不同石灰巖頂板厚度下的黃泥頂板變形特性研究

魏啟俊

（陽泉煤業集團翼城石丘煤業有限公司）

隨著賦存良好的煤炭資源開采殆盡，地質結構復雜的煤炭資源開采成為常態［1-10］，開采過程中煤層會出現不同程度的變形和破壞，因此，研究復雜地質條件下的煤層開采后的變形特征具有重要意義。本文以石丘煤礦9+10#煤層為背景，利用FLAC3D數值模擬軟件建立下不同石灰巖頂板與黃泥頂板厚度的數值模型，得出其圍巖變形、垂直應力、矢量位移與體積應變情況，探究不同厚度石灰巖頂板對不同厚度黃泥頂板變形特性的影響，并提出不同支護方式，以期為礦山后續的生產提供理論依據。

1 工程地質概況

石丘煤礦9+10#煤層走向近東西，傾向北，厚度為2.49～2.96 m，平均厚度2.70 m，含0～1 層夾石，結構簡單。基本頂為灰色石灰巖，厚度為6.45～13.70 m，平均厚度為10.82 m。底板為灰色鋁質泥巖，厚度為0.60～6.55 m，平均厚度為2.98 m。井田煤層總體走向近東西，傾向北的單斜構造，煤層傾角一般為5°～8°，局部達15°左右，井田內發育1條斷層，未發現陷落柱及褶曲，井田構造復雜程度屬簡單類。

9+10#煤層基本頂為灰色石灰巖，厚層狀、質堅硬、性脆、裂隙較發育，組成了穩定性好的頂板，易管理，但裂隙發育，易造成滲水和涌水，對開采帶來不利因素。直接頂多為黃泥巖，厚度為1.8～4.2 m，黃泥巖遇水泥化膨脹，頂板變形嚴重［11-18］。底板為鋁質泥巖，致密，性脆，裂隙較不發育，遇水易軟化，易發生底鼓現象（頂面來壓時），頂底板巖性特征見表1。

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2 不同石灰巖頂板厚度的數值模型

石丘煤礦主采煤層9+10#煤層的直接頂為黃泥巖，厚度為1.8～4.2 m；由于基本頂為石灰巖，含水程度中等。隨回采巷道的開挖，黃泥巖遇水泥化膨脹，頂板變化劇烈。針對不同厚度的黃泥巖及不同厚度的石灰巖條件下的回采巷道圍巖變形特征，通過數值計算軟件FLAC3D建立數值計算模型，分析不同條件下圍巖破壞特征及應力變化規律。

為分析9+10#煤層中回采巷道掘進中圍巖變形特征，根據煤層頂底板條件，以二采區運輸大巷為例，巷道凈寬3.8 m，高2.5 m。建立不同石灰巖厚度頂板（4，8 m）與黃泥頂板（1.5，3.5 m）的數值模型。根據回采巷道所處的地質條件，建立巷道剖面-平面應變模型，模型寬度取64.4 m。模型兩側面為滑動支承，底部為固定支承，上部為應力邊界，施加垂直向下的15 MPa地應力。力學模型如圖1所示。參照該礦實際巖體力學特性和相近礦區的巖體力學參數確定。模型中主要巖層的主要力學參數見表2，節理特性考慮采動影響，圍巖本構關系采用摩爾-庫侖及應變軟化模型。

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3 不同石灰巖頂板厚度下黃泥巖頂板變形分析

黃泥巖厚度為1.5 m，石灰巖厚度為4.0 m 時，圍巖變形狀況如圖2 所示。黃泥頂板與石灰巖頂板間的離層較小，頂板變形嚴重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應力核與兩幫距離為1.43 m，最大應力達到9.0 MPa；頂板最大下沉量達到1.118 m，最大離層量為0.09 m；最大體積應變為0.45，位于回采巷道黃泥頂板表面。

黃泥巖厚度為1.5 m，石灰巖厚度為8.0 m 時，圍巖變形狀況如圖3 所示。黃泥頂板與石灰巖頂板間出現的離層量較小，頂板變形嚴重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應力核與兩幫距離為1.52 m，最大應力達到9.0 MPa；頂板最大下沉量達到1.063 m，最大離層量為0.093 m；最大體積應變為0.45，位于回采巷道黃泥頂板表面。

黃泥巖厚度為3.5 m，石灰巖厚度為4.0 m 時，圍巖變形狀況如圖4 所示。黃泥頂板與石灰巖頂板間出現的離層量較小，頂板變形嚴重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應力核與兩幫距離為1.42 m，最大應力達到9.0 MPa；頂板最大下沉量達到1.157 m，最大離層量為0.052 m；最大體積應變為0.4，位于回采巷道黃泥頂板表面。

黃泥巖厚度為3.5 m，石灰巖厚度為8.0 m 時，圍巖變形狀況如圖5 所示。黃泥頂板與石灰巖頂板間出現的離層量較小，頂板變形嚴重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應力核與兩幫距離為1.4 m，最大應力達到8.0 MPa；頂板最大下沉量達到1.172 m，最大離層量為0.053 m；最大體積應變為0.4，位于回采巷道黃泥頂板表面。

4 不同石灰巖頂板厚度下黃泥巖頂板變形規律

根據數值模擬結果，分別對不同石灰巖頂板厚度條件下的最大黃泥頂板下沉量和最大頂板離層量進行對比，結果如圖6 所示。整體上，黃泥頂板的最大下沉量和最大離層量變化規律大致相似，石灰巖厚度小于6 m 并且黃泥巖厚度小于3.5 m 時，最大頂板下沉量變化較小；石灰巖厚度小于6 m 并且黃泥巖厚度大于3.5 m 時，頂板最大下沉量隨黃泥巖厚度的增加迅速增加；當石灰巖的厚度大于6.0 m，最大離層量隨黃泥巖厚度的增加而減小。

根據數值模擬結果以及工程現場的頂板實際破碎形態，可以將黃泥不穩定頂板條件下回采巷道的變形特征大致分為3類：

（1）離層破碎型：黃泥巖厚度小于1.5 時，頂板下沉量大，基本處于破碎狀態。

（2）離層膨脹型：黃泥巖厚度為1.5～3.5 m 時，頂板下沉量隨黃泥巖厚度的變化不大，而頂板離層量則隨黃泥巖厚度的增加迅速減小。頂板下沉量為頂板離層量與黃泥的膨脹變形量之和。

（3）膨脹蠕變型：黃泥巖厚度大于3.5 m 后，頂板離層量相對較小，頂板下沉量主要為黃泥的膨脹蠕變變形量。

5 不同巷道頂板變形特征下支護參數設計

（1）離層破碎型支護。對于離層破碎型頂板，巷道支護采用錨桿、錨索聯合支護方式。錨桿為直徑22 mm、長2.2 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索為直徑17.8 mm 的預應力錨索，長8.0 m，排距為1 500 mm。巷道肩部錨桿角度為60°～65°，底角錨桿與水平線夾角為10°，如圖7所示。

（2）離層膨脹型支護。對于離層膨脹型頂板，巷道支護采用錨桿、錨索聯合支護方式。錨桿為直徑22 mm、長2.2 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索為直徑17.8 mm 的預應力錨索，長8.0m，采用五花布置方式，間排距為1 000 mm×1 600 mm。巷道肩部錨桿角度為60°～65°，底角錨桿與水平線夾角為10°，如圖8所示。

（3）膨脹蠕變型支護。對于膨脹蠕變型頂板，巷道支護采用錨桿、錨索聯合支護方式。錨桿為直徑22 mm、長2.4 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索為直徑17.8 mm 的預應力錨索，長8.0m，間排距為1 800 mm×1 500 mm。巷道肩部錨桿角度為60°～65°，底角錨桿與水平線夾角為10°，如圖9所示。

6 結 語

（1）建立不同厚度石灰巖頂板與不同厚度黃泥巖頂板的數值模型，分析不同厚度條件下的圍巖變形、垂直應力、位移矢量與體積應變。

（2）通過對不同石灰巖頂板厚度條件下的最大黃泥頂板下沉量和最大頂板離層量進行對比，得出黃泥頂板的最大下沉量和最大離層量變化規律大致相似，石灰巖厚度小于6 m 并且黃泥巖厚度小于3.5 m時，最大頂板下沉量變化較小；石灰巖厚度小于6 m并且黃泥巖厚度大于3.5 m 時，頂板最大下沉量隨黃泥巖厚度的增加迅速增加；當石灰巖的厚度大于6.0 m，最大離層量隨黃泥巖厚度的增加而減小。

（3）根據黃泥頂板的變態特征，將黃泥頂板劃分為離層破碎型、離層膨脹型、離層蠕變型，并對不同變形特征的頂板設計了相應的錨桿錨索聯合支護方案。