縱彎褶曲控制下巷道圍巖變形特征分析

石文朋，魏寶貞，李 楠

(兗州煤業股份有限公司 東灘煤礦， 山東 鄒城 273500)

在煤礦生產過程中，巷道圍巖的穩定直接關系著煤礦安全高效生產。巷道圍巖的穩定性受多種地質條件影響，包括褶曲構造。縱彎褶曲是巖層受到水平應力擠壓而形成的一種褶曲，褶曲區域應力集中程度較高，其附近巷道受到構造應力的影響[1-2]，對巷道的穩定性產生較大威脅。學者們對各種因素影響下的圍巖穩定性進行大量研究，提出多種支護方案[3-7]，但考慮到縱彎褶曲的研究較少。以某礦1310工作面為研究對象，通過構建縱彎褶曲模型，對縱彎褶曲不同區域巷道的變形特征展開分析，以確定不同條件下的巷道側重支護區域，為類似地質條件下的巷道布置及支護設計提供合理的理論基礎。

1 數值模型建立

采用FLAC3D軟件構建縱彎褶曲模型，橫型共設置為3層，從上至下分別為：上部巖層(18 m)、中部巖層(4 m)、下部巖層(18 m). 沿x方向長度為120 m，沿y軸方向長度為6 m，沿z方向高度為40 m. 模型底端z方向固定，模型前后y方向固定，頂部施加垂直應力14 MPa，最終形成的縱彎褶曲模型見圖1.

圖1 模型加載邊界條件圖

褶曲數值模型的巖石力學參數賦值參考某礦1310工作面頂板巖層選取，最終參數見表1.

表1 模型各層巖石的物理力學參數表

2 縱彎褶曲不同位置巷道變形特征分析

2.1 塑性破壞特征分析

巷道在背斜、向斜、翼部開挖后，巷道圍巖的塑性區分布見圖2.

圖2 巷道圍巖塑性區分布圖

由圖2分析可知：

1) 巷道在背斜及向斜開挖，圍巖塑性區范圍最大，在翼部開挖，位移塑性區范圍最小。破壞形式主要是剪切破壞和拉伸破壞相結合。

2) 在背斜開挖，巷道兩幫上部的破壞縱深較大，以巷道中部為界，圍巖破壞基本呈對稱狀態；在向斜開挖，巷道兩幫下部的破壞深度較大，以水平為界，整體破壞狀態與背斜處基本相反，對稱情況則與背斜處類似；而在翼部開挖，巷道左幫下部及右幫上部破壞深度較大，但縱深要遠小于背斜及向斜處。

2.2 圍巖位移分布特征分析

巷道圍巖位移量變化曲線見圖3. 由圖3可以看出，對比整體曲線，在翼部開挖的巷道圍巖位移量最小，曲線圖所展現的結果與圍巖塑性破壞特征相對應，具體分析如下：

圖3 巷道圍巖位移量曲線圖

1) 最大位移量出現在向斜處巷道的頂板位置，位移量為530.63 mm，該條件下頂板變形量較大，嚴重影響工作面的生產安全；最小位移量在翼部處巷道的右幫，位移量僅為104.26 mm.

2) 從頂板位移量來說，在向斜開挖巷道頂板位移量最大，在背斜開挖次之，分別為翼部巷道位移的2.18倍、1.51倍；從底板位移量來看，在背斜開挖最大，為317.63 mm，向斜次之，為261.95 mm，翼部最小，為211.37 mm，背斜和向斜的底板位移量分別為翼部位移量的1.5倍、1.24倍；從兩幫位移量來看，巷道在背斜及向斜開挖，位移量相差不大，分別為544.55 mm、516.65 mm，而在翼部開挖，兩幫位移量僅為222.28 mm，低于背斜及向斜開挖的一半。

綜合分析縱彎褶曲不同位置巷道的塑性破壞特征及圍巖位移特征可知，在翼部處的巷道其穩定性要更好，由于變形量少，對巷道的支護更簡單，有利于保障工作面安全生產。與之相反的是向斜處巷道，頂板變形大，破壞嚴重，非必要情況下不要將巷道布置在向斜處。

3 縱彎褶曲不同位置巷道應力分布特征分析

3.1 垂直應力分布特征分析

在背斜、向斜、翼部處開挖巷道后，垂直應力分布見圖4. 從圖4可以看出，無論在哪個部位開挖，頂、底板均沒有垂直應力集中區，主要以兩幫為垂直應力集中區，背斜、向斜及翼部的最大垂直應力分別為24.56 MPa、23.67 MPa、24.42 MPa，應力集中系數相差在1%以內，向斜受到垂直應力的影響程度較小。背斜和向斜的垂直應力集中區域均靠近內弧部位，翼部的垂直應力集中區域明顯受到背斜及向斜內弧段的影響，其主要靠近向斜和背斜內弧段。

圖4 巷道垂直應力分布云圖

3.2 水平應力分布特征分析

在背斜、向斜、翼部開挖巷道后，縱彎褶曲的水平應力分布圖見圖5. 從圖5可以看出，在背斜開挖的巷道底板及其兩邊出現了較大范圍的應力集中區域，最大水平應力達到15.25 MPa，應力集中系數為3.81，而巷道頂部及兩幫則受水平應力影響較小；向斜部位開挖后，巷道圍巖的水平應力集中區域在頂板及其兩邊，兩幫深部也有一定程度的應力集中，最大水平應力值為13.86 MPa，應力集中系數為3.47. 背斜及向斜處巷道圍巖水平應力以巷道中部為界,基本呈對稱分布。而翼部開挖的巷道圍巖應力分布與以上兩種情況差距明顯，巷道周圍均為水平應力降低區，無明顯的水平應力集中區域，進一步驗證了在縱彎褶曲翼部處開挖巷道的可靠性。

圖5 巷道水平應力分布云圖

4 縱彎褶曲不同位置巷道支護側重點分析

通過分析縱彎褶曲背斜、向斜及翼部巷道的模擬結果，得到了巷道圍巖的穩定性情況，針對不同條件下的巷道，其支護側重點要有所區分，具體分析如下：

1) 在背斜區域開挖的巷道，應重點考慮兩幫的支護，尤其是兩幫的上部，該區域破碎情況較為嚴重，支護難度相對較大。另外,由于背斜處巷道的底板位移量較大且應力集中，還要防止出現底鼓。

2) 由于向斜區域巷道的頂板位移量較大，且頂部應力集中程度也較高，故在向斜區域開挖的巷道應重點考慮頂板支護，防止出現冒頂現象。其次，由于兩幫下部的塑性區發育較廣，支護時也要考慮到該情況。

3) 翼部巷道的塑性區及應力集中區域均在巷道左幫下部及右幫上部，在支護設計時應側重考慮這兩個區域。

5 結 論

通過數值模擬軟件FLAC3D對縱彎褶曲控制區域的巷道變形特征及其穩定性進行了研究，主要結論如下：

1) 在縱彎褶曲不同區域，巷道變形特征不一，背斜及向斜處巷道破壞程度較高，巷道變形明顯且應力集中區域廣，不利于巷道保持穩定；翼部處巷道的圍巖變形量最小，受應力集中影響程度也最小，在縱彎褶曲區域布置巷道時應優先考慮翼部。

2) 在模擬的基礎上對縱彎褶曲不同位置處巷道的支護側重點進行了分析，背斜處巷道應重點支護兩幫；向斜處則應重點支護頂板；翼部則應重點考慮左幫下部及右幫上部。