軟弱夾層厚度對巷道圍巖穩定性影響研究

張延威 高 尚

（棗莊礦業集團濟寧七五煤業有限公司，山東 濟寧 277600）

關于巷道頂板軟弱夾層的研究，大多采用理論分析、數值模擬及現場試驗進行研究。宋彥琦等[1]通過數值模擬得出巷道頂板軟弱夾層對巖石強度具有顯著的弱化效應。湯友生等[2]利用數值模擬等手段得出軟弱夾層對巖石強度的弱化作用隨著傾角的增大呈先減小再增大趨勢。張農等[3-4]通過相似模擬試驗對軟弱夾層位置和錨桿、錨索等支護措施的錨固區域相關關系進行了研究，得出錨桿、錨索穿過軟弱夾層時，巷道頂板呈穩定狀態，而錨固區域位于軟弱夾層邊緣或外部時，巷道頂板破壞嚴重，且易發生冒頂危險，因此，要將錨桿、錨索錨固到巷道頂板上覆堅硬巖層中[5-6]。文獻[7-10]指出巷道頂板存在軟弱夾層時，由于其力學性質與其它巖性相差較大，在變形破壞過程中會出現鄰近巖層不同步現象，且易誘發巷道頂板整體破裂，造成支護失效，甚至導致巷道冒頂[11-14]。該文以七五煤業3上712 工作面運輸巷為工程背景，在工作面回采過程中，巷道頂板部分鋼絲網斷裂，鋼帶被壓彎，經現場鉆孔窺視發現，巷道頂板上覆巖層存在軟弱夾層（砂質泥巖），需采用數值模擬手段來研究軟弱夾層破壞特征及應力分布規律，并通過支護優化手段來提高巷道圍巖穩定性以保證巷道服務質量。

1 工程背景

1.1 工程概況

七五煤業3上712 工作面位于3上采區南翼，煤層厚度1.5～3.2 m，煤層厚度變化較大，煤層傾角1°～3°，工作面標高為-850 m。3上712 工作面所設計的巷道斷面為矩形斷面，巷道的凈寬及凈高分別達到4.5 m、2.6 m，矩形斷面面積為11.7 m2。根據現場勘探得出煤巖層分布情況如表1 所示，頂底板煤巖體物理力學參數如表2 所示。

表2 巷道巖層及煤的物理力學參數

1.2 巷道圍巖變形特征

3上712 工作面回采期間，巷道頂板部分鋼絲網斷裂，鋼帶被壓彎，巖層出現脫落現象，為查明原因，現場進行了鉆孔窺視。巷道頂板窺視圖如圖1 所示。

圖1 巷道頂板窺視圖

通過對圖1 分析可知，巷道頂板巖層裂隙發育明顯，完整性較差且孔壁粗糙，主要位于軟弱夾層區域，而巷道直接頂細砂巖完整性較好，即軟弱夾層與細砂巖變形破壞會出現不同步現象。

2 數值模擬分析

2.1 數值計算模型的建立

為得出軟弱夾層厚度對巷道穩定性的影響規律，采用建立不同厚度的軟弱夾層數值試驗方法，從圍巖水平應力與塑性區破壞特征作為評價指標來分析圍巖穩定性。

根據3上712 工作面具體地質條件（表1），選擇有限元差分模擬軟件FLAC3D，建立了工作面巷道數值計算模型。為提高計算機計算速度，綜合考慮后最終確定數值計算模型邊長為x×y×z=25 m×20 m×25 m，并結合實際的巖層結構情況進行網格劃分。模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構模型，模型除頂部外，其余邊界面均施加位移約束，模型頂部施加垂直載荷21.25 MPa。數值計算模型如圖2 所示。

圖2 數值計算模型

2.2 軟弱夾層厚度對巷道圍巖穩定性影響研究

為進一步得出軟弱夾層厚度對巷道圍巖穩定性的影響規律，設定下位堅硬巖層厚度為2 m，以不同軟弱夾層厚度（0.3 m、0.8 m、1 m）為研究變量，借助數值模擬方法，得出軟弱夾層厚度與巷道圍巖穩定性之間相關聯系。巷道圍巖水平應力分布云圖如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖水平應力分布云圖

由圖3 可知：當軟弱夾層分別厚0.3 m、0.8 m、1 m 時，巷道底板水平應力分別達到61.592 MPa、61.752 MPa、61.760 MPa。隨著軟弱夾層厚度的增加巷道底板水平應力基本相同，由此可得出，巷道頂板軟弱夾層厚度對巷道底板水平應力基本無影響。且巷道開挖后，應力最大值主要集中于巷道底板，主要是因為，巷道底板主要由砂質泥巖組成，其強度高，因此應力集中值大。同時也可發現，隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板上方應力核由雙核逐漸變為單核，關鍵層1 區域礦壓顯現明顯，而下位堅硬巖層區域礦壓顯現逐漸消散，兩個應力核之間（軟弱夾層）水平應力值明顯減小，造成軟弱夾層水平應力值減小的原因為軟弱夾層其強度低。巷道圍巖塑性區分布如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖塑性區分布圖

通過對圖4 分析可知：隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板上方發生塑性破壞面積逐漸增加，呈正相關。當軟弱夾層厚度為0.3 m 時，下位堅硬巖層留有一定彈性區域，下位堅硬巖層塑性區破壞形態類似于拱形，主要發生在巷道頂板正上方。在此厚度條件下，下位堅硬巖層能有效控制圍巖穩定性，阻止軟弱夾層塑性破壞向關鍵層1 的發展。0.8 m條件下，巷道頂板塑性破壞面積逐漸增大，此時，受軟弱夾層厚度影響，下位堅硬巖層、軟弱夾層及關鍵層1 都發生部分塑性破壞并且相互貫通連接，存在冒頂危險。1 m 條件下，巷道頂板塑性區擴大區域與軟弱夾層厚度0.8 m 相比較而言，主要發生在關鍵層塑性破壞面積的擴大，巷道發生冒頂危險程度進一步增加。同時也可發現，巷道頂板軟弱夾層發生塑性破壞，并非整層均發生破壞，而只是巷道頂板該區域發生塑性破壞，并向兩側進行延伸，達到一定破壞距離后，不再向兩側進行延伸。由此可得出巷道頂板含軟弱夾層時巷道頂板塑性區破壞及分布特征，可為巷道支護措施提供一定理論依據。巷道圍巖水平應力分布曲線如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖水平應力曲線圖

由圖5 可知，隨著距巷道頂板距離的增加，巷道圍巖水平應力先增大后減小再增大最后逐漸減小最終趨于穩定。在軟弱夾層區域水平應力值呈遞減趨勢，軟弱夾層巖層發生塑性破壞，導致應力值降低；軟弱夾層巖層強度低，結構松散，其物理參數黏聚力、內摩擦角及彈性模量較低。當下位堅硬巖層厚0.3 m、0.8 m、1 m 時，礦壓顯現主要發生在關鍵層1 區域。在此厚度下，巷道頂板上方（下位堅硬巖層、軟弱夾層及關鍵層1）發生塑性破壞并且相互貫通連接。此時，應力逐漸向遠離巷道頂板處轉移，礦壓顯現主要發生在下位堅硬巖層區域。在此厚度下，下位堅硬巖層未發生完全塑性破壞，存在一定彈性區域；下位堅硬巖層強度要高于關鍵巖層1，主要表現在黏聚力、內摩擦角及彈性模量上。

綜上所述，可得以下結論：

1）隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板上方下位堅硬巖層區域應力值逐漸減小，巷道頂板塑性區破壞面積逐漸增大，發生冒頂危險程度增高。

2）軟弱夾層厚度較小時，下位堅硬巖層未發生完全塑性破壞，關鍵層1 幾乎不受軟弱夾層的影響。但隨著軟弱夾層厚度越來越大，導致關鍵層1及下位堅硬巖層塑性破壞面積逐漸加大，與軟弱夾層厚度呈正相關。

3）不同軟弱夾層厚度會導致不同的頂板破裂形態，巷道含軟弱夾層頂板出現了明顯的非連續破壞，頂板破裂區具有明顯的隔層擴展特性。完整性較好的堅硬巖層的存在不能阻斷破裂區在軟弱夾層形成，破裂區會越過完整性較好的堅硬巖層在強度較低的軟弱夾層重新分布，出現隔層擴展的現象[6-8]。

3 含軟弱夾層頂板變形控制方法與應用

3.1 巷道頂板變形控制技術

通過現場窺視和數值模擬得出，由于3上712 工作面運輸巷頂板含有軟弱夾層，且隨著軟弱夾層厚度的增加，巷道頂板圍巖塑性區逐漸加大，因此，造成巷道頂板圍巖變形量大。

為有效控制巷道頂板圍巖變形，要在巷道頂板淺部圍巖進行加固處理，同時也要兼顧軟弱夾層破裂區的擴展。錨桿、錨索可發揮其懸吊支護作用。錨桿長度短，可控制巷道頂板淺部巖層破壞；錨索長度長，可有效穿過軟弱夾層，錨固到上覆堅硬巖層中，發揮懸吊作用，有效控制圍巖變形。

3.2 工程應用

3上712 工作面運輸巷存在冒頂隱患的根本原因是其頂板軟弱夾層所造成。根據含軟弱夾層頂板巷道冒頂控制方法，主要控制對象為巷道頂板軟弱夾層，采用支護優化設計來提高3上712 工作面運輸巷圍巖承載能力。將錨索由原來長度4500 mm 換成8500 mm，間距、排距分別為2100 mm、3300 mm，以保證錨索錨固于軟弱夾層上方的堅硬穩定巖層，控制軟弱夾層的整體穩定性；錨桿由原來2000 mm 增加至3000 mm，間排距為900 mm×1000 mm，盡可能錨固到堅硬巖層中，在保障錨固質量的同時，進一步控制淺部圍巖破裂區的發展，并用Ф5 mm 的鋼筋網對巷道表面進行保護。巷道支護示意圖如圖6 所示。

圖6 巷道支護圖（mm）

為驗證巷道支護優化后對頂板穩定性的控制效果，采用十字布點法對巷道表面進行位移量監測，主要監測工作面回采過程中巷道圍巖的整體變形情況（頂板下沉量、兩幫收斂量、底鼓量）。監測結果如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖變形示意圖

通過對圖7 分析可知：根據位移計監測結果，巷道位移量在40 d 后基本趨于穩定，巷道的頂板、兩幫及底鼓量分別達到53 mm、46 mm、41 mm，總體變形量較小，說明采用支護優化方式后巷道圍巖得到了有效控制。

4 結論

1）通過數值模擬結果顯示，當軟弱夾層由0.3 m 增加至1 m 時，巷道頂板上方下位堅硬巖層區域應力值逐漸減小，巷道頂板塑性區破壞面積逐漸增大，發生冒頂危險程度增高；不同軟弱夾層厚度會導致不同的頂板破裂形態，巷道含軟弱夾層頂板出現了明顯的非連續破壞，頂板破裂區具有明顯的隔層擴展特性。

2）巷道頂板水平應力集中區與軟弱夾層厚度及力學性質密切相關，應力集中區主要集中于下位堅硬巖層與關鍵層1 區域，軟弱夾層由于發生塑性破壞，導致水平應力值降低。

3）采用支護優化手段后，根據位移計監測結果，巷道位移量在40 d 后基本趨于穩定，巷道的頂板、兩幫及底鼓量分別達到53 mm、46 mm、41 mm，總體變形量較小，說明巷道支護參數優化措施有效地控制了巷道圍巖穩定性。