巖床侵入對巷道礦壓的影響數(shù)值模擬研究

萬 峰，張洪清，周佩軍，郭 潔

（扎賚諾爾煤業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410）

巖床侵入煤系地層是1 種普遍存在的地質(zhì)現(xiàn)象，對煤層厚度、煤層變質(zhì)程度與開采過程中礦壓顯現(xiàn)等方面有重要的影響作用[1-5]。專家學者通過大量研究發(fā)現(xiàn)[2-7]，地層的不連續(xù)性和強度差異性可控制侵入巖床在下部軟弱層與上部堅硬層界面處的形成，且在水平方向易形成薄層狀巖床。巖床侵入一般從煤層頂部開始，且侵入巖床的厚度與煤層厚度呈負相關(guān)關(guān)系，即侵入的厚度越大，煤層厚度變得越小。同時侵入的巖體相對煤層強度高，而與其接觸的煤層強度明顯降低，使得巷道支護問題凸顯[6-9]。侵入巖床不但可形成厚而堅硬的頂板，而且受侵入的煤層厚薄變異程度增加，使得煤巖體內(nèi)部的應力存在異?，F(xiàn)象，也加劇了煤巖動力災害的發(fā)生[10-14]。如Beamish[15]等對煤與瓦斯突出動力災害與巖床有關(guān)的地質(zhì)因素進行研究，認為地質(zhì)因素和區(qū)域巖漿活動對煤與瓦斯突出災害會產(chǎn)生重要的影響作用。舒龍勇等[16]研究了厚硬火成巖下保護層開采覆巖裂隙演化特征和地面鉆井發(fā)生噴水-瓦斯事故的原因，提出了厚硬火成巖下復合動力災害的防治對策。劉玉田[17]研究了火成巖侵入對塔山礦巷道頂?shù)装迤茐囊?guī)律的影響，揭示了火成巖侵入后煤體物理力學性質(zhì)的弱化效應。鄭書兵[18]總結(jié)了火成巖侵入影響的特厚破碎煤層全煤巷道的變形和破壞特征，提出了采用高強度高剛度的錨桿錨索支護系統(tǒng)進行巷道支護設(shè)計。郭東明等[19]針對火成巖侵蝕作用下巷道復合頂板的冒頂災害，提出了“強頂、固幫”的支護對策。楊培舉等[20]從結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的角度研究了采場上覆巨厚堅硬火成巖層對采場沖擊地壓與頂板大面積來壓的作用機理，提出了采用增加工作面推采速度與弱化頂板強度的措施防治沖擊地壓與大面積來壓等工程問題。郭軍等[21]揭示了層狀侵入巖層對綜放采場覆巖運動規(guī)律及采場動力災害發(fā)生的機理，并提出了有效的預防措施。

綜上所述，巖床侵入對采場或巷道影響研究多集中于瓦斯、沖擊地壓與頂板等災害，而對巖床侵入下的巷道圍巖力學響應規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)的改變研究相對缺乏。為此，通過合理簡化水平巖床侵入條件下的地質(zhì)模型，數(shù)值模擬研究巖床侵入條件下巷道圍巖應力、變形與塑性區(qū)的分布規(guī)律以及回采過程中工作面超前支承壓力的分布特征，從而揭示巖床侵入對巷道礦壓顯現(xiàn)影響作用。

1 巖床侵入?yún)^(qū)原巖應力特征理論分析

巖床侵入形式具有多樣性，其中1 種為順煤層頂部侵入后形成了厚度變化的層狀堅硬巖床，不僅在煤層開采過程中形成了堅硬頂板，還使得煤層賦存特征發(fā)生顯著變化，具體表現(xiàn)為煤層厚度與物理力學性質(zhì)的改變。水平巖床侵入示意圖如圖1。

圖1 水平巖床侵入示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal bedrock intrusion

建立未受采掘影響的力學簡化模型，模型中的煤巖體可認為處于彈性狀態(tài)，巖床侵入?yún)^(qū)域的彈性模量可用煤體和巖體2 個彈性模量串聯(lián)成1 個等效的彈性模量進行表示，力學模型示意圖如圖2。

圖2 力學模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical model

基于Voigt 的煤體與巖體串聯(lián)等效彈性模量E 滿足式（1）關(guān)系[22-23]：

式中：E1為巖體的彈性模量；E2為煤體彈性模量；n1、n2分別為巖體與煤體的體積分數(shù)；H1、H2分別為巖體和煤體的厚度。

若在外載荷作用下，純煤層與煤巖組合層產(chǎn)生了相同的微小線應變ε，根據(jù)胡克定律可得：

應力集中系數(shù)三維曲面圖如圖3，可知，巖床侵入后的應力集中系數(shù)隨著煤巖彈性模量比值的減小而不斷增大，可理解為當煤體彈性模量一定時，巖體的彈性模量越大，巖床侵入?yún)^(qū)域的應力集中系數(shù)越高；應力集中系數(shù)還隨著侵入巖床厚度的增大而不斷增大。

圖3 應力集中系數(shù)曲線圖Fig.3 Stress concentration factor graph

2 巖床侵入對巷道影響的模擬分析

2.1 數(shù)值模型

主要考慮巖床侵入后形成的堅硬頂板以及煤層厚薄變化對巷道圍巖的力學作用影響，為此將巖床侵入地質(zhì)模型簡化。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[24]，建立巖層侵入的巷道圍巖數(shù)值模型，該模型分別由直接頂、基本頂、巖床侵入、煤層、巷道、直接底與基本底組成。根據(jù)實踐表明，巖床侵入通常只是侵入煤系地層，而堅硬巖層基本不會被侵入，如砂巖、礫巖等，為此將巖床侵入模型簡化，即侵入煤層的巖床物理力學性質(zhì)與直接頂相一致，煤巖物理力學參數(shù)見表1。模型前后左右4 個側(cè)面為法向位移約束，底面固定，頂端施加豎向應力20 MPa，利用摩爾庫倫模型進行開挖計算，獲得巷道圍巖應力場、變形場與塑性區(qū)分布規(guī)律，分析巖層侵入對巷道的影響作用。

表1 煤巖物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

2.2 巷道圍巖應力分析

應力分布云圖如圖4。

圖4 應力分布云圖Fig.4 Stress distribution diagrams

由圖4（a）可知，在巷道兩側(cè)均存在垂直應力集中現(xiàn)象，距右?guī)退骄嚯x3 m 左右?guī)r床侵入位置的垂直應力集中程度最高，是巷道左側(cè)圍巖最大垂直應力的1.2 倍；由圖4（b）可知，距巷道兩幫水平距離大于3 m 區(qū)域的兩側(cè)圍巖存在水平應力升高區(qū)，但巷道右側(cè)圍巖的水平應力升高區(qū)較左側(cè)的范圍大；由圖4（c）可知，巷道上方基本頂主要受拉應力作用，距巷道兩幫水平距離大于3 m 區(qū)域的兩側(cè)煤層最大主應力產(chǎn)生了高度的應力集中現(xiàn)象，尤其巷道的巖床侵入一側(cè)的最大主應力是左側(cè)的1.1 倍左右，因此煤層易于發(fā)生受壓塑性屈服；由圖4（d）可知，距右?guī)退骄嚯x3 m 左右的巖床侵入位置的最大剪應力集中程度最高，即存在最大剪應力，巷道右側(cè)的煤層最大剪應力是左側(cè)煤層的1.2 倍左右，巷道右側(cè)煤巖體更易發(fā)生剪切破壞。

通過上述的巷道圍巖應力狀態(tài)分析可知，巖床侵入一側(cè)的巷道圍巖應力集中程度顯著，對巷道的穩(wěn)定十分不利，應向應力集中的位置采取卸壓措施，同時還要加強支護。

2.3 巷道圍巖位移分析

巷道圍巖位移云圖如圖5。

圖5 巷道圍巖位移云圖Fig.5 Displacement diagrams of surrounding rock

從巷道圍巖水平位移角度來看（圖5（a）），巖床侵入一側(cè)的圍巖水平方向最大位移量是無巖床侵入的0.92 倍，巷道兩幫水平方向最大位移量相近；從巷道圍巖垂直位移角度來看（圖5（b）），巷道的頂板最大下沉量是底板鼓起量的3 倍左右，靠近右?guī)蛶r床侵入一側(cè)的巷道頂?shù)装逦灰屏颗c靠近左幫的相近。以上說明巖床侵入并不會顯著影響巷道圍巖的位移規(guī)律，即對巷道圍巖位移影響有限。

2.4 巷道圍巖塑性區(qū)分析

FLAC3D中shear-n 與tension-n 分別表示現(xiàn)在的單元處于剪切塑性狀態(tài)與拉伸塑性狀態(tài)。巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖6，白色折線圈起來的區(qū)域代表目前受剪切作用下所產(chǎn)生的剪切塑性單元，拉伸塑性屈服單元距巷道較遠，此處不做分析。通過巷道圍巖塑性區(qū)分布可知，受巖床侵入一側(cè)的巷道圍巖剪切塑性區(qū)較巷道左側(cè)圍巖的分布范圍更廣，可間接說明巖床的侵入對巷道右側(cè)圍巖破壞比無侵入的破壞嚴重，這與井下事實相符合，如火成巖侵入的區(qū)域，圍巖中的煤體相對較為破碎。

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone distribution of surrounding rock

3 巖床侵入對超前工作面支承壓力分布影響

工作面超前支承壓力分布特征如圖7。

圖7 工作面超前支承壓力分布特征Fig.7 Distribution characteristics of advance abutment pressure

通過圖7 可知，當回采工作面距離巖床侵入50 m 時，工作面超前支承壓力分布規(guī)律基本不受影響；當回采工作面距離巖床侵入30 m 時，工作面超前支承壓力分布也無明顯變化，但在巖層侵入的煤層厚度變化區(qū)域出現(xiàn)了應力微小波動，說明影響開始顯現(xiàn)；當回采工作面距離巖床侵入10 m 時，受巖層侵入影響，超前工作面支承壓力峰后曲線下降較前2 種情況緩慢，下降過程應力波動加劇，說明易于產(chǎn)生應力突變，對巷道圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié) 論

通過合理簡化水平巖床侵入條件下的地質(zhì)模型，建立力學模型，理論分析了巖床侵入對原巖應力分布的影響規(guī)律；數(shù)值模擬研究了巖床侵入條件下巷道圍巖應力、變形與塑性區(qū)的分布規(guī)律以及回采過程中工作面超前支承壓力的分布特征。

1）應力升高的程度不僅與煤巖層的彈性模量相關(guān)，還與巖體侵入的厚度有關(guān)。巖床侵入后的應力集中系數(shù)隨著煤巖彈性模量比值的減小而不斷增大；應力集中系數(shù)還隨著侵入巖床厚度的增大而不斷增大。

2）巖床侵入的巷道圍巖應力集中程度顯著，容易使煤巖體發(fā)生壓剪破壞，導致巷道圍巖剪切塑性區(qū)分布范圍更廣，說明巖床的侵入對圍巖破壞范圍影響較大，對巷道穩(wěn)定不利，但巖床侵入并不會顯著影響巷道圍巖的位移規(guī)律。

3）煤層回采過程中，隨著工作面不斷靠近巖床侵入?yún)^(qū)域，工作面超前支承壓力分布特征受巖床侵入影響程度逐漸加大，即應力波動逐漸顯現(xiàn)。尤其距離巖床侵入10 m 左右時，超前工作面支承壓力峰后曲線下降減慢，易于產(chǎn)生應力波動突變，對圍巖穩(wěn)定不利。