深埋大傾角煤巖層巷道變形破壞特征與機理研究

張 平

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 忻州 036000）

大傾角煤巖層巷道由于圍巖結構非對稱和傾斜頂板巖層應力場分布不均勻問題[1-4]，導致其圍巖受力特點與水平煤巖層巷道受力特點存在顯著差異[5-6]。本文以山西莊旺煤業502 采區回風巷為工程背景，通過理論分析、數值模擬對比分析了大傾角煤巖層和水平煤巖層巷道圍巖的變形破壞特征，總結了大傾角煤巖層中巷道的變形控制關鍵點。

1 數值模型及方案

502 采區回風巷埋深約900 m，長度1988 m，沿16 煤層按腰線4‰上坡掘進，巷道斷面部分嵌入其頂或底板巖層中。根據鉆探資料及鄰區開采揭露情況分析，16 煤層為穩定中厚煤層，均厚2.58 m，煤層結構較為復雜，含0～3 層0.10～0.15 m 厚薄層煤矸，平均傾角30°。煤巖頂底板參數見表1。

表1 頂底板巖層物理力學參數

考慮模型邊界效應，基于實際地層條件，采用Mohr-Coulomb 本構模型建立FLAC3D數值模型，模型長×寬×高為50 m×40 m×50 m，對模型左、右及底部邊界施加法向位移約束，上邊界為自由邊界，初始平衡前施加上覆巖層自重換算的均布荷載（取巖層平均密度2250 kg/m3，巷道平均埋深900 m），側壓力系數取值0.7。為便于對比分析，建立了水平煤巖層和30°傾角煤巖層兩個模型，如圖1。

圖1 傾角0°和30°煤巖層巷道分析模型

2 模擬結果分析

根據數值模擬結果，煤巖層傾角為0°和30°時，巷道圍巖位移、應力和塑性區分布如圖2～圖5。

圖2 巷道圍巖總位移分布特征

2.1 大傾角煤巖層巷道圍巖變形特征

由圖2 可知，30°（85 mm）與0°（83 mm）傾角的巖層巷道圍巖總位移最大值相當；煤巖層傾角為0°時，圍巖變形表現出明顯的對稱性，最大位移（85 mm）出現在兩幫偏下的位置，而煤巖層30°傾角時圍巖的變形出現了明顯非對稱現象，最大位移左幫（83 mm）和頂板右側（78 mm）。總體上，巷道頂底右側和底板左側位移整體較大，右幫位移大于左幫，即巷道頂板右側、底板左側和右幫是圍巖變形控制的關鍵部位。

由圖3、圖4 可知，煤巖層傾角為0°時，矩形巷道應力集中區域主要集中在矩形轉角周邊區域，巷道圍巖垂直、水平分布均表現出對稱分布特征；當煤巖層傾角為30°時，巷道圍巖中垂直、水平分布均呈現出非對稱特性，應力集中區域發生明顯偏轉，除轉角位置存在明顯應力集中外，巷道右幫垂直應力明顯大于左幫，出現了明顯垂直應力集中現象；巷道底板區域水平應力明顯大于頂板，也出現了明顯垂直應力集中現象。此外，煤巖層傾角為30°時，巷道右下轉角處的垂直應力、水平應力均存在較高的應力集中現象，值得重點關注。

圖3 巷道圍巖垂直應力分布特征

圖4 巷道圍巖水平應力分布特征

2.2 大傾角煤巖層巷道圍巖破壞特征

由圖5 可看出，當煤巖層傾角為0°時，矩形巷道圍巖中塑性區主要集中于巷道兩幫，兩幫塑性區最大深度為2.6 m，頂、底板塑性區深度約0.4 m，塑性區分布呈現對稱分布特征；當煤巖層傾角為30°時，矩形巷道圍巖中塑性區深度較大區域為巷道左幫、右幫上部和頂板右側區域，左幫、右幫上部和頂板右側塑性區最大深度分別為2.8 m、1.6 m和1.7 m，底板塑性區深度約為0.4 m，塑性區分布呈現明顯非對稱分布特征。可見，在502 采區回風巷掘進與支護過程中，巷道左幫、右幫上部和頂板右側是需要重點關注和支護加強的區域。

圖5 巷道圍巖塑性區分布特征

3 大傾角煤層巷道圍巖變形破壞機理分析

由于煤巖層傾角較大時，巖層層面與重力方向（巖層自重方向）夾角變小，迫使豎向力在沿煤巖層理方向的作用效應增強，造成巷道圍巖中應力、變形和破壞情況在水平方向和垂直方向上出現不對稱現象，其變形分布與破壞特征與水平（或緩傾）煤巖層中的巷道圍巖顯示出明顯差異。

1）大傾角煤巖層中巷道的圍巖變形具有顯著非對稱性。巷道掘進后，被開挖體截斷應力傳導路徑的應力向周邊圍巖內部轉移，同時在豎向荷載和重力受煤巖層傾斜層理面的影響，巷道圍巖存在沿傾斜層理面下滑的趨勢。因此，在傾斜煤巖層巷道中應力在矩形巷道轉角處出現非對稱集中。圍巖變形在低強度煤巖層和應力集中與卸荷的影響下向非對稱分布發展。

2）若煤層相對頂板和底板巖層存在松軟或結構面發育等情況，則松軟煤層極易出現煤層破壞和變形突出現象，從而引起巷道圍巖中煤層范圍內圍巖變形或滑移顯著增大現象。若巷道頂、底板強度較低，則容易出現頂板嚴重下沉或嚴重底鼓。

綜上可知，大傾角煤巖層中巷道圍巖發生非對稱變形破壞是大傾角煤層巷道兩側的巖體結構不對稱誘導應力分布不對稱導致的。此外，由于煤巖層理面傾斜角度較大，會導致豎向荷載和巖體自重對層理面穩定不利；同時，受巖層傾向和煤層強度影響，煤層范圍內巷道圍巖的變形量和沿煤巖層理面方向的變形量較大，塑性區范圍也發生對應偏轉。

4 工程應用

根據數值模擬分析結果，502 采區回風巷施工過程中，將原設計中的對稱支護進行了優化，左幫保持原支護設計，對頂板右側增加了一根錨索，重點加強了對塑性區煤層所在區域的支護，如圖6。

圖6 502 采區回風巷改進支護設計圖（mm）

現場觀測表明，按數值結果進行針對性改進的支護方案在現場取得了良好的應用效果，與原對稱支護區段相比，改進支護區段頂板右側和右幫頂部變形明顯減弱，無需進行二次支護，非對稱支護改進有效改善了大傾角煤巖層內巷道圍巖變形控制效果。

5 結論

針對深埋大傾角煤巖層巷道圍巖變形與穩定性問題，以502 采區回風巷為工程背景，通過數值模擬對比分析了大傾角煤巖層和水平煤巖層巷道圍巖變形破壞特征，總結了大傾角煤巖層巷道變形破壞關鍵點。得出以下主要結論：

1）傾角為30°的煤巖層中，巷道圍巖變形規律呈現出明顯非對稱現象，圍巖最大位移出現在左幫（83 mm），頂板右側位移次之（78 mm）。巷道頂底右側和底板左側位移整體較大，右幫位移大于左幫位移，即巷道頂板右側、底板左側和右幫是圍巖變形控制的關鍵部位。

2）傾角為30°的煤巖層中，巷道圍巖塑性區深度較大的區域為巷道左幫（2.8 m）、右幫上部（1.6 m）和頂板右側（1.7 m），塑性區呈現明顯非對稱分布特征。從圍巖狀態看，巷道左幫、右幫上部和頂板右側是需要重點關注和加強支護的區域。

3）大傾角煤巖層中巷道圍巖發生非對稱變形破壞是大傾角煤層巷道兩側的巖體結構不對稱誘導應力分布不對稱導致的；受巖層傾向和煤層強度影響，低強度煤層范圍內巷道圍巖變形量和沿煤巖層理面方向變形量會相對較大，塑性區深度也較大。