岩床侵入对巷道矿压的影响数值模拟研究

万 峰，张洪清，周佩军，郭 洁

（扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古 满洲里 021410）

岩床侵入煤系地层是1 种普遍存在的地质现象，对煤层厚度、煤层变质程度与开采过程中矿压显现等方面有重要的影响作用[1-5]。专家学者通过大量研究发现[2-7]，地层的不连续性和强度差异性可控制侵入岩床在下部软弱层与上部坚硬层界面处的形成，且在水平方向易形成薄层状岩床。岩床侵入一般从煤层顶部开始，且侵入岩床的厚度与煤层厚度呈负相关关系，即侵入的厚度越大，煤层厚度变得越小。同时侵入的岩体相对煤层强度高，而与其接触的煤层强度明显降低，使得巷道支护问题凸显[6-9]。侵入岩床不但可形成厚而坚硬的顶板，而且受侵入的煤层厚薄变异程度增加，使得煤岩体内部的应力存在异常现象，也加剧了煤岩动力灾害的发生[10-14]。如Beamish[15]等对煤与瓦斯突出动力灾害与岩床有关的地质因素进行研究，认为地质因素和区域岩浆活动对煤与瓦斯突出灾害会产生重要的影响作用。舒龙勇等[16]研究了厚硬火成岩下保护层开采覆岩裂隙演化特征和地面钻井发生喷水-瓦斯事故的原因，提出了厚硬火成岩下复合动力灾害的防治对策。刘玉田[17]研究了火成岩侵入对塔山矿巷道顶底板破坏规律的影响，揭示了火成岩侵入后煤体物理力学性质的弱化效应。郑书兵[18]总结了火成岩侵入影响的特厚破碎煤层全煤巷道的变形和破坏特征，提出了采用高强度高刚度的锚杆锚索支护系统进行巷道支护设计。郭东明等[19]针对火成岩侵蚀作用下巷道复合顶板的冒顶灾害，提出了“强顶、固帮”的支护对策。杨培举等[20]从结构失稳的角度研究了采场上覆巨厚坚硬火成岩层对采场冲击地压与顶板大面积来压的作用机理，提出了采用增加工作面推采速度与弱化顶板强度的措施防治冲击地压与大面积来压等工程问题。郭军等[21]揭示了层状侵入岩层对综放采场覆岩运动规律及采场动力灾害发生的机理，并提出了有效的预防措施。

综上所述，岩床侵入对采场或巷道影响研究多集中于瓦斯、冲击地压与顶板等灾害，而对岩床侵入下的巷道围岩力学响应规律与矿压显现的改变研究相对缺乏。为此，通过合理简化水平岩床侵入条件下的地质模型，数值模拟研究岩床侵入条件下巷道围岩应力、变形与塑性区的分布规律以及回采过程中工作面超前支承压力的分布特征，从而揭示岩床侵入对巷道矿压显现影响作用。

1 岩床侵入区原岩应力特征理论分析

岩床侵入形式具有多样性，其中1 种为顺煤层顶部侵入后形成了厚度变化的层状坚硬岩床，不仅在煤层开采过程中形成了坚硬顶板，还使得煤层赋存特征发生显著变化，具体表现为煤层厚度与物理力学性质的改变。水平岩床侵入示意图如图1。

图1 水平岩床侵入示意图Fig.1 Schematic diagram of horizontal bedrock intrusion

建立未受采掘影响的力学简化模型，模型中的煤岩体可认为处于弹性状态，岩床侵入区域的弹性模量可用煤体和岩体2 个弹性模量串联成1 个等效的弹性模量进行表示，力学模型示意图如图2。

图2 力学模型示意图Fig.2 Schematic diagram of mechanical model

基于Voigt 的煤体与岩体串联等效弹性模量E 满足式（1）关系[22-23]：

式中：E1为岩体的弹性模量；E2为煤体弹性模量；n1、n2分别为岩体与煤体的体积分数；H1、H2分别为岩体和煤体的厚度。

若在外载荷作用下，纯煤层与煤岩组合层产生了相同的微小线应变ε，根据胡克定律可得：

应力集中系数三维曲面图如图3，可知，岩床侵入后的应力集中系数随着煤岩弹性模量比值的减小而不断增大，可理解为当煤体弹性模量一定时，岩体的弹性模量越大，岩床侵入区域的应力集中系数越高；应力集中系数还随着侵入岩床厚度的增大而不断增大。

图3 应力集中系数曲线图Fig.3 Stress concentration factor graph

2 岩床侵入对巷道影响的模拟分析

2.1 数值模型

主要考虑岩床侵入后形成的坚硬顶板以及煤层厚薄变化对巷道围岩的力学作用影响，为此将岩床侵入地质模型简化。利用FLAC3D数值模拟软件[24]，建立岩层侵入的巷道围岩数值模型，该模型分别由直接顶、基本顶、岩床侵入、煤层、巷道、直接底与基本底组成。根据实践表明，岩床侵入通常只是侵入煤系地层，而坚硬岩层基本不会被侵入，如砂岩、砾岩等，为此将岩床侵入模型简化，即侵入煤层的岩床物理力学性质与直接顶相一致，煤岩物理力学参数见表1。模型前后左右4 个侧面为法向位移约束，底面固定，顶端施加竖向应力20 MPa，利用摩尔库伦模型进行开挖计算，获得巷道围岩应力场、变形场与塑性区分布规律，分析岩层侵入对巷道的影响作用。

表1 煤岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

2.2 巷道围岩应力分析

应力分布云图如图4。

图4 应力分布云图Fig.4 Stress distribution diagrams

由图4（a）可知，在巷道两侧均存在垂直应力集中现象，距右帮水平距离3 m 左右岩床侵入位置的垂直应力集中程度最高，是巷道左侧围岩最大垂直应力的1.2 倍；由图4（b）可知，距巷道两帮水平距离大于3 m 区域的两侧围岩存在水平应力升高区，但巷道右侧围岩的水平应力升高区较左侧的范围大；由图4（c）可知，巷道上方基本顶主要受拉应力作用，距巷道两帮水平距离大于3 m 区域的两侧煤层最大主应力产生了高度的应力集中现象，尤其巷道的岩床侵入一侧的最大主应力是左侧的1.1 倍左右，因此煤层易于发生受压塑性屈服；由图4（d）可知，距右帮水平距离3 m 左右的岩床侵入位置的最大剪应力集中程度最高，即存在最大剪应力，巷道右侧的煤层最大剪应力是左侧煤层的1.2 倍左右，巷道右侧煤岩体更易发生剪切破坏。

通过上述的巷道围岩应力状态分析可知，岩床侵入一侧的巷道围岩应力集中程度显著，对巷道的稳定十分不利，应向应力集中的位置采取卸压措施，同时还要加强支护。

2.3 巷道围岩位移分析

巷道围岩位移云图如图5。

图5 巷道围岩位移云图Fig.5 Displacement diagrams of surrounding rock

从巷道围岩水平位移角度来看（图5（a）），岩床侵入一侧的围岩水平方向最大位移量是无岩床侵入的0.92 倍，巷道两帮水平方向最大位移量相近；从巷道围岩垂直位移角度来看（图5（b）），巷道的顶板最大下沉量是底板鼓起量的3 倍左右，靠近右帮岩床侵入一侧的巷道顶底板位移量与靠近左帮的相近。以上说明岩床侵入并不会显著影响巷道围岩的位移规律，即对巷道围岩位移影响有限。

2.4 巷道围岩塑性区分析

FLAC3D中shear-n 与tension-n 分别表示现在的单元处于剪切塑性状态与拉伸塑性状态。巷道围岩塑性区分布如图6，白色折线圈起来的区域代表目前受剪切作用下所产生的剪切塑性单元，拉伸塑性屈服单元距巷道较远，此处不做分析。通过巷道围岩塑性区分布可知，受岩床侵入一侧的巷道围岩剪切塑性区较巷道左侧围岩的分布范围更广，可间接说明岩床的侵入对巷道右侧围岩破坏比无侵入的破坏严重，这与井下事实相符合，如火成岩侵入的区域，围岩中的煤体相对较为破碎。

图6 巷道围岩塑性区分布Fig.6 Plastic zone distribution of surrounding rock

3 岩床侵入对超前工作面支承压力分布影响

工作面超前支承压力分布特征如图7。

图7 工作面超前支承压力分布特征Fig.7 Distribution characteristics of advance abutment pressure

通过图7 可知，当回采工作面距离岩床侵入50 m 时，工作面超前支承压力分布规律基本不受影响；当回采工作面距离岩床侵入30 m 时，工作面超前支承压力分布也无明显变化，但在岩层侵入的煤层厚度变化区域出现了应力微小波动，说明影响开始显现；当回采工作面距离岩床侵入10 m 时，受岩层侵入影响，超前工作面支承压力峰后曲线下降较前2 种情况缓慢，下降过程应力波动加剧，说明易于产生应力突变，对巷道围岩的稳定产生不利影响。

4 结 论

通过合理简化水平岩床侵入条件下的地质模型，建立力学模型，理论分析了岩床侵入对原岩应力分布的影响规律；数值模拟研究了岩床侵入条件下巷道围岩应力、变形与塑性区的分布规律以及回采过程中工作面超前支承压力的分布特征。

1）应力升高的程度不仅与煤岩层的弹性模量相关，还与岩体侵入的厚度有关。岩床侵入后的应力集中系数随着煤岩弹性模量比值的减小而不断增大；应力集中系数还随着侵入岩床厚度的增大而不断增大。

2）岩床侵入的巷道围岩应力集中程度显著，容易使煤岩体发生压剪破坏，导致巷道围岩剪切塑性区分布范围更广，说明岩床的侵入对围岩破坏范围影响较大，对巷道稳定不利，但岩床侵入并不会显著影响巷道围岩的位移规律。

3）煤层回采过程中，随着工作面不断靠近岩床侵入区域，工作面超前支承压力分布特征受岩床侵入影响程度逐渐加大，即应力波动逐渐显现。尤其距离岩床侵入10 m 左右时，超前工作面支承压力峰后曲线下降减慢，易于产生应力波动突变，对围岩稳定不利。