近断层巷道围岩稳定性数值模拟研究

关慧鹏

（山西潞安集团常村煤业有限公司 山西长治 047500）

1 引言

煤炭开采面临着向深部复杂地质条件发展的趋势，其中断层地质因其原始应力复杂，应力集中现象明显在受到开采影响时应力分布变化呈现不确定性和复杂性，这些因素都会给采掘支护过程增加难度，同时对安全科学生产产生很大的影响。在断层构造应力的作用下近断层巷道常会出现两侧围岩的不对称位移变形，同时断层附近岩体具有一定的不规则性，这样在增加支护及安全生产成本的同时可能造成部分煤炭无法开采。面对近断层巷道掘进和支护的问题多年来学者进行了大量的研究，王恩营等[1]应用动力学分析断层形成，并从多个角度讨论断层地质对煤炭开采的影响以及其可能引起的灾害；王襄禹等[2]根据工程现场的监测数据分析近断层巷道在采掘工程中发生的围岩不对称位移以及支护体系的破坏现象，挖掘引起这种现象的围岩应力分布以及围岩破坏机理,并进一步确定巷道变形支护失效的原因，在此基础上通过数值模拟的方法找出科学合理的围岩支护控制方案，通过实际工程的应用证明其近断层巷道围岩位移变形以及其支护理论的可行性；勾攀峰等[3]通过相似模拟的方法研究了断层影响下巷道围岩位移变形特征，指出围岩变形的不对称性以及顶板出现明显裂缝的趋势，并在此基础上证明了型钢支护方法的优越性。通过分析前人的大量研究结合常村煤矿的实际地质条件，通过数值模拟法对该矿近断层巷道在采掘过程中断层与围岩间的相互影响进行分析，并在此基础上对近断层一侧煤柱合理宽度进行对比研究，为该区域煤柱的选取提供方案并可为今后的近断层开采研究提供一些参考。

2 数值模拟

本文根据常村矿水文地质条件建立模型并选取某巷道为研究对象，其中巷道净宽5.2 m，净高3.5 m，工作面煤层总厚为6 ，其中巷道直接底为泥岩，厚度为5.5 m；老底为细粒砂岩，厚度为4.2 m。直接顶为泥岩，厚度为2.9 m；老顶为粉砂岩，厚度为4.2 m，模拟中断层距离巷道15 m，其倾角为45°落差约60 m 模型建立中具体参数如表1所示。

表1 数值模拟中模型岩石力学参数表

最终建立长×宽×高=150m×50m×95m 的数值计算模型如图1 所示，取边界条件为模型底部是固定边界，模型的四周设置为水平边界，模型的上部设置自由边界。同时模型上部未出现的土层由模型顶部施加20 MPa等效的垂直应力代替，并建立以下假设：1）模型中涉及的煤岩体为各向同性的连续均质体；2）模型中的工作面以及回采巷道处于静力平衡状态；3）煤岩体为符合摩尔库伦破坏准则的理想弹塑性体；4）不考虑时间因素的影响；在以上假设的基础上应用摩尔库伦模型进行数值模拟计算[4]。

图1 数值模拟模型

图2 巷道掘进影响下断层应力及位移变形分布图

如图2 所示，a 图显示受巷道掘进作用断层两端区域垂直应力集中现象较中心位置更为明显，整体垂直应力集中呈现随地层变化而改变的状态，并且变化系数是1.4，两侧皆有约15 m～20 m的范围受到断层应力影响；b 图显示断层水平应力出现距断层越近应力越大，且同样为断层两端应力集中现象最为明显，其影响范围与垂直应力相同；c 图显示剪应力分布则随断层倾向成梭形分布，有两端逐渐减小但影响区域则逐渐增大的趋势。

图3 近断层巷道围岩变形云图

由于近距离断层的影响该侧巷道掘进过程中受到非对称应力场的作用，从而造成近断层的巷道侧帮水平方向上易发生剪切破坏或滑移[5]，如图3 所示，左侧为近断层一侧其位移变形量明显大于右侧，最大变形量约为30 mm，这样不对称的作用力同时会明显增大底板隆起量。

图4 近断层巷道煤柱预留宽度对比曲线图

为保证近断层巷道的安全使用，巷道保护可以通过调整煤柱预留宽度来实现，如图4所示分别取6种煤柱宽度进行模拟分析得出不同煤柱宽度下巷道围岩变形规律。随着煤柱宽度的不断增大四项围岩位移变形数据都呈不同程度减小趋势，其中5 m～20 m这一阶段煤柱宽度增大造成围岩位移变形下降趋势明显，受到断层影响该阶段巷道围岩部分或全部处于断层剪应力影响区域，应力集中造成巷道围岩的塑形破坏扩展，但是煤柱宽度的增加使围岩远离或脱出断层应力影响范围使得巷道围岩趋于原岩[6]。这一阶段底板变形量减少34.25 mm，顶板下沉量减少25.91 mm，煤柱位移变形量由45.61 mm 减少至20.53 mm，侧帮移近量降为14.66 mm；当煤柱宽度由 20 m 增加到 25 m 和 30 m 时巷道围岩受到断层的影响不断减小其稳定性虽然增加但是顶底板及两帮围岩位移变形量减少都在5 mm 以内，这样会造成经济效益的大量减少，因此通过多组煤柱宽度的对比在保证巷道安全的同时兼顾经济效益的前提下选择20 m作为实际预留煤柱宽度最为合理。

3 结论

（1）受巷道掘进作用影响断层两端区域垂直应力集中现象较中心位置更为明显，整体垂直应力集中呈现随地层变化而改变的趋势，两侧皆有约15 m～20 m的范围受到断层应力影响；断层水平应力出现距断层越近应力越大，且同样为断层两端应力集中现象最为明显，其影响范围与垂直应力相同；剪应力分布则随断层倾向成梭形分布，有两端逐渐减小但影响区域则逐渐增大的趋势。

（2）由于近距离断层的影响该侧巷道掘进过程中受到非对称应力场的作用，从而造成近断层巷道侧帮水平方向上易发生剪切破坏或滑移，左侧近断层一侧位移变形量明显大于右侧，最大变形量约为30 mm，这样不对称的作用力同时会明显增大底板隆起量。

（3）保护煤柱宽度从5 m 增大至20 m 过程中断层造成围岩位移变形下降趋势明显，受到断层影响该阶段巷道围岩部分或全部处于断层剪应力影响区域，应力集中造成巷道围岩的塑形破坏扩展，但是煤柱宽度的增加使围岩远离或脱出断层应力影响范围造成得巷道围岩趋于原岩，因此通过多组煤柱宽度的对比在保证巷道安全的同时兼顾经济效益的前提下选择20 m作为实际预留煤柱宽度最为合理。