近斷層巷道圍巖穩定性數值模擬研究

關慧鵬

（山西潞安集團常村煤業有限公司 山西長治 047500）

1 引言

煤炭開采面臨著向深部復雜地質條件發展的趨勢，其中斷層地質因其原始應力復雜，應力集中現象明顯在受到開采影響時應力分布變化呈現不確定性和復雜性，這些因素都會給采掘支護過程增加難度，同時對安全科學生產產生很大的影響。在斷層構造應力的作用下近斷層巷道常會出現兩側圍巖的不對稱位移變形，同時斷層附近巖體具有一定的不規則性，這樣在增加支護及安全生產成本的同時可能造成部分煤炭無法開采。面對近斷層巷道掘進和支護的問題多年來學者進行了大量的研究，王恩營等[1]應用動力學分析斷層形成，并從多個角度討論斷層地質對煤炭開采的影響以及其可能引起的災害；王襄禹等[2]根據工程現場的監測數據分析近斷層巷道在采掘工程中發生的圍巖不對稱位移以及支護體系的破壞現象，挖掘引起這種現象的圍巖應力分布以及圍巖破壞機理,并進一步確定巷道變形支護失效的原因，在此基礎上通過數值模擬的方法找出科學合理的圍巖支護控制方案，通過實際工程的應用證明其近斷層巷道圍巖位移變形以及其支護理論的可行性；勾攀峰等[3]通過相似模擬的方法研究了斷層影響下巷道圍巖位移變形特征，指出圍巖變形的不對稱性以及頂板出現明顯裂縫的趨勢，并在此基礎上證明了型鋼支護方法的優越性。通過分析前人的大量研究結合常村煤礦的實際地質條件，通過數值模擬法對該礦近斷層巷道在采掘過程中斷層與圍巖間的相互影響進行分析，并在此基礎上對近斷層一側煤柱合理寬度進行對比研究，為該區域煤柱的選取提供方案并可為今后的近斷層開采研究提供一些參考。

2 數值模擬

本文根據常村礦水文地質條件建立模型并選取某巷道為研究對象，其中巷道凈寬5.2 m，凈高3.5 m，工作面煤層總厚為6 ，其中巷道直接底為泥巖，厚度為5.5 m；老底為細粒砂巖，厚度為4.2 m。直接頂為泥巖，厚度為2.9 m；老頂為粉砂巖，厚度為4.2 m，模擬中斷層距離巷道15 m，其傾角為45°落差約60 m 模型建立中具體參數如表1所示。

表1 數值模擬中模型巖石力學參數表

最終建立長×寬×高=150m×50m×95m 的數值計算模型如圖1 所示，取邊界條件為模型底部是固定邊界，模型的四周設置為水平邊界，模型的上部設置自由邊界。同時模型上部未出現的土層由模型頂部施加20 MPa等效的垂直應力代替，并建立以下假設：1）模型中涉及的煤巖體為各向同性的連續均質體；2）模型中的工作面以及回采巷道處于靜力平衡狀態；3）煤巖體為符合摩爾庫倫破壞準則的理想彈塑性體；4）不考慮時間因素的影響；在以上假設的基礎上應用摩爾庫倫模型進行數值模擬計算[4]。

圖1 數值模擬模型

圖2 巷道掘進影響下斷層應力及位移變形分布圖

如圖2 所示，a 圖顯示受巷道掘進作用斷層兩端區域垂直應力集中現象較中心位置更為明顯，整體垂直應力集中呈現隨地層變化而改變的狀態，并且變化系數是1.4，兩側皆有約15 m～20 m的范圍受到斷層應力影響；b 圖顯示斷層水平應力出現距斷層越近應力越大，且同樣為斷層兩端應力集中現象最為明顯，其影響范圍與垂直應力相同；c 圖顯示剪應力分布則隨斷層傾向成梭形分布，有兩端逐漸減小但影響區域則逐漸增大的趨勢。

圖3 近斷層巷道圍巖變形云圖

由于近距離斷層的影響該側巷道掘進過程中受到非對稱應力場的作用，從而造成近斷層的巷道側幫水平方向上易發生剪切破壞或滑移[5]，如圖3 所示，左側為近斷層一側其位移變形量明顯大于右側，最大變形量約為30 mm，這樣不對稱的作用力同時會明顯增大底板隆起量。

圖4 近斷層巷道煤柱預留寬度對比曲線圖

為保證近斷層巷道的安全使用，巷道保護可以通過調整煤柱預留寬度來實現，如圖4所示分別取6種煤柱寬度進行模擬分析得出不同煤柱寬度下巷道圍巖變形規律。隨著煤柱寬度的不斷增大四項圍巖位移變形數據都呈不同程度減小趨勢，其中5 m～20 m這一階段煤柱寬度增大造成圍巖位移變形下降趨勢明顯，受到斷層影響該階段巷道圍巖部分或全部處于斷層剪應力影響區域，應力集中造成巷道圍巖的塑形破壞擴展，但是煤柱寬度的增加使圍巖遠離或脫出斷層應力影響范圍使得巷道圍巖趨于原巖[6]。這一階段底板變形量減少34.25 mm，頂板下沉量減少25.91 mm，煤柱位移變形量由45.61 mm 減少至20.53 mm，側幫移近量降為14.66 mm；當煤柱寬度由 20 m 增加到 25 m 和 30 m 時巷道圍巖受到斷層的影響不斷減小其穩定性雖然增加但是頂底板及兩幫圍巖位移變形量減少都在5 mm 以內，這樣會造成經濟效益的大量減少，因此通過多組煤柱寬度的對比在保證巷道安全的同時兼顧經濟效益的前提下選擇20 m作為實際預留煤柱寬度最為合理。

3 結論

（1）受巷道掘進作用影響斷層兩端區域垂直應力集中現象較中心位置更為明顯，整體垂直應力集中呈現隨地層變化而改變的趨勢，兩側皆有約15 m～20 m的范圍受到斷層應力影響；斷層水平應力出現距斷層越近應力越大，且同樣為斷層兩端應力集中現象最為明顯，其影響范圍與垂直應力相同；剪應力分布則隨斷層傾向成梭形分布，有兩端逐漸減小但影響區域則逐漸增大的趨勢。

（2）由于近距離斷層的影響該側巷道掘進過程中受到非對稱應力場的作用，從而造成近斷層巷道側幫水平方向上易發生剪切破壞或滑移，左側近斷層一側位移變形量明顯大于右側，最大變形量約為30 mm，這樣不對稱的作用力同時會明顯增大底板隆起量。

（3）保護煤柱寬度從5 m 增大至20 m 過程中斷層造成圍巖位移變形下降趨勢明顯，受到斷層影響該階段巷道圍巖部分或全部處于斷層剪應力影響區域，應力集中造成巷道圍巖的塑形破壞擴展，但是煤柱寬度的增加使圍巖遠離或脫出斷層應力影響范圍造成得巷道圍巖趨于原巖，因此通過多組煤柱寬度的對比在保證巷道安全的同時兼顧經濟效益的前提下選擇20 m作為實際預留煤柱寬度最為合理。