深埋大倾角煤岩层巷道变形破坏特征与机理研究

张 平

（山西宁武大运华盛庄旺煤业有限公司，山西 忻州 036000）

大倾角煤岩层巷道由于围岩结构非对称和倾斜顶板岩层应力场分布不均匀问题[1-4]，导致其围岩受力特点与水平煤岩层巷道受力特点存在显著差异[5-6]。本文以山西庄旺煤业502 采区回风巷为工程背景，通过理论分析、数值模拟对比分析了大倾角煤岩层和水平煤岩层巷道围岩的变形破坏特征，总结了大倾角煤岩层中巷道的变形控制关键点。

1 数值模型及方案

502 采区回风巷埋深约900 m，长度1988 m，沿16 煤层按腰线4‰上坡掘进，巷道断面部分嵌入其顶或底板岩层中。根据钻探资料及邻区开采揭露情况分析，16 煤层为稳定中厚煤层，均厚2.58 m，煤层结构较为复杂，含0～3 层0.10～0.15 m 厚薄层煤矸，平均倾角30°。煤岩顶底板参数见表1。

表1 顶底板岩层物理力学参数

考虑模型边界效应，基于实际地层条件，采用Mohr-Coulomb 本构模型建立FLAC3D数值模型，模型长×宽×高为50 m×40 m×50 m，对模型左、右及底部边界施加法向位移约束，上边界为自由边界，初始平衡前施加上覆岩层自重换算的均布荷载（取岩层平均密度2250 kg/m3，巷道平均埋深900 m），侧压力系数取值0.7。为便于对比分析，建立了水平煤岩层和30°倾角煤岩层两个模型，如图1。

图1 倾角0°和30°煤岩层巷道分析模型

2 模拟结果分析

根据数值模拟结果，煤岩层倾角为0°和30°时，巷道围岩位移、应力和塑性区分布如图2～图5。

图2 巷道围岩总位移分布特征

2.1 大倾角煤岩层巷道围岩变形特征

由图2 可知，30°（85 mm）与0°（83 mm）倾角的岩层巷道围岩总位移最大值相当；煤岩层倾角为0°时，围岩变形表现出明显的对称性，最大位移（85 mm）出现在两帮偏下的位置，而煤岩层30°倾角时围岩的变形出现了明显非对称现象，最大位移左帮（83 mm）和顶板右侧（78 mm）。总体上，巷道顶底右侧和底板左侧位移整体较大，右帮位移大于左帮，即巷道顶板右侧、底板左侧和右帮是围岩变形控制的关键部位。

由图3、图4 可知，煤岩层倾角为0°时，矩形巷道应力集中区域主要集中在矩形转角周边区域，巷道围岩垂直、水平分布均表现出对称分布特征；当煤岩层倾角为30°时，巷道围岩中垂直、水平分布均呈现出非对称特性，应力集中区域发生明显偏转，除转角位置存在明显应力集中外，巷道右帮垂直应力明显大于左帮，出现了明显垂直应力集中现象；巷道底板区域水平应力明显大于顶板，也出现了明显垂直应力集中现象。此外，煤岩层倾角为30°时，巷道右下转角处的垂直应力、水平应力均存在较高的应力集中现象，值得重点关注。

图3 巷道围岩垂直应力分布特征

图4 巷道围岩水平应力分布特征

2.2 大倾角煤岩层巷道围岩破坏特征

由图5 可看出，当煤岩层倾角为0°时，矩形巷道围岩中塑性区主要集中于巷道两帮，两帮塑性区最大深度为2.6 m，顶、底板塑性区深度约0.4 m，塑性区分布呈现对称分布特征；当煤岩层倾角为30°时，矩形巷道围岩中塑性区深度较大区域为巷道左帮、右帮上部和顶板右侧区域，左帮、右帮上部和顶板右侧塑性区最大深度分别为2.8 m、1.6 m和1.7 m，底板塑性区深度约为0.4 m，塑性区分布呈现明显非对称分布特征。可见，在502 采区回风巷掘进与支护过程中，巷道左帮、右帮上部和顶板右侧是需要重点关注和支护加强的区域。

图5 巷道围岩塑性区分布特征

3 大倾角煤层巷道围岩变形破坏机理分析

由于煤岩层倾角较大时，岩层层面与重力方向（岩层自重方向）夹角变小，迫使竖向力在沿煤岩层理方向的作用效应增强，造成巷道围岩中应力、变形和破坏情况在水平方向和垂直方向上出现不对称现象，其变形分布与破坏特征与水平（或缓倾）煤岩层中的巷道围岩显示出明显差异。

1）大倾角煤岩层中巷道的围岩变形具有显著非对称性。巷道掘进后，被开挖体截断应力传导路径的应力向周边围岩内部转移，同时在竖向荷载和重力受煤岩层倾斜层理面的影响，巷道围岩存在沿倾斜层理面下滑的趋势。因此，在倾斜煤岩层巷道中应力在矩形巷道转角处出现非对称集中。围岩变形在低强度煤岩层和应力集中与卸荷的影响下向非对称分布发展。

2）若煤层相对顶板和底板岩层存在松软或结构面发育等情况，则松软煤层极易出现煤层破坏和变形突出现象，从而引起巷道围岩中煤层范围内围岩变形或滑移显著增大现象。若巷道顶、底板强度较低，则容易出现顶板严重下沉或严重底鼓。

综上可知，大倾角煤岩层中巷道围岩发生非对称变形破坏是大倾角煤层巷道两侧的岩体结构不对称诱导应力分布不对称导致的。此外，由于煤岩层理面倾斜角度较大，会导致竖向荷载和岩体自重对层理面稳定不利；同时，受岩层倾向和煤层强度影响，煤层范围内巷道围岩的变形量和沿煤岩层理面方向的变形量较大，塑性区范围也发生对应偏转。

4 工程应用

根据数值模拟分析结果，502 采区回风巷施工过程中，将原设计中的对称支护进行了优化，左帮保持原支护设计，对顶板右侧增加了一根锚索，重点加强了对塑性区煤层所在区域的支护，如图6。

图6 502 采区回风巷改进支护设计图（mm）

现场观测表明，按数值结果进行针对性改进的支护方案在现场取得了良好的应用效果，与原对称支护区段相比，改进支护区段顶板右侧和右帮顶部变形明显减弱，无需进行二次支护，非对称支护改进有效改善了大倾角煤岩层内巷道围岩变形控制效果。

5 结论

针对深埋大倾角煤岩层巷道围岩变形与稳定性问题，以502 采区回风巷为工程背景，通过数值模拟对比分析了大倾角煤岩层和水平煤岩层巷道围岩变形破坏特征，总结了大倾角煤岩层巷道变形破坏关键点。得出以下主要结论：

1）倾角为30°的煤岩层中，巷道围岩变形规律呈现出明显非对称现象，围岩最大位移出现在左帮（83 mm），顶板右侧位移次之（78 mm）。巷道顶底右侧和底板左侧位移整体较大，右帮位移大于左帮位移，即巷道顶板右侧、底板左侧和右帮是围岩变形控制的关键部位。

2）倾角为30°的煤岩层中，巷道围岩塑性区深度较大的区域为巷道左帮（2.8 m）、右帮上部（1.6 m）和顶板右侧（1.7 m），塑性区呈现明显非对称分布特征。从围岩状态看，巷道左帮、右帮上部和顶板右侧是需要重点关注和加强支护的区域。

3）大倾角煤岩层中巷道围岩发生非对称变形破坏是大倾角煤层巷道两侧的岩体结构不对称诱导应力分布不对称导致的；受岩层倾向和煤层强度影响，低强度煤层范围内巷道围岩变形量和沿煤岩层理面方向变形量会相对较大，塑性区深度也较大。