關鍵層厚度對大斷面巷道穩定性影響研究＊

左建平 趙洪寶 張國彬

（1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；2.中國礦業大學 （北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083；3.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

煤炭開采會引起采空區覆巖的移動，而覆巖移動規律與巖層的物理力學性質息息相關。有關巖層移動理論很多，目前國內主要的理論是巖層移動的關鍵層理論。該理論的主要觀點是當煤層上覆巖層中存在多層堅硬巖層時，各堅硬巖層因其變形和破斷特征不同而對其采場頂板巖層運動所起的作用不同，把對覆巖全部或局部起決定作用的巖層稱為關鍵層，或稱主關鍵層。近幾年一些學者把關鍵層理論用于保水開采技術中，通過研究建立了保水采煤的隔水關鍵層模型，系統分析了關鍵層復合效應對關鍵層破斷、采場來壓、巖層移動、采動裂隙分布以及地表沉陷的影響。

可以說，巖層控制的關鍵層理論得到學術界和采礦工程界的普遍關注和認可，關鍵層理論也在煤炭行業多個研究領域得到了較好的推廣應用，并取得了良好的經濟效益。但有關巖層關鍵層厚度確定及其對巷道變形、沉降的影響研究還較少。本文將以潞安五陽煤礦為例，模擬分析了主關鍵層厚度對大斷面巷道的變形影響，并提出了臨界關鍵層厚度。

1 五陽礦7602工作面地質概況

五陽煤礦7602工作面的巷道斷面設計尺寸為4m×3m （寬×高），屬于大斷面巷道。巷道偽頂為炭質泥巖，厚度為0.3～0.5 m，節理發育，易垮落。直接頂為泥巖，厚度為4.0～5.0m，黑色、塊狀。基本頂 （老頂）為細粒到中粒砂巖，厚度為7.0～8.5m，鈣質膠結，巖性堅硬，厚層狀構造。所采3＃煤層厚度約為6.3 m。直接底為泥巖，厚度5.0～5.5m。老頂對巷道穩定性有重要的影響。距離巷道頂板約76.3 m 處有一層厚約16～18 m的粗粒石英砂巖，巖性堅硬，該層與上覆巖層形成自身穩定的結構，形成一個巨大的壓力拱，巷道上覆巖層的離層現象主要出現在該層以下，而該層之上只出現小的離層及位移。該層與3＃煤層之間間隔分布幾層巖性堅硬的石英砂巖、砂巖等，厚度3.0～10.0m，這幾層堅硬的巖層對巷道的穩定性有著重要的影響，尤其是巷道上方的堅硬巖層更是對巷道有著決定性的作用，所以稱之為關鍵層。下面以此為計算模型，討論不同厚度關鍵層 （老頂）影響下覆巖變形和移動規律。

2 不同關鍵層厚度對巷道穩定性的影響

在關鍵層理論中，關鍵層在斷裂后將會被看作是“板”或簡化為 “梁”的結構來承載上覆巖層的重量，無論是 “板”結構還是 “梁”結構，它的厚度對強度的影響很大；同樣，當關鍵層斷裂后形成砌體梁結構，而厚度也對其有著重要的影響。本文采用不連續變形DDA 數值方法來分析關鍵層厚度對大斷面巷道的影響，假設基本頂砂巖的厚度分別為0m、3m、5m、8m（實際情況）、10m、12m和15m，煤巖體的基本物理力學性質如表1。

表1 巷道圍巖巖石的力學參數

通過DDA 模擬顯示，從始至終堅硬的砂巖基本頂都承擔了較大的應力，說明上覆巖層直至地表巖層的自重和構造應力主要作用在該層上。隨著該層厚度逐漸減小，應力主要集中到了巷道上方，巷道上方幾米至十幾米甚至更高的區域都出現了較高的應力集中，這些應力對巷道的變形產生了重要的影響。

當關鍵層的厚度達到15m 或者12m，巖層基本穩定，大斷面巷道周圍的變形較小，并且兩者的應力場基本相同；當關鍵層的厚度達到10m 或者8m，隨著關鍵厚度逐漸減少，圍巖變形加劇，并且局部區域出現了圍巖破壞；當關鍵層厚度進一步減少到5m、3m 和0m，此時上覆巖層的沉降加大，巷道變形破壞嚴重。從巷道局部范圍看，應力主要集中在巷道的頂部和角幫，而在兩幫和頂板則由于破碎導致了局部的應力卸載區。在對五陽礦大斷面巷道的現場觀察過程中，發現了類似現象，初始破壞裂紋往往都是出現在頂板中部及角端，隨著時間推移，兩幫的巖體會變得非常破碎，底臌現象也會非常嚴重。

從能量的角度來看，堅硬巖石的彈性模量較大，更易于儲存較多彈性能，而較軟弱圍巖易發生變形甚至塑性流動，不易積攢過多的能量而引起過高的應力。當巷道頂部有砂巖時，砂巖層較為堅硬，不易發生位移，所以會在該層積攢過高的能量而使得應力比較高。隨著該層厚度逐漸減小，巖體整體強度也會下降，這會使得該層逐漸發生位移甚至斷裂，此時能量便逐漸向周圍巖體轉移，這就減小了砂巖層內的應力。由此可見，能量總是會沿著更易于發生位移的方向傳遞。這就是為什么當巷道上方覆蓋很厚的軟弱泥巖層時，應力會集中到巷道的上方，如關鍵層厚度為0 m 的模擬結果，巷道上部很大范圍內均是泥巖層，由于泥巖層較軟弱，可視為松散體，當巷道開挖后很容易向巷道坍落，此時能量會沿著位移或應變的方向釋放，所以應力不會向水平方向傳遞。

圖1為不同關鍵層厚度情況下大斷面巷道上部巖體的位移曲線，圖1 顯示，無論關鍵層厚度多大，從頂板向上垂直位移呈現出減小的趨勢。不同厚度時位移呈現出不同的變化情況，隨著關鍵層厚度減小，巷道頂板位移會不斷增加，尤其是在頂板附近。由于基本頂能夠起到支撐上部荷載的作用，這就類似于板或者梁結構，厚度越大越不容易發生破壞，垂直位移也越小。當關鍵層厚度小于10 m時，關鍵層越厚，巖層位移越小；但當關鍵層厚度超過12m 時，例如12m 和15m，這時上覆巖層的下沉位移基本相同，并且與前面相比，下沉位移減少很大。可見當關鍵層厚度超過一定值時，圍巖的下沉基本保持恒定，因此關鍵層厚度應該存在一個臨界值。本文的模擬結果顯示，該值約為12m。而五陽煤礦的主關鍵層巖層只有8 m 左右，巷道圍巖會產生較大的變形，因此需要提前采取措施加強支護。

圖1 不同關鍵層厚度影響下頂板的垂直位移

3 結論

關鍵巖層對巷道圍巖的變形破壞起著決定性的作用，在大斷面巷道中該影響更為突出。本文通過不連續變形數值分析方法，對五陽煤礦的大斷面巷道進行了模擬分析。模擬結果表明，對于大斷面巷道存在一個臨界關鍵層厚度，關鍵層厚度超過這個臨界值時，巷道的變形很小，幾乎可以不采取加固措施；但當關鍵層厚度小于該臨界值時，巷道圍巖存在一定變形，這取決于關鍵層厚度及周圍巖石的物理力學特征。對于五陽煤礦寬4m、高3m 的大斷面巷道，臨界關鍵層厚度約為12 m；而五陽煤礦老頂厚度8m，小于該臨界關鍵層厚度，因此需要采取加固措施。本文的研究對于認識關鍵層在覆巖移動規律中所起的作用具有一定指導意義。

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