矿井含泥岩夹层巷道变形机理分析

王恩博

(晋能控股煤业集团，山西 大同 037000)

煤系地层的形成过程非常复杂，岩层种类繁多，形成过程中受到外部条件的影响，有时不能形成单一的岩层，而是形成多岩层互层现象，其中煤层中含有泥岩夹层最为常见。煤层中含有泥岩，不但会降低煤炭质量，影响矿井的整体效益，而且对矿井巷道的稳定性也会产生较大的影响，含有泥岩夹层的巷道受回采的影响，往往会出现片帮、层位错动、巷帮破坏严重等现象，给矿井巷道维护造成一定的困难，威胁矿井安全生产。

1 工程概况

某矿主采5-2煤，煤层平均厚度6.2 m，倾角1°～3°，在5-2煤层中下部存在一层软弱的泥岩夹层，厚度50～200 mm.85203回采工作面位于该矿八盘区，工作面采用三巷布置，相邻工作面为85201工作面。85203回风顺槽宽度为5.8 m，高度为4.4 m，其中巷道顶部采用d18 mm钢筋托梁+钢筋网片+锚杆+锚索联合支护，帮部采用d18 mm钢筋托梁+钢塑复合网+玻璃钢锚杆联合支护。工作面回采过程中发现回风顺槽变形破坏严重，出现了帮鼓、错动、脱锚等现象。

2 夹层泥岩浸水试验

在85203回风顺槽泥岩夹层中钻孔取芯，在实验室内加工成100 mm×100 mm的正方形试件，现场取顶板水若干，分别在实验室内进行浸水试验，将泥岩试件分别浸入盛有矿井水的量杯中，对浸水2 min、10 min、1 h后泥岩的变化进行对比分析，见图1.试件在浸水后，表面产生了大量的气泡，泥岩表面迅速被水浸湿，表面粉末颗粒随浸水时间的持续逐渐脱落，2 min后泥岩表面颗粒剥离速度明显加快；10 min后泥岩表面颗粒剥离明显，且试样体积有所增加，与原始试件相比表现出了明显的膨胀和崩解现象；浸水1 h后，可以看出试件已经完全被破坏，全部泥化。由此可见，泥岩夹层具有较强的吸水性，长期处于井下潮湿环境，泥岩夹层会逐渐泥化，并完全破坏，泥岩这一特性是引起巷帮夹层泥岩以上煤体整体偏移和片帮等严重变形破坏的主要原因之一。

图1 泥岩浸水试验图

3 数值模拟研究

3.1 模型的建立

根据现场实际条件采用FLAC3D数值模拟软件建立工作面开采模型，模拟回风顺槽受二次采动影响下，巷道围岩应力场及屈服破坏特征。模拟工作面长度为260 m，采高为6.2 m，巷道保护煤柱宽度20 m，最终建立模型尺寸长500 m×宽700 m×高100 m，模型共划分462 650个单元，482 974个节点，数值模型见图2.

图2 数值模拟模型图

3.2 模拟结果分析

受二次采动影响的回风顺槽围岩应力场分布图见图3.由图3可以看出，受二次采动影响的85203回风顺槽超前支承压力分布较广，最远处达到了工作面前方120 m，超前工作面18 m附近达到了应力峰值12 MPa，压力系数达2.38.在回风顺槽上方顶板岩层形成了应力集中情况，应力最大值为8 MPa，压力系数达1.59.应力呈现单峰应力分布，工作面回采过程中巷道将受到高应力影响。

图3 受二次采动影响回风顺槽应力场分布图

回采过程中回风顺槽屈服破坏情况见图4.由图4可以看出，巷道围岩均存在不同程度的破坏，尤其在巷道两帮变形破坏严重，巷道顶板主要以拉伸破坏为主，分布在巷道顶板中部及靠回采帮一侧，破坏深度为1.8 m；巷道回采帮以剪切破坏为主，分布在软弱夹层上部，最大破坏深度3 m，夹层下部破坏深度1.5 m；巷道非回采帮受到剪切和拉伸共同破坏，总体破坏较大，破坏最严重区位于巷道中部的夹层附近，深度为3 m.由此可见，巷道非回采帮应作为巷道支护的重点。

图4 回风顺槽围岩屈服破坏图

根据数值模拟结果可知，由于受相邻工作面及本工作面回采的影响，在回风顺槽形成的超前支承压力范围广、强度高，尤其在巷道顶板岩层中形成的高应力将直接导致顶板岩层破损变形，顶板形成的高应力向巷道帮部转移，加之泥岩夹层完全泥化，直接导致了巷帮发生错动及片帮。

由以上分析可知，现场对巷道进行支护时，重点加强巷道顶板支护强度，防止泥岩与水长时间接触，泥岩夹层附近进行补强支护。

4 支护优化及效果分析

根据数值模拟结果，该矿5-2煤工作面回风顺槽进行了补强支护，具体方案：由于夹层附近塑性区达3 m，设一排长度4 m间距2 m的长锚杆加强支护。每2根长锚杆中间补一根2.4 m锚杆，配套一条横向钢筋梁，加强对夹层附近变形围岩的整体控制。另外，对巷道内夹层采取喷射混凝土或防渗抗裂砂浆进行封闭。

为了验证含软弱夹层巷道支护效果，对85205回风顺槽进行了围岩移近量监测。在整个工作面回采期间，巷道顶板、两帮围岩移近量和变形速率均出现了大幅度减小，顶底板移近量最大127 mm，两帮移近量最大148 mm，未见巷道错动变形、明显片帮、玻璃钢锚杆断裂等破坏现象，巷道整体处于稳定状态，见图5.

图5 巷道围岩支护效果图

5 结 论

1)泥岩夹层的浸水试验结果表明，随着浸水时间的持续，泥岩表现出了极强的吸水性，以及明显的膨胀和崩解现象。

2)数值模拟分析结果表明，由于受相邻工作面及本工作面回采的影响，在回风顺槽形成的超前支承压力范围广、强度高，巷道中部的夹层附近破坏最为严重。

3)综合分析得到了含泥岩夹层巷道变形机理，顶板形成的高应力向巷道帮部转移，加之泥岩夹层完全泥化，直接导致了巷帮发生错动及片帮，并给出了巷道补强方案，有效地保证了巷道围岩的稳定性。