，如圖4。

圖4 巷道肩角內擠、底臌示意圖

3 現場觀測

在巷道選取觀測斷面，并在斷面布置測點及感光測片，使用精度較高的全站儀進行位移監測，獲得各點的三維坐標，并通過向量運算得到頂板、肩部及兩幫的相對收斂位移。本次選擇斷面5進行監測，斷面位置圖如圖5，測點布置圖如圖6，監測結果如圖7。監測結果表明：巷道斷面肩部位置的變形顯著大于頂部和兩幫。

圖5 斷面位置圖

圖6 圍巖表面收斂位移監測布置

圖7 圍巖表面收斂位移監測結果

4 結論

若巷道處在深部層狀巖層中，當巷道巖體處于彈性變形階段時，在巷道輪廓切應力方向平行于巖層產狀方向的位置處，巖層最易發生彎曲、剪切破壞。在顧橋煤礦巷道中，巷道肩角的變形速率明顯大于頂板及兩幫，后期可以通過圍巖注漿、錨桿（索）進行針對性加固。