不同岩性穿层巷道围岩变形特征分析

刘彦武

（山西柳林煤矿有限公司，山西 柳林 033399）

柳林煤矿开采8#煤层生产时所涉及的胶带暗斜井、轨道暗斜井大巷需要穿层掘进，不同岩层岩石力学性质不同，为了有针对性地进行围岩稳定性控制及制定合理的支护方案，需对穿层巷道围岩变形特征进行分析。

1 地质概况

山西柳林煤矿井田呈不规则多边形，井田东西长约3.70km，南北宽3.50km，位于柳林县城北5km 处的屈家沟村一带，批准开采煤层为4、5、8、9 号煤层，开采标高+970～ +430m。一水平布置在5号煤层，水平标高+745m；二水平布置在8号煤层中，水平标高+700m。根据矿井开采现状，需进行8 号煤层与5 号煤层配采，要求5、8 号煤层接替开采。

柳林煤矿暗斜井穿过多种岩层，包括煤层、粉砂岩、砂岩、泥质砂岩及石灰岩，尤其是石灰岩非常坚硬。

岩石力学性质测试表明，泥岩（粉砂岩）的抗压强度在41.03～66.02MP 之间，平均57.18MPa；5#煤层单轴抗压强度试验值在3.43～10.29MPa 间，煤与岩石的离散性较大，强度中等偏弱，但顶板的抗拉强度和剪切凝聚力相对较高，也为锚网支护提供了有利条件。8#煤直接顶为石灰岩，致密，坚硬，测试强度96.16～114.0MPa，平均101.78MPa。8#煤坚硬直接顶板为采区巷道支护提供了有利条件。

2 数值模拟计算方案

巷道所在区域穿过4#煤层、5#煤层、6#煤层、7#煤层、8#煤层及煤层之间的各个岩层。根据L17 钻孔综合柱状图，从4#煤层顶板至8#煤层底板，岩层总厚度约70m，其中粉砂岩、砂岩占比约21%，砂质泥岩占比约26%，灰岩占比约36%。砂岩、粉砂岩主要分布在6#煤层顶板灰岩以上；灰岩分布在6#顶板岩层以下，且厚度较大；砂质泥岩在各个煤层之间都有分布，但呈现层数多、单层厚度小的特点。根据钻孔综合柱状图，巷道所在区域岩性可分为两类：一是粉砂岩、砂岩与厚度不大的砂质泥岩互层分布；二是灰岩与厚度不大的砂质泥岩互层分布。

根据煤层的综合地质柱状图，结合煤矿实际地质资料建立模拟计算模型，共取8 个不同岩层区域的剖面进行模拟分析。具体的剖面图及剖面所在位置如图1 所示。

图1 巷道模型所在位置

模型长×宽×高=100m×50m×100m，模拟计算巷道分别位于8 种不同岩层位置下的围岩变形、应力及塑性区发育情况，计算时选取地应力系数为1.2。

模型的四个侧面为位移边界，限制水平位移，底部为固定边界，限制水平位移和垂直位移，网格大小的变化使用Attach 语句联接。模型上覆岩层的重力，以每100m 增加2.5MPa 按照均布荷载形式施加在模型的上部边界。支护方案选择时，以cable结构单元模拟锚杆及锚索的支护。

3 穿层巷道围岩应力分布特征

图2 为不同岩层区域位置的巷道围岩垂直应力分布图。不同位置的巷道的顶底板均产生了垂直应力减小的区域，两帮均产生了垂直应力升高的区域。同时发现随着巷道所处位置向下方移动，其两帮的垂直应力呈增大的趋势，而巷道顶底板的垂直应力则没有明显变化，均处于小于原岩应力的状态。

图2 区域2 巷道围岩应力分布

4 穿层巷道围岩变形特征

图3 为不同岩层区域位置的巷道围岩变形特征图。不同位置的巷道的顶底板均产生了变形，但不同岩层区域及巷道不同位置围岩的变形程度不同。总体上看，巷道顶底板变形量要大于两帮变形量。6 煤顶板灰岩以上岩层为砂岩、泥质砂岩互层，6煤顶板灰岩以下岩层为灰岩、泥质砂岩互层。从8个剖面的巷道围岩变形量来看，从4 煤向下直至8煤层的8 个计算模型中，巷道围岩变形量总体上逐渐减小，说明上部分区域围岩条件较差，下半部分围岩条件较好。模型1 ～8 顶板变形量、底板变形量及侧帮变形量如下表1 所示。

图3 区域2 巷道围岩变形分布

表1 巷道围岩变形统计

图4 巷道变形统计图

从上述图表中可以看出，虽然巷道变形量从上至下逐渐减小，但上半部分岩层区域巷道围岩变形量要明显大于下半部分岩层区域。在进行支护设计时，可将上下山巷道分为两部分区域考虑。

5 穿层巷道围岩塑性区分布特征

图5 为不同岩层区域位置的巷道围岩塑性区分布图。不同位置的巷道围岩均有塑性变形区，但不同岩层区域及巷道不同位置围岩的塑性变形区不同。总体上看，巷道两底角及两肩位置处塑性区范围要大于两帮及顶底板区域。6 煤顶板灰岩以上岩层为砂岩、泥质砂岩互层，6 煤顶板灰岩以下岩层为灰岩、泥质砂岩互层。从8 个剖面的巷道围岩变形量来看，从4煤向下直至8煤层的8个计算模型中，巷道围岩塑性区范围总体上逐渐减小，同样，说明上部分区域围岩条件较差，下半部分围岩条件较好。模型1～8 巷道围岩塑性区范围如下表2 所示。

图5 区域2 巷道塑性区分布

表2 巷道围岩塑性区统计

图6 巷道围岩塑性区统计图

从上述图表中可以看出，虽然巷道塑性区从上至下逐渐减小，但上半部分岩层区域巷道围岩塑性区范围要明显大于下半部分岩层区域。上半部分岩层区域巷道围岩塑性区范围普遍在2～2.3m，部分区域超过2.4m。由于巷道断面较大，因此塑性区范围较大，在进行锚杆支护设计时，应充分考虑到围岩塑性区发育情况，设计合理的锚杆长度。

6 结论

（1）随着巷道所处位置由上部向下部移动，其两帮的垂直应力呈增大的趋势，而巷道顶底板的垂直应力则没有明显变化，均处于小于原岩应力的状态。

（2）巷道顶底板变形量要大于两帮变形量，同时，上半部分岩层区域巷道围岩变形量要明显大于下半部分岩层区域，在进行支护设计时，可将暗斜井巷道分为两部分区域考虑。

（3）巷道塑性区范围较大，上半部分岩层区域巷道围岩塑性区范围普遍在2～2.3m，在进行锚杆支护设计时，应充分考虑到围岩塑性区发育情况，设计合理的锚杆长度。