底板软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响分析_王建飞.pdf

底板软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响分析 王 建 飞 （大同煤矿集团公司同发东周窑煤业股份公司 ， 山西 大同 037000 ） 摘要煤层底板软弱层位易出现应力集中，增大巷道围岩稳定性控制难度。基于此，本文通过 FLAC3D数值软件建立含底板软弱夹层的巷道围岩稳定性计算模型，分析了软弱夹层影响下巷道的 应力、 变形和破坏特征， 研究了软弱夹层位置和厚度对巷道稳定性的影响规律。 研究结果表明 ①有无 软弱夹层的对比分析结果显示， 底板软弱夹层增大了巷道围岩稳定性控制的难度； ②巷道底板围岩最 大位移和锚喷支护层最大弯矩随软弱夹层厚度的增大而增大；③巷道底板围岩最大位移和锚喷支护 层最大弯矩随软弱夹层距巷道底板距离的增大而减小； ④针对底板软弱夹层的特点， 提出了改变巷道 围岩支护方法和强化破裂围岩体强度等施工建议。 关键词 软弱夹层 ； 稳定性控制 ； 应力 ； 变形 ； 破坏 中图分类号 TD823文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0086- 04 Influence of Soft Interlayer Location in Coal Floor on Stability of Roadway Surrounding Rocks WANG Jianfei （DongfangYaozhou Coal IndustryCo., Ltd., DatongCoal MiningGroup Co., Shanxi Province , Datong 037000 , China ） Abstract The stress concentration is easy to occur in the soft interlayer location of coal seam floor, which increases the difficulty of stability control in roadway surrounding rock. Based on this, roadway surrounding rock stability calculation model with soft interlayer was built by FLAC3D numerical software. The stress, deation and failure characteristics of roadway was analyzed under the influence of the soft interlayer. The influence law of the location and thickness of roadway stability with soft interlayer was studied. The results show that 1 The comparative analysis results of whether there is a weak interlayer show that the soft interlayer increases the difficulty of stability control in roadway surrounding rock. 2The maximum displacement and maximum bending moment ofroadway floor surrounding rock increase with the increase of the thickness of weak interlayer. 3 The maximum displacement and maximum bending moment of roadway floor surrounding rock decrease with the increase of the distance between soft interlayer and roadway floor. 4 According to the characteristics of weak interlayer of floor, some construction suggestions was put forward, such as changing the supporting of roadway surrounding rock and strengthening the strength offractured surroundingrock mass. Keywords soft interlayer ; stabilitycontrol ofsurroundingrocks ; stress ; deation ; failure 0引言 随着上组煤资源逐渐枯竭， 煤层开采不断向深 部延展， 巷道围岩稳定性控制愈加困难， 亟待解决 [1]。目前， 巷道围岩稳定受工程软岩作用、 水理作用、 高应力作用、采动影响、支护强度等因素的影响 [2- 3]。煤系地层通常由多层不同岩性的沉积岩组成， 部分矿区煤层底板存在软弱夹层， 该层位易出现应力 集中， 进一步加大巷道围岩稳定性控制难度。 在底板软弱夹层巷道围岩控制方面， 大量学者 已经开展了大量的研究工作。唐春礼等 [4] 利用 ABAQUS 数值模拟方法分析了爆破作用下冬瓜山 铜矿深部巷道受到采场围岩的力学响应特征， 提出 了优化支护方案， 实现了底板软弱夹层的稳定性控 制； 孙利辉等[5]采用理论分析和数值模拟相结合的 方法建立了底板软弱夹层的计算模型， 分析了夹层 对应力、 位移和破坏的影响规律； 张农等[6]利用物 理模拟方法建立不同软弱夹层位置采动失稳破坏 型式，提出了含软弱夹层的巷道围岩强化控制原 理； 张顶立等[7]建立含软弱夹层岩体组合系统的力 学模型，揭示了含夹层岩体的破坏及失稳机理， 提 出了含夹层岩体稳定性的判别指标。基于上述学者 的研究，本文针对鹤壁八矿 3003 岩中巷软弱夹层 的具体地质条件，建立 FLAC3D 数值计算模型， 分 析了软弱夹层影响下巷道的应力、变形和破坏特 征， 研究了软弱夹层位置和厚度对巷道稳定性的影 响规律， 提出底板软弱夹层的巷道支护方案和施工 建议措施。本文的研究成果可为近似底板软弱夹层 的巷道围岩稳定性控制提供理论依据。 1数值计算模型建立 1.1工程概况 鹤壁八矿 3003 岩中巷断面形状为直墙半圆拱 型， 墙高 1.3m， 拱高 1.9m， 巷宽 3.8m。其整体埋深 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 86 ChaoXing 530m， 全长 450m， 主要担负 3003 工作面的出煤、 通 风、 行人等任务。巷道在砂质泥岩中掘进， 砂质泥岩 平均厚度 6.25m， 直接顶为较硬的石灰岩， 平均厚度 6.6m， 直接底以泥岩为主， 中夹一软弱薄煤夹层， 平 均厚度 0.95m。巷道开挖影响范围内岩层相关力学 参数如表 1 所示。 表 1巷道周边围岩力学性质参数 巷道开挖过程中采用锚网喷进行支护， 锚杆用 Φ20mm， L2000mm 的树脂螺纹钢锚杆，配用拱形 托盘和高强螺母， 以及 2 卷 CK2335 型树脂锚固剂， 间排距为 700700mm，每排 13 根。金属网采用 Φ4.0mm 点焊网，网片规格 1500800mm，网孔 8080mm， 喷浆用 325 普通硅酸盐水泥， 喷层厚度 100mm， 必要时加钢筋梁和 U 型钢棚支护。 1.2数值模型 图 1巷道开挖数值模型 根据鹤壁八矿实际工程情况，采用 FLAC3D 建 立底板含软弱夹层的巷道开挖数值模型， 如图 1 所 示。 模型长 40m， 宽 1.4m， 高 34.5m， 共包含 27360 个 单元和 41724 个节点。模型边界条件设置为顶面自 由以及四周方向约束， 顶面施加应力 13.6MPa， 侧面 施加 16.32MPa。 巷道开挖支护模拟时， 采用 cable 单 元模拟锚杆， 采用 shell 单元模拟锚喷层。当巷道底 板不存在软弱薄煤层时， 将薄煤层位置岩体参数替 换为砂质泥岩参数。 2数值模拟结果分析 2.1软弱夹层存在影响 1） 最大剪应力。由于巷道围岩最大主应力受夹 层影响甚微， 本文只研究了最大剪应力在巷道围岩 中的分布情况， 如图 2 所示。可以看出， 有无软弱夹 层情况下， 巷道围岩最大剪应力最大值均出现在巷 道顶底板位置， 但由于巷道底板围岩强度要明显小 于顶板， 因此， 巷道围岩最大剪应力在底板方向的 集中区域要比顶板小且距巷道表面较远。当巷道底 板无夹层时， 巷道围岩最大剪应力能够在底板应力 集中区域往深浅均形成较强的连续分布； 而当巷道 底板存在夹层时， 夹层起到阻挡底板岩层应力传递 的作用， 夹层上下岩层中最大剪应力应力出现跳跃 性分布且夹层下方出现局部应力增高现象。 （a）无软弱夹层（b）有软弱夹层 图 2巷道开挖后围岩的最大剪应力分布云图 2）竖向位移分布云图。 图 3 所示为巷道开挖后 围岩竖向应力的分布云图。当巷道底板不存在软弱 夹层时， 巷道顶板最大沉降为 17.9 mm， 而巷道底鼓 量则达到 62.9 mm， 出现在巷道底部中心位置， 由底 鼓最大位置往围岩深处， 巷道底板围岩竖向位移值 逐渐减小。整个巷道底板变形主要集中在巷道底面 正下方约 3.3 m 的区域， 其余位置则相对很小。 当巷 道底板存在软弱夹层时， 巷道顶底板围岩变形分布 规律变化很小， 但巷道底板的最大底鼓量却增大了 将近 50， 达到了 91.8 mm， 这说明， 巷道底板软弱 夹层的存在减小了巷道底板的整体刚度， 使得巷道 底板在相同的卸载应力作用下出现了较大的变形。 （a） 无软弱夹层（b） 有软弱夹层 图 3巷道开挖后围岩的竖向位移分布云图 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 岩层名称 层厚 /m 弹性模 量 /GPa 泊松 比 抗拉强 度 /MPa 内聚力 /MPa 内摩 擦角 / 密度 /kg m-3 砂质泥岩6.417.780.251.061.5232334 细粒砂岩3.823.20.221.533.2322649 粉砂岩3.922.70.231.532.8302719 泥岩0.9512.360.280.561.1201884 石灰岩6.624.30.211.963.5382747 砂质泥岩6.2516.10.250.91.5232427 煤层0.953.60.30.60.7281350 泥岩2.314.650260.81.3212293 细粒砂岩2.124.70.231.492.4282609 泥岩1.913.20.250.91.4212302 砂质泥岩3.2612.50.241.121.8242604 87 ChaoXing 3） 塑性区。巷道开挖后周边围岩的塑性区分布 如图 4 所示。当底板不存在夹层时， 整个巷道以剪 切破坏为主， 仅在底板浅部 0.25m 范围内发生拉伸 破坏； 同时， 受高埋深与高水平应力的影响， 巷道整 体塑性区范围较大，顶板 1.5m、两帮 1. m、底板 5.0m。当底板存在软弱夹层时， 顶板以及两帮塑性 区分布变化不大， 而底板在软弱夹层上方的围岩塑 性区则往两侧各增大了 1.0 m；而夹层下方底板围 岩塑性区宽度则相对上方减小较为明显， 且夹层下 部围岩存在一定的完整岩层， 这部分岩层也是应力 较大区域； 对比无夹层情况， 夹层下方围岩塑性区 范围在宽度方向有所增大， 其增大范围约为 0.2m。 （a） 无软弱夹层（b） 有软弱夹层 图 4巷道开挖后围岩的竖向位移分布云图 4） 结构弯矩。图 5 所示为巷道开挖后锚喷层的 弯矩分布图， 由图可知， 有无软弱夹层下， 巷道锚喷 层弯矩值在巷道顶拱以及两边墙分布较小， 而在巷 道底板分布则较大且最大值出现在距巷道中心约 0.9m 的位置。软弱夹层的存在对巷道顶拱和两边墙 锚喷层弯矩影响较小， 但却使底板锚喷层的弯矩增大 了约 25， 这对巷道底板受力不利， 影响使用安全。 （a） 无软弱夹层（b） 有软弱夹层 图 5巷道开挖后锚喷支护层的弯矩分布图 2.2软弱夹层厚度影响 当巷道底板软弱夹层距巷道底板 1.75m，厚度 分别为 0.95m、 2m、 3m 和 4m 时， 巷道围岩位移以及 锚喷层弯矩随软弱夹层厚度的变化曲线如图 6 所 示。可以看出， 巷道顶板围岩最大位移随底板软弱 夹层厚度变化不大； 而巷道底板围岩最大位移和锚 喷支护层最大弯矩则与软弱夹层厚度呈线性增长 关系， 即软弱夹层厚度每增大 1m， 巷道底板最大位 移增加 12mm， 锚喷支护层最大弯矩增加 6kN m。 图 6巷道围岩位移以及锚喷层弯矩随软弱夹层 厚度的变化曲线 2.3软弱夹层位置影响 当巷道底板软弱夹层厚度为 0.95m，距巷道底 板距离为 1m、 2m、 3m 和 4m 时，巷道围岩位移以及 锚喷层弯矩随软弱夹层厚度的变化曲线如图 8 所 示。由图可知， 随着软弱夹层距巷道底板距离的增 大， 巷道顶板围岩最大位移基本保持不变； 而巷道 底板围岩最大位移则呈指数衰减式减小， 即当软弱 夹层距巷道底板距离达到一定程度时， 软弱夹层对 巷道底板变形也影响很小。锚喷支护层最大弯矩则 与软弱夹层距巷道底板距离大致呈抛物线分布， 即 当软弱夹层距巷道底板距离为 2m 时，锚喷支护层 最大弯矩值最大， 其值约为 128.8kN m。 图 7巷道围岩位移以及锚喷层弯矩随软弱 夹层距巷道底板距离的变化曲线 3底板含软弱夹层的巷道施工建议措施 底板软弱夹层加大了巷道围岩稳定性控制的 难度。在巷道施工过程中， 针对软弱夹层的厚度和 层位， 根据巷道围岩的应力、 变形和破坏特性， 应采 取改变巷道围岩支护方法、 强化破裂围岩体强度等 施工措施。 底板软弱夹层巷道围岩支护的改进方法包括 加固法和卸压法。一方面， 巷道支护后， 围岩常出现 滞后松动变形的特性， 应增加高预应力锚杆保证巷 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 88 ChaoXing （上接第 85 页 ） 板完整, 非切顶侧顶板岩层变形弯曲，巷道围岩稳 定， 采空区顶板均匀垮落， 工作面施工过程中没有 出现顶板、 煤壁大面积垮落、 片帮的现象， 实际留巷 效果较好。 参考文献 [1] 李明. 爆破切顶与联合支护技术在沿空留巷中的应用研 究[J].能源与环保,2017,39 （06） 137- 144. 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[5] 赵龙刚,李晓刚,张占胜. “两软一硬” 不稳定煤层沿空留巷 工艺探索及应用[J].煤炭技术,2018,37 （07） 55- 57. 作者简介 王洪斌 （1967-） 男， 山西晋城人， 毕业于太原理工大学采 矿工程， 工程师， 从事煤炭生产调度管理。 （收稿日期 2019- 3- 8） 道初期支护强度、减小或消除巷道围岩的松动变 形。同时， 可以通过改变锚杆表面材料来提高初始 锚力， 增强锚杆承载性能。另一方面， 可以通过卸压 法来治理底板软弱夹层巷道底鼓，在底板通过钻 孔、 爆破和切缝等形式， 将应力集中区域转移， 降低 底板的变形量。 底板软弱夹层巷道易出现顶帮冒落和底鼓现 象，强化破裂围岩体强度可以有效减小巷道变形， 降低顶帮冒落事故， 减小底鼓。一方面， 底板软弱夹 层巷道顶帮常采用安装高预拉力锚杆来提高围岩 的抗剪阻滑作用，增强岩体的岩体的承载能力， 提 高岩体强度； 另一方面， 通过注浆加固方法可以有 效提高围岩整体结构强度，增强岩体的抗变形能 力， 提高岩体的承载能力， 有效控制软弱夹层巷道 的围岩变形。 4结论 本文利用 FLAC3D 数值方法分析了软弱夹层影 响下巷道的应力、 变形和破坏特征， 研究了软弱夹 层位置和厚度对巷道稳定性的影响规律， 主要结论 如下 1）对比分析了有无软弱夹层巷道围岩的应力、 变形和破坏特征， 底板软弱夹层影响下， 巷道围岩 变形量和破坏区域均出现了增大的现象， 底板软弱 夹层增大了巷道围岩稳定性控制的难度。 2） 底板软弱夹层厚度对巷道顶板围岩最大位 移无显著影响， 而巷道底板围岩最大位移和锚喷支 护层最大弯矩则与软弱夹层厚度呈线性增长关系。 3） 巷道顶板围岩最大位移受软弱夹层距巷道 底板距离影响不大， 巷道底板围岩最大位移随软弱 夹层距巷道底板距离的增大呈指数衰减式减小， 锚 喷支护层最大弯矩则与软弱夹层距巷道底板距离 的增大大致呈抛物线形式的减小。 4）针对底板软弱夹层的特点， 提出了改变巷道 围岩支护方法和强化破裂围岩体强度等施工建议。 参考文献 [1] 何满潮, 谢和平, 彭苏萍, 等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24 （16） 2803- 2813. 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