緩傾煤層地應力方向對巷道圍巖變形特征的影響

羅 剛

（貴州文家壩礦業有限公司，貴州 畢節 552100）

傾斜煤巖層巷道由于圍巖結構非對稱和傾斜頂板巖層應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，地應力水平提高，深入分析煤礦開采受巖層分布特征、地應力主應力方向特征和構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造區，構造應力場影響顯著，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、數值模擬分析地應力最大主應力水平時（構造應力場）地應力方向對緩傾斜煤巖層中巷道圍巖的變形特征的影響規律和機制，以期為構造強烈區深埋傾斜煤巖層中巷道的變形與穩定性控制提供參考。

1 數值模型及方案

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

表1 頂底板巖層物理力學參數

圖1 數值模型及應力布置示意圖

2 數值模擬結果分析

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，即當巷道斷面截斷或部分處于煤層范圍內時，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鍵部位。結合圖2 可看出，在兩種地應力分布工況下，緩傾斜巖層中巷道圍巖總變形均呈現出兩幫水平收斂＞頂板下沉＞底板隆起的分布特征，且總體上變形分布呈現非對稱特征，隨巖層傾斜發生一定量偏移；在垂直工況下，圍巖最大變形出現在左幫下部和右幫上部，最大變形量134 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

兩種工況下圍巖內塑性區深度與總變形量分布特征，塑性區深度最大位置和圍巖變形量最大位置均在左幫下部和右幫上部，且始終處于煤層范圍內。此外，垂直工況下頂板及頂板塑性區、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破壞的重點區域，支護設計需充分考慮地應力分布對圍巖變形和破壞的影響。結合圖3 可知，在兩種地應力分布工況下，緩傾斜巖層中巷道圍巖內塑性區分布均呈現傾斜非對稱分布，塑性區深度總體呈現出兩幫＞頂板＞底板的分布特征，其中垂直工況下圍巖內塑性區在兩幫和頂板深度均較大，左幫、右幫、頂板和底板塑性區深度分別為2.4 m、2.6 m、2.0 m 和1.6 m。

圖3 巷道圍巖塑性區分布特征

2.3 巷道圍巖應力分布特征

緩傾斜巖層中巷道圍巖內應力分布均呈現傾斜非對稱特征，垂直工況下最大水平向應力是平行工況下的兩倍，且垂直工況下水平向應力在頂板和底板內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深度增大的關鍵原因（圖4）。巷道圍巖表層卸荷區分布總體相似，平行工況下水平向應力的集中點相對較淺。平行工況下最大豎直向應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力在頂板和底板內的分布均呈現隨深度增大而增大的態勢，垂直工況下豎直向應力在巷道兩幫外圍巖內的集中程度和集中點深度均較水平工況要大（圖5）。

圖4 巷道圍巖水平向應力分布特征

圖5 巷道圍巖豎直應力分布特征

3 地應力方向對巷道圍巖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被強化，誘導了巷道圍巖內應力的非對稱分布，這是傾斜巖層內巷道圍巖變形和破壞呈現非對稱的關鍵。基于上述分析可知，地應力最大主應力水平（也稱構造應力場）時，地應力最大主應力分布方向對傾斜煤巖層巷道圍巖變形破壞的影響機制主要體現在兩方面：

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

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

綜上可知：地應力最大主應力方向水平時，地應力方向對傾斜煤巖層中巷道圍巖內的順層應力誘導效應有較大影響，垂直工況對巷道圍巖的變形和破壞更不利。根據數值分析結果，礦區回風巷施工中，將原設計中的對稱支護進行了優化，在地應力最大主應力方向水平且與巷道軸垂直段，加強了左幫、右幫和頂板的支護，同時在頂板右側煤層出露區增加了一根加強錨索進行了加固處理，如圖6。

圖6 文家壩一礦區采區回風巷改進支護設計圖（mm）

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

4 結論

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

2）垂直工況下最大水平向應力是平行工況下的兩倍，且垂直工況下水平向應力在頂板和底板內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深度增大的關鍵。

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