軟弱夾層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

張延威 高 尚

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277600）

關(guān)于巷道頂板軟弱夾層的研究，大多采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行研究。宋彥琦等[1]通過數(shù)值模擬得出巷道頂板軟弱夾層對巖石強(qiáng)度具有顯著的弱化效應(yīng)。湯友生等[2]利用數(shù)值模擬等手段得出軟弱夾層對巖石強(qiáng)度的弱化作用隨著傾角的增大呈先減小再增大趨勢。張農(nóng)等[3-4]通過相似模擬試驗(yàn)對軟弱夾層位置和錨桿、錨索等支護(hù)措施的錨固區(qū)域相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究，得出錨桿、錨索穿過軟弱夾層時(shí)，巷道頂板呈穩(wěn)定狀態(tài)，而錨固區(qū)域位于軟弱夾層邊緣或外部時(shí)，巷道頂板破壞嚴(yán)重，且易發(fā)生冒頂危險(xiǎn)，因此，要將錨桿、錨索錨固到巷道頂板上覆堅(jiān)硬巖層中[5-6]。文獻(xiàn)[7-10]指出巷道頂板存在軟弱夾層時(shí)，由于其力學(xué)性質(zhì)與其它巖性相差較大，在變形破壞過程中會出現(xiàn)鄰近巖層不同步現(xiàn)象，且易誘發(fā)巷道頂板整體破裂，造成支護(hù)失效，甚至導(dǎo)致巷道冒頂[11-14]。該文以七五煤業(yè)3上712 工作面運(yùn)輸巷為工程背景，在工作面回采過程中，巷道頂板部分鋼絲網(wǎng)斷裂，鋼帶被壓彎，經(jīng)現(xiàn)場鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，巷道頂板上覆巖層存在軟弱夾層（砂質(zhì)泥巖），需采用數(shù)值模擬手段來研究軟弱夾層破壞特征及應(yīng)力分布規(guī)律，并通過支護(hù)優(yōu)化手段來提高巷道圍巖穩(wěn)定性以保證巷道服務(wù)質(zhì)量。

1 工程背景

1.1 工程概況

七五煤業(yè)3上712 工作面位于3上采區(qū)南翼，煤層厚度1.5～3.2 m，煤層厚度變化較大，煤層傾角1°～3°，工作面標(biāo)高為-850 m。3上712 工作面所設(shè)計(jì)的巷道斷面為矩形斷面，巷道的凈寬及凈高分別達(dá)到4.5 m、2.6 m，矩形斷面面積為11.7 m2。根據(jù)現(xiàn)場勘探得出煤巖層分布情況如表1 所示，頂?shù)装迕簬r體物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 巷道圍巖變形特征

3上712 工作面回采期間，巷道頂板部分鋼絲網(wǎng)斷裂，鋼帶被壓彎，巖層出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，為查明原因，現(xiàn)場進(jìn)行了鉆孔窺視。巷道頂板窺視圖如圖1 所示。

圖1 巷道頂板窺視圖

通過對圖1 分析可知，巷道頂板巖層裂隙發(fā)育明顯，完整性較差且孔壁粗糙，主要位于軟弱夾層區(qū)域，而巷道直接頂細(xì)砂巖完整性較好，即軟弱夾層與細(xì)砂巖變形破壞會出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為得出軟弱夾層厚度對巷道穩(wěn)定性的影響規(guī)律，采用建立不同厚度的軟弱夾層數(shù)值試驗(yàn)方法，從圍巖水平應(yīng)力與塑性區(qū)破壞特征作為評價(jià)指標(biāo)來分析圍巖穩(wěn)定性。

根據(jù)3上712 工作面具體地質(zhì)條件（表1），選擇有限元差分模擬軟件FLAC3D，建立了工作面巷道數(shù)值計(jì)算模型。為提高計(jì)算機(jī)計(jì)算速度，綜合考慮后最終確定數(shù)值計(jì)算模型邊長為x×y×z=25 m×20 m×25 m，并結(jié)合實(shí)際的巖層結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，模型除頂部外，其余邊界面均施加位移約束，模型頂部施加垂直載荷21.25 MPa。數(shù)值計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 軟弱夾層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

為進(jìn)一步得出軟弱夾層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，設(shè)定下位堅(jiān)硬巖層厚度為2 m，以不同軟弱夾層厚度（0.3 m、0.8 m、1 m）為研究變量，借助數(shù)值模擬方法，得出軟弱夾層厚度與巷道圍巖穩(wěn)定性之間相關(guān)聯(lián)系。巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖

由圖3 可知：當(dāng)軟弱夾層分別厚0.3 m、0.8 m、1 m 時(shí)，巷道底板水平應(yīng)力分別達(dá)到61.592 MPa、61.752 MPa、61.760 MPa。隨著軟弱夾層厚度的增加巷道底板水平應(yīng)力基本相同，由此可得出，巷道頂板軟弱夾層厚度對巷道底板水平應(yīng)力基本無影響。且巷道開挖后，應(yīng)力最大值主要集中于巷道底板，主要是因?yàn)?，巷道底板主要由砂質(zhì)泥巖組成，其強(qiáng)度高，因此應(yīng)力集中值大。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板上方應(yīng)力核由雙核逐漸變?yōu)閱魏?，關(guān)鍵層1 區(qū)域礦壓顯現(xiàn)明顯，而下位堅(jiān)硬巖層區(qū)域礦壓顯現(xiàn)逐漸消散，兩個(gè)應(yīng)力核之間（軟弱夾層）水平應(yīng)力值明顯減小，造成軟弱夾層水平應(yīng)力值減小的原因?yàn)檐浫鯅A層其強(qiáng)度低。巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

通過對圖4 分析可知：隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板上方發(fā)生塑性破壞面積逐漸增加，呈正相關(guān)。當(dāng)軟弱夾層厚度為0.3 m 時(shí)，下位堅(jiān)硬巖層留有一定彈性區(qū)域，下位堅(jiān)硬巖層塑性區(qū)破壞形態(tài)類似于拱形，主要發(fā)生在巷道頂板正上方。在此厚度條件下，下位堅(jiān)硬巖層能有效控制圍巖穩(wěn)定性，阻止軟弱夾層塑性破壞向關(guān)鍵層1 的發(fā)展。0.8 m條件下，巷道頂板塑性破壞面積逐漸增大，此時(shí)，受軟弱夾層厚度影響，下位堅(jiān)硬巖層、軟弱夾層及關(guān)鍵層1 都發(fā)生部分塑性破壞并且相互貫通連接，存在冒頂危險(xiǎn)。1 m 條件下，巷道頂板塑性區(qū)擴(kuò)大區(qū)域與軟弱夾層厚度0.8 m 相比較而言，主要發(fā)生在關(guān)鍵層塑性破壞面積的擴(kuò)大，巷道發(fā)生冒頂危險(xiǎn)程度進(jìn)一步增加。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，巷道頂板軟弱夾層發(fā)生塑性破壞，并非整層均發(fā)生破壞，而只是巷道頂板該區(qū)域發(fā)生塑性破壞，并向兩側(cè)進(jìn)行延伸，達(dá)到一定破壞距離后，不再向兩側(cè)進(jìn)行延伸。由此可得出巷道頂板含軟弱夾層時(shí)巷道頂板塑性區(qū)破壞及分布特征，可為巷道支護(hù)措施提供一定理論依據(jù)。巷道圍巖水平應(yīng)力分布曲線如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖水平應(yīng)力曲線圖

由圖5 可知，隨著距巷道頂板距離的增加，巷道圍巖水平應(yīng)力先增大后減小再增大最后逐漸減小最終趨于穩(wěn)定。在軟弱夾層區(qū)域水平應(yīng)力值呈遞減趨勢，軟弱夾層巖層發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致應(yīng)力值降低；軟弱夾層巖層強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)松散，其物理參數(shù)黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量較低。當(dāng)下位堅(jiān)硬巖層厚0.3 m、0.8 m、1 m 時(shí)，礦壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在關(guān)鍵層1 區(qū)域。在此厚度下，巷道頂板上方（下位堅(jiān)硬巖層、軟弱夾層及關(guān)鍵層1）發(fā)生塑性破壞并且相互貫通連接。此時(shí)，應(yīng)力逐漸向遠(yuǎn)離巷道頂板處轉(zhuǎn)移，礦壓顯現(xiàn)主要發(fā)生在下位堅(jiān)硬巖層區(qū)域。在此厚度下，下位堅(jiān)硬巖層未發(fā)生完全塑性破壞，存在一定彈性區(qū)域；下位堅(jiān)硬巖層強(qiáng)度要高于關(guān)鍵巖層1，主要表現(xiàn)在黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量上。

綜上所述，可得以下結(jié)論：

1）隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板上方下位堅(jiān)硬巖層區(qū)域應(yīng)力值逐漸減小，巷道頂板塑性區(qū)破壞面積逐漸增大，發(fā)生冒頂危險(xiǎn)程度增高。

2）軟弱夾層厚度較小時(shí)，下位堅(jiān)硬巖層未發(fā)生完全塑性破壞，關(guān)鍵層1 幾乎不受軟弱夾層的影響。但隨著軟弱夾層厚度越來越大，導(dǎo)致關(guān)鍵層1及下位堅(jiān)硬巖層塑性破壞面積逐漸加大，與軟弱夾層厚度呈正相關(guān)。

3）不同軟弱夾層厚度會導(dǎo)致不同的頂板破裂形態(tài)，巷道含軟弱夾層頂板出現(xiàn)了明顯的非連續(xù)破壞，頂板破裂區(qū)具有明顯的隔層擴(kuò)展特性。完整性較好的堅(jiān)硬巖層的存在不能阻斷破裂區(qū)在軟弱夾層形成，破裂區(qū)會越過完整性較好的堅(jiān)硬巖層在強(qiáng)度較低的軟弱夾層重新分布，出現(xiàn)隔層擴(kuò)展的現(xiàn)象[6-8]。

3 含軟弱夾層頂板變形控制方法與應(yīng)用

3.1 巷道頂板變形控制技術(shù)

通過現(xiàn)場窺視和數(shù)值模擬得出，由于3上712 工作面運(yùn)輸巷頂板含有軟弱夾層，且隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板圍巖塑性區(qū)逐漸加大，因此，造成巷道頂板圍巖變形量大。

為有效控制巷道頂板圍巖變形，要在巷道頂板淺部圍巖進(jìn)行加固處理，同時(shí)也要兼顧軟弱夾層破裂區(qū)的擴(kuò)展。錨桿、錨索可發(fā)揮其懸吊支護(hù)作用。錨桿長度短，可控制巷道頂板淺部巖層破壞；錨索長度長，可有效穿過軟弱夾層，錨固到上覆堅(jiān)硬巖層中，發(fā)揮懸吊作用，有效控制圍巖變形。

3.2 工程應(yīng)用

3上712 工作面運(yùn)輸巷存在冒頂隱患的根本原因是其頂板軟弱夾層所造成。根據(jù)含軟弱夾層頂板巷道冒頂控制方法，主要控制對象為巷道頂板軟弱夾層，采用支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高3上712 工作面運(yùn)輸巷圍巖承載能力。將錨索由原來長度4500 mm 換成8500 mm，間距、排距分別為2100 mm、3300 mm，以保證錨索錨固于軟弱夾層上方的堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層，控制軟弱夾層的整體穩(wěn)定性；錨桿由原來2000 mm 增加至3000 mm，間排距為900 mm×1000 mm，盡可能錨固到堅(jiān)硬巖層中，在保障錨固質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步控制淺部圍巖破裂區(qū)的發(fā)展，并用Ф5 mm 的鋼筋網(wǎng)對巷道表面進(jìn)行保護(hù)。巷道支護(hù)示意圖如圖6 所示。

圖6 巷道支護(hù)圖（mm）

為驗(yàn)證巷道支護(hù)優(yōu)化后對頂板穩(wěn)定性的控制效果，采用十字布點(diǎn)法對巷道表面進(jìn)行位移量監(jiān)測，主要監(jiān)測工作面回采過程中巷道圍巖的整體變形情況（頂板下沉量、兩幫收斂量、底鼓量）。監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖變形示意圖

通過對圖7 分析可知：根據(jù)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果，巷道位移量在40 d 后基本趨于穩(wěn)定，巷道的頂板、兩幫及底鼓量分別達(dá)到53 mm、46 mm、41 mm，總體變形量較小，說明采用支護(hù)優(yōu)化方式后巷道圍巖得到了有效控制。

4 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)軟弱夾層由0.3 m 增加至1 m 時(shí)，巷道頂板上方下位堅(jiān)硬巖層區(qū)域應(yīng)力值逐漸減小，巷道頂板塑性區(qū)破壞面積逐漸增大，發(fā)生冒頂危險(xiǎn)程度增高；不同軟弱夾層厚度會導(dǎo)致不同的頂板破裂形態(tài)，巷道含軟弱夾層頂板出現(xiàn)了明顯的非連續(xù)破壞，頂板破裂區(qū)具有明顯的隔層擴(kuò)展特性。

2）巷道頂板水平應(yīng)力集中區(qū)與軟弱夾層厚度及力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，應(yīng)力集中區(qū)主要集中于下位堅(jiān)硬巖層與關(guān)鍵層1 區(qū)域，軟弱夾層由于發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致水平應(yīng)力值降低。

3）采用支護(hù)優(yōu)化手段后，根據(jù)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果，巷道位移量在40 d 后基本趨于穩(wěn)定，巷道的頂板、兩幫及底鼓量分別達(dá)到53 mm、46 mm、41 mm，總體變形量較小，說明巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化措施有效地控制了巷道圍巖穩(wěn)定性。