礦井含泥巖夾層巷道變形機理分析

王恩博

(晉能控股煤業集團，山西 大同 037000)

煤系地層的形成過程非常復雜，巖層種類繁多，形成過程中受到外部條件的影響，有時不能形成單一的巖層，而是形成多巖層互層現象，其中煤層中含有泥巖夾層最為常見。煤層中含有泥巖，不但會降低煤炭質量，影響礦井的整體效益，而且對礦井巷道的穩定性也會產生較大的影響，含有泥巖夾層的巷道受回采的影響，往往會出現片幫、層位錯動、巷幫破壞嚴重等現象，給礦井巷道維護造成一定的困難，威脅礦井安全生產。

1 工程概況

某礦主采5-2煤，煤層平均厚度6.2 m，傾角1°～3°，在5-2煤層中下部存在一層軟弱的泥巖夾層，厚度50～200 mm.85203回采工作面位于該礦八盤區，工作面采用三巷布置，相鄰工作面為85201工作面。85203回風順槽寬度為5.8 m，高度為4.4 m，其中巷道頂部采用d18 mm鋼筋托梁+鋼筋網片+錨桿+錨索聯合支護，幫部采用d18 mm鋼筋托梁+鋼塑復合網+玻璃鋼錨桿聯合支護。工作面回采過程中發現回風順槽變形破壞嚴重，出現了幫鼓、錯動、脫錨等現象。

2 夾層泥巖浸水試驗

在85203回風順槽泥巖夾層中鉆孔取芯，在實驗室內加工成100 mm×100 mm的正方形試件，現場取頂板水若干，分別在實驗室內進行浸水試驗，將泥巖試件分別浸入盛有礦井水的量杯中，對浸水2 min、10 min、1 h后泥巖的變化進行對比分析，見圖1.試件在浸水后，表面產生了大量的氣泡，泥巖表面迅速被水浸濕，表面粉末顆粒隨浸水時間的持續逐漸脫落，2 min后泥巖表面顆粒剝離速度明顯加快；10 min后泥巖表面顆粒剝離明顯，且試樣體積有所增加，與原始試件相比表現出了明顯的膨脹和崩解現象；浸水1 h后，可以看出試件已經完全被破壞，全部泥化。由此可見，泥巖夾層具有較強的吸水性，長期處于井下潮濕環境，泥巖夾層會逐漸泥化，并完全破壞，泥巖這一特性是引起巷幫夾層泥巖以上煤體整體偏移和片幫等嚴重變形破壞的主要原因之一。

圖1 泥巖浸水試驗圖

3 數值模擬研究

3.1 模型的建立

根據現場實際條件采用FLAC3D數值模擬軟件建立工作面開采模型，模擬回風順槽受二次采動影響下，巷道圍巖應力場及屈服破壞特征。模擬工作面長度為260 m，采高為6.2 m，巷道保護煤柱寬度20 m，最終建立模型尺寸長500 m×寬700 m×高100 m，模型共劃分462 650個單元，482 974個節點，數值模型見圖2.

圖2 數值模擬模型圖

3.2 模擬結果分析

受二次采動影響的回風順槽圍巖應力場分布圖見圖3.由圖3可以看出，受二次采動影響的85203回風順槽超前支承壓力分布較廣，最遠處達到了工作面前方120 m，超前工作面18 m附近達到了應力峰值12 MPa，壓力系數達2.38.在回風順槽上方頂板巖層形成了應力集中情況，應力最大值為8 MPa，壓力系數達1.59.應力呈現單峰應力分布，工作面回采過程中巷道將受到高應力影響。

圖3 受二次采動影響回風順槽應力場分布圖

回采過程中回風順槽屈服破壞情況見圖4.由圖4可以看出，巷道圍巖均存在不同程度的破壞，尤其在巷道兩幫變形破壞嚴重，巷道頂板主要以拉伸破壞為主，分布在巷道頂板中部及靠回采幫一側，破壞深度為1.8 m；巷道回采幫以剪切破壞為主，分布在軟弱夾層上部，最大破壞深度3 m，夾層下部破壞深度1.5 m；巷道非回采幫受到剪切和拉伸共同破壞，總體破壞較大，破壞最嚴重區位于巷道中部的夾層附近，深度為3 m.由此可見，巷道非回采幫應作為巷道支護的重點。

圖4 回風順槽圍巖屈服破壞圖

根據數值模擬結果可知，由于受相鄰工作面及本工作面回采的影響，在回風順槽形成的超前支承壓力范圍廣、強度高，尤其在巷道頂板巖層中形成的高應力將直接導致頂板巖層破損變形，頂板形成的高應力向巷道幫部轉移，加之泥巖夾層完全泥化，直接導致了巷幫發生錯動及片幫。

由以上分析可知，現場對巷道進行支護時，重點加強巷道頂板支護強度，防止泥巖與水長時間接觸，泥巖夾層附近進行補強支護。

4 支護優化及效果分析

根據數值模擬結果，該礦5-2煤工作面回風順槽進行了補強支護，具體方案：由于夾層附近塑性區達3 m，設一排長度4 m間距2 m的長錨桿加強支護。每2根長錨桿中間補一根2.4 m錨桿，配套一條橫向鋼筋梁，加強對夾層附近變形圍巖的整體控制。另外，對巷道內夾層采取噴射混凝土或防滲抗裂砂漿進行封閉。

為了驗證含軟弱夾層巷道支護效果，對85205回風順槽進行了圍巖移近量監測。在整個工作面回采期間，巷道頂板、兩幫圍巖移近量和變形速率均出現了大幅度減小，頂底板移近量最大127 mm，兩幫移近量最大148 mm，未見巷道錯動變形、明顯片幫、玻璃鋼錨桿斷裂等破壞現象，巷道整體處于穩定狀態，見圖5.

圖5 巷道圍巖支護效果圖

5 結 論

1)泥巖夾層的浸水試驗結果表明，隨著浸水時間的持續，泥巖表現出了極強的吸水性，以及明顯的膨脹和崩解現象。

2)數值模擬分析結果表明，由于受相鄰工作面及本工作面回采的影響，在回風順槽形成的超前支承壓力范圍廣、強度高，巷道中部的夾層附近破壞最為嚴重。

3)綜合分析得到了含泥巖夾層巷道變形機理，頂板形成的高應力向巷道幫部轉移，加之泥巖夾層完全泥化，直接導致了巷幫發生錯動及片幫，并給出了巷道補強方案，有效地保證了巷道圍巖的穩定性。