底板軟弱夾層對巷道圍巖穩定性的影響分析

王建飛

（大同煤礦集團公司同發東周窯煤業股份公司，山西 大同 037000）

0 引言

隨著上組煤資源逐漸枯竭，煤層開采不斷向深部延展，巷道圍巖穩定性控制愈加困難，亟待解決[1]。目前，巷道圍巖穩定受工程軟巖作用、水理作用、高應力作用、采動影響、支護強度等因素的影響[2-3]。煤系地層通常由多層不同巖性的沉積巖組成，部分礦區煤層底板存在軟弱夾層，該層位易出現應力集中，進一步加大巷道圍巖穩定性控制難度。

在底板軟弱夾層巷道圍巖控制方面，大量學者已經開展了大量的研究工作。唐春禮等 [4]利用ABAQUS數值模擬方法分析了爆破作用下冬瓜山銅礦深部巷道受到采場圍巖的力學響應特征，提出了優化支護方案，實現了底板軟弱夾層的穩定性控制；孫利輝等[5]采用理論分析和數值模擬相結合的方法建立了底板軟弱夾層的計算模型，分析了夾層對應力、位移和破壞的影響規律；張農等[6]利用物理模擬方法建立不同軟弱夾層位置采動失穩破壞型式，提出了含軟弱夾層的巷道圍巖強化控制原理；張頂立等[7]建立含軟弱夾層巖體組合系統的力學模型，揭示了含夾層巖體的破壞及失穩機理，提出了含夾層巖體穩定性的判別指標。基于上述學者的研究，本文針對鶴壁八礦3003巖中巷軟弱夾層的具體地質條件，建立FLAC3D數值計算模型，分析了軟弱夾層影響下巷道的應力、變形和破壞特征，研究了軟弱夾層位置和厚度對巷道穩定性的影響規律，提出底板軟弱夾層的巷道支護方案和施工建議措施。本文的研究成果可為近似底板軟弱夾層的巷道圍巖穩定性控制提供理論依據。

1 數值計算模型建立

1.1 工程概況

鶴壁八礦3003巖中巷斷面形狀為直墻半圓拱型，墻高1.3m，拱高1.9m，巷寬3.8m。其整體埋深530m，全長450m，主要擔負3003工作面的出煤、通風、行人等任務。巷道在砂質泥巖中掘進，砂質泥巖平均厚度6.25m，直接頂為較硬的石灰巖，平均厚度6.6m，直接底以泥巖為主，中夾一軟弱薄煤夾層，平均厚度0.95m。巷道開挖影響范圍內巖層相關力學參數如表1所示。

表1 巷道周邊圍巖力學性質參數

巷道開挖過程中采用錨網噴進行支護，錨桿用Φ20mm，L=2000mm的樹脂螺紋鋼錨桿，配用拱形托盤和高強螺母，以及2卷CK2335型樹脂錨固劑，間排距為700×700mm，每排13根。金屬網采用Φ4.0mm點焊網，網片規格1500×800mm，網孔80×80mm，噴漿用325#普通硅酸鹽水泥，噴層厚度100mm，必要時加鋼筋梁和U型鋼棚支護。

1.2 數值模型

圖1 巷道開挖數值模型

根據鶴壁八礦實際工程情況，采用FLAC3D建立底板含軟弱夾層的巷道開挖數值模型，如圖1所示。模型長40m，寬1.4m，高34.5m，共包含27360個單元和41724個節點。模型邊界條件設置為頂面自由以及四周方向約束，頂面施加應力13.6MPa，側面施加16.32MPa。巷道開挖支護模擬時，采用cable單元模擬錨桿，采用shell單元模擬錨噴層。當巷道底板不存在軟弱薄煤層時，將薄煤層位置巖體參數替換為砂質泥巖參數。

2 數值模擬結果分析

2.1 軟弱夾層存在影響

1）最大剪應力。由于巷道圍巖最大主應力受夾層影響甚微，本文只研究了最大剪應力在巷道圍巖中的分布情況，如圖2所示。可以看出，有無軟弱夾層情況下，巷道圍巖最大剪應力最大值均出現在巷道頂底板位置，但由于巷道底板圍巖強度要明顯小于頂板，因此，巷道圍巖最大剪應力在底板方向的集中區域要比頂板小且距巷道表面較遠。當巷道底板無夾層時，巷道圍巖最大剪應力能夠在底板應力集中區域往深淺均形成較強的連續分布；而當巷道底板存在夾層時，夾層起到阻擋底板巖層應力傳遞的作用，夾層上下巖層中最大剪應力應力出現跳躍性分布且夾層下方出現局部應力增高現象。

圖2 巷道開挖后圍巖的最大剪應力分布云圖

2）豎向位移分布云圖。圖3所示為巷道開挖后圍巖豎向應力的分布云圖。當巷道底板不存在軟弱夾層時，巷道頂板最大沉降為17.9 mm，而巷道底鼓量則達到62.9 mm，出現在巷道底部中心位置，由底鼓最大位置往圍巖深處，巷道底板圍巖豎向位移值逐漸減小。整個巷道底板變形主要集中在巷道底面正下方約3.3 m的區域，其余位置則相對很小。當巷道底板存在軟弱夾層時，巷道頂底板圍巖變形分布規律變化很小，但巷道底板的最大底鼓量卻增大了將近50%，達到了91.8 mm，這說明，巷道底板軟弱夾層的存在減小了巷道底板的整體剛度，使得巷道底板在相同的卸載應力作用下出現了較大的變形。

圖3 巷道開挖后圍巖的豎向位移分布云圖

3）塑性區。巷道開挖后周邊圍巖的塑性區分布如圖4所示。當底板不存在夾層時，整個巷道以剪切破壞為主，僅在底板淺部0.25m范圍內發生拉伸破壞；同時，受高埋深與高水平應力的影響，巷道整體塑性區范圍較大，頂板1.5m、兩幫1.m、底板5.0m。當底板存在軟弱夾層時，頂板以及兩幫塑性區分布變化不大，而底板在軟弱夾層上方的圍巖塑性區則往兩側各增大了1.0 m；而夾層下方底板圍巖塑性區寬度則相對上方減小較為明顯，且夾層下部圍巖存在一定的完整巖層，這部分巖層也是應力較大區域；對比無夾層情況，夾層下方圍巖塑性區范圍在寬度方向有所增大，其增大范圍約為0.2m。

圖4 巷道開挖后圍巖的豎向位移分布云圖

4）結構彎矩。圖5所示為巷道開挖后錨噴層的彎矩分布圖，由圖可知，有無軟弱夾層下，巷道錨噴層彎矩值在巷道頂拱以及兩邊墻分布較小，而在巷道底板分布則較大且最大值出現在距巷道中心約0.9m的位置。軟弱夾層的存在對巷道頂拱和兩邊墻錨噴層彎矩影響較小，但卻使底板錨噴層的彎矩增大了約25%，這對巷道底板受力不利，影響使用安全。

圖5 巷道開挖后錨噴支護層的彎矩分布圖

2.2 軟弱夾層厚度影響

當巷道底板軟弱夾層距巷道底板1.75m，厚度分別為0.95m、2m、3m和4m時，巷道圍巖位移以及錨噴層彎矩隨軟弱夾層厚度的變化曲線如圖6所示。可以看出，巷道頂板圍巖最大位移隨底板軟弱夾層厚度變化不大；而巷道底板圍巖最大位移和錨噴支護層最大彎矩則與軟弱夾層厚度呈線性增長關系，即軟弱夾層厚度每增大1m，巷道底板最大位移增加12mm，錨噴支護層最大彎矩增加6kN·m。

圖6 巷道圍巖位移以及錨噴層彎矩隨軟弱夾層厚度的變化曲線

2.3 軟弱夾層位置影響

當巷道底板軟弱夾層厚度為0.95m，距巷道底板距離為1m、2m、3m和4m時，巷道圍巖位移以及錨噴層彎矩隨軟弱夾層厚度的變化曲線如圖8所示。由圖可知，隨著軟弱夾層距巷道底板距離的增大，巷道頂板圍巖最大位移基本保持不變；而巷道底板圍巖最大位移則呈指數衰減式減小，即當軟弱夾層距巷道底板距離達到一定程度時，軟弱夾層對巷道底板變形也影響很小。錨噴支護層最大彎矩則與軟弱夾層距巷道底板距離大致呈拋物線分布，即當軟弱夾層距巷道底板距離為2m時，錨噴支護層最大彎矩值最大，其值約為128.8kN·m。

圖7 巷道圍巖位移以及錨噴層彎矩隨軟弱夾層距巷道底板距離的變化曲線

3 底板含軟弱夾層的巷道施工建議措施

底板軟弱夾層加大了巷道圍巖穩定性控制的難度。在巷道施工過程中，針對軟弱夾層的厚度和層位，根據巷道圍巖的應力、變形和破壞特性，應采取改變巷道圍巖支護方法、強化破裂圍巖體強度等施工措施。

底板軟弱夾層巷道圍巖支護的改進方法包括加固法和卸壓法。一方面，巷道支護后，圍巖常出現滯后松動變形的特性，應增加高預應力錨桿保證巷道初期支護強度、減小或消除巷道圍巖的松動變形。同時，可以通過改變錨桿表面材料來提高初始錨力，增強錨桿承載性能。另一方面，可以通過卸壓法來治理底板軟弱夾層巷道底鼓，在底板通過鉆孔、爆破和切縫等形式，將應力集中區域轉移，降低底板的變形量。

底板軟弱夾層巷道易出現頂幫冒落和底鼓現象，強化破裂圍巖體強度可以有效減小巷道變形，降低頂幫冒落事故，減小底鼓。一方面，底板軟弱夾層巷道頂幫常采用安裝高預拉力錨桿來提高圍巖的抗剪阻滑作用，增強巖體的巖體的承載能力，提高巖體強度；另一方面，通過注漿加固方法可以有效提高圍巖整體結構強度，增強巖體的抗變形能力，提高巖體的承載能力，有效控制軟弱夾層巷道的圍巖變形。

4 結 論

本文利用FLAC3D數值方法分析了軟弱夾層影響下巷道的應力、變形和破壞特征，研究了軟弱夾層位置和厚度對巷道穩定性的影響規律，主要結論如下：

1）對比分析了有無軟弱夾層巷道圍巖的應力、變形和破壞特征，底板軟弱夾層影響下，巷道圍巖變形量和破壞區域均出現了增大的現象，底板軟弱夾層增大了巷道圍巖穩定性控制的難度。

2）底板軟弱夾層厚度對巷道頂板圍巖最大位移無顯著影響，而巷道底板圍巖最大位移和錨噴支護層最大彎矩則與軟弱夾層厚度呈線性增長關系。

3）巷道頂板圍巖最大位移受軟弱夾層距巷道底板距離影響不大，巷道底板圍巖最大位移隨軟弱夾層距巷道底板距離的增大呈指數衰減式減小，錨噴支護層最大彎矩則與軟弱夾層距巷道底板距離的增大大致呈拋物線形式的減小。

4）針對底板軟弱夾層的特點，提出了改變巷道圍巖支護方法和強化破裂圍巖體強度等施工建議。