不同岩性穿层巷道围岩变形特征分析.pdf

482020 年第 6 期 收稿日期 2019-12-23 作者简介 刘彦武（1989-），男，汉族，山西吕梁人，山西柳 林煤矿有限公司总工程师。 不同岩性穿层巷道围岩变形特征分析 刘彦武 （山西柳林煤矿有限公司，山西 柳林 033399） 摘 要 巷道穿层掘进时需对不同岩性区域巷道围岩稳定性进行分析，针对不同岩层情况确定合理的支护参数。随着巷 道所处位置由上部向下部移动，两帮的垂直应力呈增大的趋势，巷道顶底板变形量要大于两帮。8 个计算模型中，上半部 分岩层区域巷道围岩变形量明显较大，在进行支护设计时，可将巷道分为两部分区别对待。 关键词 穿层 巷道 力学 特征 中图分类号 TD322 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.018 Analysis of Deation Characteristics of Surrounding Rock in Different Lithologic Tunnel Liu Yan-wu （Shanxi Liulin Coal Mine Co., Ltd., Shanxi Liulin 033399） Abstract It is necessary to analyze the stability of surrounding rock in different lithologic areas and determine reasonable support parameters according to different rock conditions. As the position of the roadway moves from the top to the bottom, the vertical stress of the two sides increases, and the deation of the roof and floor of the roadway is larger than that of the two sides. In the 8 calculation models, the deation of surrounding rock in the upper part of the rock stratum is obviously large. In the support design, the roadway can be divided into two parts. Key words through strata roadway mechanics characteristic 柳林煤矿开采 8煤层生产时所涉及的胶带暗斜 井、轨道暗斜井大巷需要穿层掘进，不同岩层岩石 力学性质不同，为了有针对性地进行围岩稳定性控 制及制定合理的支护方案，需对穿层巷道围岩变形 特征进行分析。 1 地质概况 山西柳林煤矿井田呈不规则多边形，井田东 西长约 3.70km，南北宽 3.50km，位于柳林县城北 5km 处的屈家沟村一带，批准开采煤层为 4、5、8、 9 号煤层，开采标高 970 430m。一水平布置在 5 号煤层， 水平标高745m ； 二水平布置在8号煤层中， 水平标高 700m。根据矿井开采现状，需进行 8 号 煤层与 5 号煤层配采，要求 5、8 号煤层接替开采。 柳林煤矿暗斜井穿过多种岩层，包括煤层、粉 砂岩、砂岩、泥质砂岩及石灰岩，尤其是石灰岩非 常坚硬。 岩石力学性质测试表明，泥岩（粉砂岩）的抗 压强度在 41.0366.02MP 之间，平均 57.18MPa；5 煤层单轴抗压强度试验值在 3.4310.29MPa 间，煤 与岩石的离散性较大，强度中等偏弱，但顶板的抗 拉强度和剪切凝聚力相对较高，也为锚网支护提供 了有利条件。8煤直接顶为石灰岩，致密，坚硬， 测试强度 96.16114.0MPa，平均 101.78MPa。8煤 坚硬直接顶板为采区巷道支护提供了有利条件。 2 数值模拟计算方案 巷 道 所 在 区 域 穿 过 4煤 层、5煤 层、6煤 层、7煤层、8煤层及煤层之间的各个岩层。根据 L17 钻孔综合柱状图，从 4煤层顶板至 8煤层底 板，岩层总厚度约 70m，其中粉砂岩、砂岩占比约 21， 砂质泥岩占比约26， 灰岩占比约36。 砂岩、 粉砂岩主要分布在 6煤层顶板灰岩以上；灰岩分布 在 6顶板岩层以下，且厚度较大；砂质泥岩在各个 煤层之间都有分布，但呈现层数多、单层厚度小的 特点。根据钻孔综合柱状图，巷道所在区域岩性可 分为两类一是粉砂岩、砂岩与厚度不大的砂质泥 岩互层分布；二是灰岩与厚度不大的砂质泥岩互层 492020 年第 6 期 分布。 根据煤层的综合地质柱状图，结合煤矿实际地 质资料建立模拟计算模型，共取 8 个不同岩层区域 的剖面进行模拟分析。具体的剖面图及剖面所在位 置如图 1 所示。 图 1 巷道模型所在位置 模型长 宽 高 100m50m100m，模拟 计算巷道分别位于8种不同岩层位置下的围岩变形、 应力及塑性区发育情况，计算时选取地应力系数为 1.2。 模型的四个侧面为位移边界，限制水平位移， 底部为固定边界，限制水平位移和垂直位移，网格 大小的变化使用 Attach 语句联接。模型上覆岩层的 重力，以每 100m 增加 2.5MPa 按照均布荷载形式 施加在模型的上部边界。支护方案选择时，以 cable 结构单元模拟锚杆及锚索的支护。 3 穿层巷道围岩应力分布特征 图 2 为不同岩层区域位置的巷道围岩垂直应力 分布图。不同位置的巷道的顶底板均产生了垂直应 力减小的区域，两帮均产生了垂直应力升高的区域。 同时发现随着巷道所处位置向下方移动，其两帮的 垂直应力呈增大的趋势，而巷道顶底板的垂直应力 则没有明显变化，均处于小于原岩应力的状态。 图 2 区域 2 巷道围岩应力分布 4 穿层巷道围岩变形特征 图 3 为不同岩层区域位置的巷道围岩变形特征 图。不同位置的巷道的顶底板均产生了变形，但不 同岩层区域及巷道不同位置围岩的变形程度不同。 总体上看，巷道顶底板变形量要大于两帮变形量。 6 煤顶板灰岩以上岩层为砂岩、泥质砂岩互层，6 煤顶板灰岩以下岩层为灰岩、泥质砂岩互层。从 8 个剖面的巷道围岩变形量来看，从 4 煤向下直至 8 煤层的 8 个计算模型中，巷道围岩变形量总体上逐 渐减小，说明上部分区域围岩条件较差，下半部分 围岩条件较好。模型 1 ～ 8 顶板变形量、底板变形 量及侧帮变形量如下表 1 所示。 图 3 区域 2 巷道围岩变形分布 表 1 巷道围岩变形统计 模型 顶板变形量 /mm 底板变形量 /mm 侧帮变形量 /mm 模型 125822575 模型 217416051 模型 31039042 模型 412811041 模型 5757026 模型 6827525 模型 7757016 模型 8706515 图 4 巷道变形统计图 从上述图表中可以看出，虽然巷道变形量从上 至下逐渐减小，但上半部分岩层区域巷道围岩变形 量要明显大于下半部分岩层区域。在进行支护设计 时，可将上下山巷道分为两部分区域考虑。 5 穿层巷道围岩塑性区分布特征 图 5 为不同岩层区域位置的巷道围岩塑性区分 502020 年第 6 期 人工假顶与冒落区围岩充分粘接在一起，不仅防止 了冒落区有害气体积聚，而且可使冒落区围岩得到 有效支撑，防止了冒落区范围进一步扩大。 （3）1305（上）工作面采用超前深孔注浆施工， 可一次性对工作面前方 20m 范围内超前应力区进行 超前注浆维护，与传统注浆相比不仅不会影响工作 面回采施工，而且注浆效果好，进一步提高了工作 面应力区煤岩体稳定性。 【参考书目】 ［1］ 李军 . 煤矿大采高综采工作面片帮冒顶控制技术 研究 [J]．化工管理，2019（27）120. ［2］ 张广会 . 煤矿综采工作面冒顶原因分析及预防 [J]. 能源与节能，2019（09）15-16. ［3］ 王海涛 . 综采工作面漏矸冒顶分析与控制技术研 究 [J]. 当代化工研究，2019（08）125-126. ［4］ 张浩 . 炮采工作面初采期间冒顶事故分析与预防 [J]. 山东煤炭科技，2018（12）72-74. ［5］ 李建强 . 煤峪口矿综采工作面冒顶防治措施探讨 [J]. 江西煤炭科技，2018（04）172-174. （上接第 47 页） 布图。不同位置的巷道围岩均有塑性变形区，但不 同岩层区域及巷道不同位置围岩的塑性变形区不 同。总体上看，巷道两底角及两肩位置处塑性区范 围要大于两帮及顶底板区域。6 煤顶板灰岩以上岩 层为砂岩、泥质砂岩互层，6 煤顶板灰岩以下岩层 为灰岩、泥质砂岩互层。从 8 个剖面的巷道围岩变 形量来看， 从4煤向下直至8煤层的8个计算模型中， 巷道围岩塑性区范围总体上逐渐减小，同样，说明 上部分区域围岩条件较差，下半部分围岩条件较好。 模型 18 巷道围岩塑性区范围如下表 2 所示。 图 5 区域 2 巷道塑性区分布 表 2 巷道围岩塑性区统计 模型顶板 /m肩角 /m底板 /m底角 /m 模型 11.22.31.12.4 模型 21.22.21.12.3 模型 31.22.21.12.2 模型 41.12.11.02.2 模型 51.01.80.92.0 模型 61.01.80.91.9 模型 71.01.60.81.9 模型 81.01.60.81.8 图 6 巷道围岩塑性区统计图 从上述图表中可以看出，虽然巷道塑性区从上 至下逐渐减小，但上半部分岩层区域巷道围岩塑性 区范围要明显大于下半部分岩层区域。上半部分岩 层区域巷道围岩塑性区范围普遍在 22.3m，部分区 域超过 2.4m。由于巷道断面较大，因此塑性区范围 较大，在进行锚杆支护设计时，应充分考虑到围岩 塑性区发育情况，设计合理的锚杆长度。 6 结论 （1）随着巷道所处位置由上部向下部移动， 其两帮的垂直应力呈增大的趋势，而巷道顶底板的 垂直应力则没有明显变化，均处于小于原岩应力的 状态。 （2）巷道顶底板变形量要大于两帮变形量， 同时，上半部分岩层区域巷道围岩变形量要明显大 于下半部分岩层区域，在进行支护设计时，可将暗 斜井巷道分为两部分区域考虑。 （3）巷道塑性区范围较大，上半部分岩层区 域巷道围岩塑性区范围普遍在 22.3m，在进行锚杆 支护设计时，应充分考虑到围岩塑性区发育情况， 设计合理的锚杆长度。