纵弯褶曲控制下巷道围岩变形特征分析

石文朋，魏宝贞，李 楠

(兖州煤业股份有限公司 东滩煤矿， 山东 邹城 273500)

在煤矿生产过程中，巷道围岩的稳定直接关系着煤矿安全高效生产。巷道围岩的稳定性受多种地质条件影响，包括褶曲构造。纵弯褶曲是岩层受到水平应力挤压而形成的一种褶曲，褶曲区域应力集中程度较高，其附近巷道受到构造应力的影响[1-2]，对巷道的稳定性产生较大威胁。学者们对各种因素影响下的围岩稳定性进行大量研究，提出多种支护方案[3-7]，但考虑到纵弯褶曲的研究较少。以某矿1310工作面为研究对象，通过构建纵弯褶曲模型，对纵弯褶曲不同区域巷道的变形特征展开分析，以确定不同条件下的巷道侧重支护区域，为类似地质条件下的巷道布置及支护设计提供合理的理论基础。

1 数值模型建立

采用FLAC3D软件构建纵弯褶曲模型，横型共设置为3层，从上至下分别为：上部岩层(18 m)、中部岩层(4 m)、下部岩层(18 m). 沿x方向长度为120 m，沿y轴方向长度为6 m，沿z方向高度为40 m. 模型底端z方向固定，模型前后y方向固定，顶部施加垂直应力14 MPa，最终形成的纵弯褶曲模型见图1.

图1 模型加载边界条件图

褶曲数值模型的岩石力学参数赋值参考某矿1310工作面顶板岩层选取，最终参数见表1.

表1 模型各层岩石的物理力学参数表

2 纵弯褶曲不同位置巷道变形特征分析

2.1 塑性破坏特征分析

巷道在背斜、向斜、翼部开挖后，巷道围岩的塑性区分布见图2.

图2 巷道围岩塑性区分布图

由图2分析可知：

1) 巷道在背斜及向斜开挖，围岩塑性区范围最大，在翼部开挖，位移塑性区范围最小。破坏形式主要是剪切破坏和拉伸破坏相结合。

2) 在背斜开挖，巷道两帮上部的破坏纵深较大，以巷道中部为界，围岩破坏基本呈对称状态；在向斜开挖，巷道两帮下部的破坏深度较大，以水平为界，整体破坏状态与背斜处基本相反，对称情况则与背斜处类似；而在翼部开挖，巷道左帮下部及右帮上部破坏深度较大，但纵深要远小于背斜及向斜处。

2.2 围岩位移分布特征分析

巷道围岩位移量变化曲线见图3. 由图3可以看出，对比整体曲线，在翼部开挖的巷道围岩位移量最小，曲线图所展现的结果与围岩塑性破坏特征相对应，具体分析如下：

图3 巷道围岩位移量曲线图

1) 最大位移量出现在向斜处巷道的顶板位置，位移量为530.63 mm，该条件下顶板变形量较大，严重影响工作面的生产安全；最小位移量在翼部处巷道的右帮，位移量仅为104.26 mm.

2) 从顶板位移量来说，在向斜开挖巷道顶板位移量最大，在背斜开挖次之，分别为翼部巷道位移的2.18倍、1.51倍；从底板位移量来看，在背斜开挖最大，为317.63 mm，向斜次之，为261.95 mm，翼部最小，为211.37 mm，背斜和向斜的底板位移量分别为翼部位移量的1.5倍、1.24倍；从两帮位移量来看，巷道在背斜及向斜开挖，位移量相差不大，分别为544.55 mm、516.65 mm，而在翼部开挖，两帮位移量仅为222.28 mm，低于背斜及向斜开挖的一半。

综合分析纵弯褶曲不同位置巷道的塑性破坏特征及围岩位移特征可知，在翼部处的巷道其稳定性要更好，由于变形量少，对巷道的支护更简单，有利于保障工作面安全生产。与之相反的是向斜处巷道，顶板变形大，破坏严重，非必要情况下不要将巷道布置在向斜处。

3 纵弯褶曲不同位置巷道应力分布特征分析

3.1 垂直应力分布特征分析

在背斜、向斜、翼部处开挖巷道后，垂直应力分布见图4. 从图4可以看出，无论在哪个部位开挖，顶、底板均没有垂直应力集中区，主要以两帮为垂直应力集中区，背斜、向斜及翼部的最大垂直应力分别为24.56 MPa、23.67 MPa、24.42 MPa，应力集中系数相差在1%以内，向斜受到垂直应力的影响程度较小。背斜和向斜的垂直应力集中区域均靠近内弧部位，翼部的垂直应力集中区域明显受到背斜及向斜内弧段的影响，其主要靠近向斜和背斜内弧段。

图4 巷道垂直应力分布云图

3.2 水平应力分布特征分析

在背斜、向斜、翼部开挖巷道后，纵弯褶曲的水平应力分布图见图5. 从图5可以看出，在背斜开挖的巷道底板及其两边出现了较大范围的应力集中区域，最大水平应力达到15.25 MPa，应力集中系数为3.81，而巷道顶部及两帮则受水平应力影响较小；向斜部位开挖后，巷道围岩的水平应力集中区域在顶板及其两边，两帮深部也有一定程度的应力集中，最大水平应力值为13.86 MPa，应力集中系数为3.47. 背斜及向斜处巷道围岩水平应力以巷道中部为界,基本呈对称分布。而翼部开挖的巷道围岩应力分布与以上两种情况差距明显，巷道周围均为水平应力降低区，无明显的水平应力集中区域，进一步验证了在纵弯褶曲翼部处开挖巷道的可靠性。

图5 巷道水平应力分布云图

4 纵弯褶曲不同位置巷道支护侧重点分析

通过分析纵弯褶曲背斜、向斜及翼部巷道的模拟结果，得到了巷道围岩的稳定性情况，针对不同条件下的巷道，其支护侧重点要有所区分，具体分析如下：

1) 在背斜区域开挖的巷道，应重点考虑两帮的支护，尤其是两帮的上部，该区域破碎情况较为严重，支护难度相对较大。另外,由于背斜处巷道的底板位移量较大且应力集中，还要防止出现底鼓。

2) 由于向斜区域巷道的顶板位移量较大，且顶部应力集中程度也较高，故在向斜区域开挖的巷道应重点考虑顶板支护，防止出现冒顶现象。其次，由于两帮下部的塑性区发育较广，支护时也要考虑到该情况。

3) 翼部巷道的塑性区及应力集中区域均在巷道左帮下部及右帮上部，在支护设计时应侧重考虑这两个区域。

5 结 论

通过数值模拟软件FLAC3D对纵弯褶曲控制区域的巷道变形特征及其稳定性进行了研究，主要结论如下：

1) 在纵弯褶曲不同区域，巷道变形特征不一，背斜及向斜处巷道破坏程度较高，巷道变形明显且应力集中区域广，不利于巷道保持稳定；翼部处巷道的围岩变形量最小，受应力集中影响程度也最小，在纵弯褶曲区域布置巷道时应优先考虑翼部。

2) 在模拟的基础上对纵弯褶曲不同位置处巷道的支护侧重点进行了分析，背斜处巷道应重点支护两帮；向斜处则应重点支护顶板；翼部则应重点考虑左帮下部及右帮上部。