正斷層構造應力作用下巷道圍巖破壞機理

張文浩

(大同煤礦集團 塔山礦， 山西 大同 037003)

在煤炭開采過程中，巷道掘進時遇到斷層或者多斷層的地質構造影響較為普遍。王玉玨[1]結合斷層構造區域附近的煤巖體力學特點及斷層構造區域附近的煤巖體應力環境，進行了巷道設計與施工分析；孟召平等[2]在實驗室進行巖石力學試驗及顯微裂隙觀測分析，對斷層構造區域附近的煤巖體力學特征及斷層構造區域附近的煤巖體應力環境特征進行研究分析；高明中[3]結合袁店二礦受斷層影響的巷道圍巖條件，提出了過斷層破碎帶的巷道支護思路；孫玉寧等[4]研究了斷層構造對工作面回采頂板穩定的影響；孫海洋[5]提出了采用超前錨桿支護的掘巷方案，分析比較了不同角度和間排距等不同支護參數下超前錨桿的支護效果；張延偉[6]提出“二高一大”的支護原則，對沿斷層破碎煤巖巷道支護體系進行優化設計。

1 正斷層構造區域附近巖層應力分布特征分析

1.1 正斷層構造區域的受力結構特征

進行正斷層構造應力作用下巷道圍巖破壞機理分析，首先對正斷層構造區域附近的巖層應力環境進行力學分析。結合地質構造和巖石強度理論，視自重應力即為垂直主應力，另一水平主應力與斷裂構造體系正交，對于正斷層，則自重應力σz是最大主應力，即最大主應力σz=γH，最小主應力σx與斷層帶正交。正斷層的應力分布狀態見圖1.

圖1 正斷層的應力分布狀態圖

視斷層附近巖體為由連續、均質、各項同性的彈塑性介質組成，且滿足莫爾一庫侖強度準則：

σ′y=σ′ztanφ+C

(1)

式中：

σ′z、σ′y—分別為在斷層斷裂面位置形成垂直于斷層面方向的σ′z應力分量和平行于斷層面方向的應力分量σ′y，MPa；

C—巖層內聚力，MPa；

φ—巖層內摩擦角，(°).

1.2 正斷層構造區域附近巖層應力分布特征分析

原有完整的地下巖層在斷層地質構造的作用下不再連續，并改變了原有完整的地下巖層賦存結構，導致斷層構造區域附近的巖層應力環境產生不均衡影響。根據對斷層結構特征分析可知，原有完整的地下巖層發生斷裂形成斷層且斷層面多為傾斜面，在斷層構造區域，特別是斷層面附近的巖層呈現為“錯動接觸的楔形體”巖層結構，在斷層斷裂面位置形成有垂直于斷層面方向的應力分量σ′z和平行于斷層面方向的應力分量σ′y，二者主要與巖層的巖石力學條件、斷層傾角、巖層深度、側向應力系數有關。

斷層構造區域巖層中水平應力和垂直主應力應力分量比例與斷層面附近巖層自身的內聚力、內摩擦角以及斷層面傾角、巖層埋深等因素有關。初始假設：巖層埋深垂直載荷10 MPa，內聚力1.0 MPa，內摩擦角24°，斷層傾角60°，根據公式(1)可推導出正斷層構造形成前斷層面未發生錯動滑移的水平應力與垂直應力比值κzd、正斷層構造形成后斷層面附近巖層發生錯動滑移后的水平應力與垂直應力比值ηzd與巖層內聚力、內摩擦角、埋深垂直荷載、斷層傾角的關系公式，并進行正斷層的單因素變化對比分析，結果見圖2，3，4，5.

圖2 內聚力對正斷層形成前后應力分量比例影響圖

圖3 內摩擦角對正斷層形成前后應力分量比例影響圖

圖4 埋深垂直載荷對正斷層形成前后應力分量比例影響圖

圖5 傾角對正斷層形成前后應力分量比例影響圖

由圖2，3,4，5可知，正斷層構造情況下，巖層內聚力、內摩擦角、巖層埋深垂直載荷對κzd呈線性關系，而ηzd僅受內摩擦角影響。巖層內聚力、內摩擦角越大，κzd降低，說明垂直應力分量相對水平應力分量更大；巖層埋深垂直載荷越大，κzd增加且逐漸收斂，說明垂直應力分量與水平應力分量更接近；而斷層傾角對κzd、ηzd均有影響且呈“凹曲線”形式變化，這主要與斷層結構有關，正斷層傾角過低則垂直應力轉換至平行于斷層面方向的應力分量σ′y的作用效果越弱且不利于剪切破斷作用和斷層滑移，而正斷層傾角過高則垂直應力作用范圍越來越少且不利于剪切破斷作用，這就導致斷層傾角過低或者過高，其所需的垂直應力左右相對水平應力更大，進而實現斷層構造形成，甚至還需要拉應力作用，這也說明現實情況中的正斷層大多在40°～80°比較常見。

綜上分析所述，斷層構造區域巖層中水平應力與垂直應力比例狀態與斷層面附近巖層自身的內聚力、內摩擦角以及斷層面傾角、巖層埋深等因素有關，對于正斷層巖層強度條件越好、埋深越淺、傾角越靠近50°～60°，垂直應力分量相對水平應力分量更大。

2 斷層構造應力作用下巷道圍巖破壞特征分析

根據魯賓涅特方程對非均勻應力環境下圓形巷道圍巖破碎深度的力學解析，在塑性破碎區范圍內，認為：盡管巷道圍巖處于非均勻應力環境下，原巖應力場對塑性區范圍內的處于極限平衡狀態的圍巖介質的影響關系不大，基本假設中巷道斷面為軸對稱的圓形斷面，因此塑性范圍內的圍巖應力近似視為軸對稱，建立正斷層構造應力作用下的巷道圍巖應力集中方程和塑性破壞方程。

通過代入回采巷道參數進行算例分析，初始假設條件：斷層及其巷道圍巖介質的內聚力1.0 MPa，內摩擦角24°，設等效外接圓形巷道半徑R為2.5 m，該次算例分析不考慮無支護反力作用，分析斷層構造應力條件下的斷層傾角、內聚力、內摩擦角、巷道埋深等影響巷道圍巖穩定性的因素對巷道圍巖塑性破碎分布S及其應力集中的影響，將參數代入式中進行對比分析。

2.1 正斷層傾角對巷道圍巖穩定性影響

斷層傾角對巷道圍巖塑性破壞影響圖見圖6. 由圖6可知，巷道通過正斷層過程中，當正斷層傾角增加時，巷道圍巖塑性破壞范圍有所增加且增加位置多為巷道兩幫圍巖承載體。正斷層傾角越大，說明圍巖體內原有地應力作用狀態中垂直應力相對水平應力作用更劇烈，導致巷道兩幫的圍巖體內承載較大的應力集中，兩幫過大的應力集中不益于巷道兩幫的圍巖體承載，進而加大了巷道頂底板的跨度而最終導致巷道的整體圍巖體失穩，巷道圍巖塌落失效。因此，巷道通過正斷層過程中，當遇到正斷層傾角越大，則需要加強巷道兩幫的支撐支護強度。

圖6 斷層傾角對巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.2 巷道埋深對巷道圍巖穩定性影響

巷道埋深對巷道圍巖塑性破壞影響圖見圖7. 由圖7可知，巷道通過正斷層過程中，隨著巷道埋深的增加，巷道圍巖塑性破壞范圍程度有所增加且巷道兩幫圍巖破壞加劇最為明顯。正斷層構造條件下，巖體內原有地應力作用狀態中垂直應力大于水平應力作用，導致巷道兩幫的圍巖體破壞大于頂底板的圍巖破壞，且兩幫圍巖應力集中峰值也遠高于巷道頂底板圍巖體應力集中峰值，隨之所處巖層埋深增加，正斷層構造影響的礦壓也就更為劇烈。

圖7 巷道埋深對巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.3 巖層內聚力對巷道圍巖穩定性影響

內聚力對巷道圍巖塑性破壞影響圖見圖8. 由圖8可知，巷道通過正斷層過程中，巷道圍巖內聚力增加，巷道圍巖塑性破壞范圍有所減小。正斷層構造條件下的巖體原有地應力作用不受巖層內聚力大小影響，但巖層內聚力大小對巷道圍巖塑性破壞程度具有一定的增益作用，內聚力越大說明圍巖強度相對較好，圍巖承載結構抗圍巖應力重分布作用有所增強，進而巷道圍巖塑性破壞范圍有所減小，同時圍巖塑性破壞程度減小，則圍巖體應力集中有所降低，有益于圍巖穩定性控制。

圖8 內聚力對巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.4 巖層內摩擦角對巷道圍巖穩定性影響

內摩擦角對巷道圍巖塑性破壞影響圖見圖9. 由圖9可知，巷道通過正斷層地質構造過程中，當巖層內摩擦角增加時，巷道圍巖塑性破壞范圍有顯著降低。內摩擦角越大，說明圍巖體抵抗原有地應力作用能力越大，在此巖層介質條件下垂直應力需要更大的水平應力作用，才能使得斷層剪切破斷；盡管內摩擦角越大，原有地應力中垂直應力就更大于水平應力作用，但內摩擦角越大，也提高了圍巖強度，圍巖承載結構抗圍巖應力重分布作用顯著增強，進而巷道圍巖塑性破壞范圍和圍巖體應力集中，有益于圍巖穩定性控制。

圖9 內摩擦角對巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.5 支護阻力對巷道圍巖穩定性影響

支護阻力對巷道圍巖塑性破壞影響圖見圖10. 由圖10可知，巷道支護阻力作用對巷道圍巖穩定很重要，正斷層地質構造顯示圍巖體內原有地應力作用狀態中垂直應力相對水平應力作用更劇烈，導致巷道兩幫的圍巖體內在承載較大的應力集中，兩幫圍巖破壞最為劇烈，一旦兩幫圍巖破壞過大將造成巷道頂底板的跨度增加而不利于巷道整體圍巖體穩定，在支護措施上，有必要采取剛性支護以抵抗并支撐正斷層地質構造作用下的圍巖垂直應力集中作用，維護正斷層地質構造作用下巷道過斷層圍巖穩定。

圖10 支護阻力對巷道圍巖塑性破壞影響圖

2.6 巷道尺寸對巷道圍巖穩定性影響

巷道尺寸對巷道圍巖塑性破壞影響圖見圖11. 由圖11可知，巷道合理斷面尺寸有益于降低礦壓顯現程度，巷道斷面越大，則加劇巷道兩幫和頂底板的圍巖體應力集中作用，巷道兩幫和頂底板圍巖的破壞深度均有所增加。因此，合理的巷道斷面尺寸有益于降低礦壓顯現程度，對巷道支護作用則相對更易于維護，有益于降低在正斷層地質構造作用下巷道過斷層圍巖穩定性控制難度。

3 結 論

通過對斷層構造區域附近巖層應力分布特征和斷層構造應力作用下巷道圍巖破壞特征分析，針對斷層構造應力作用下巷道圍巖穩定性得到如下結論：

1) 斷層構造就好似地質構造的作用“切斷”，導致斷層構造區域附近的巖層應力環境產生不均衡影響。

2) 巷道掘進工程擾動的影響可能會誘發斷層構造區域附近的不連續巖層結構失穩。

3) 斷層構造區域巖層中水平應力和垂直主應力應力分量的比例與斷層面附近巖層自身的內聚力、內摩擦角以及斷層面傾角、巖層埋深等因素有關。

4) 巷道支護阻力作用對巷道圍巖穩定很重要，正斷層地質構造顯示圍巖體內原有地應力作用狀態中垂直應力相對水平應力作用更劇烈。在支護措施上，有必要采取剛性支護以抵抗并支撐正斷層地質構造作用下的圍巖垂直應力集中作用，維護正斷層地質構造作用下巷道過斷層圍巖穩定。