底板软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响分析

王建飞

（大同煤矿集团公司同发东周窑煤业股份公司，山西 大同 037000）

0 引言

随着上组煤资源逐渐枯竭，煤层开采不断向深部延展，巷道围岩稳定性控制愈加困难，亟待解决[1]。目前，巷道围岩稳定受工程软岩作用、水理作用、高应力作用、采动影响、支护强度等因素的影响[2-3]。煤系地层通常由多层不同岩性的沉积岩组成，部分矿区煤层底板存在软弱夹层，该层位易出现应力集中，进一步加大巷道围岩稳定性控制难度。

在底板软弱夹层巷道围岩控制方面，大量学者已经开展了大量的研究工作。唐春礼等 [4]利用ABAQUS数值模拟方法分析了爆破作用下冬瓜山铜矿深部巷道受到采场围岩的力学响应特征，提出了优化支护方案，实现了底板软弱夹层的稳定性控制；孙利辉等[5]采用理论分析和数值模拟相结合的方法建立了底板软弱夹层的计算模型，分析了夹层对应力、位移和破坏的影响规律；张农等[6]利用物理模拟方法建立不同软弱夹层位置采动失稳破坏型式，提出了含软弱夹层的巷道围岩强化控制原理；张顶立等[7]建立含软弱夹层岩体组合系统的力学模型，揭示了含夹层岩体的破坏及失稳机理，提出了含夹层岩体稳定性的判别指标。基于上述学者的研究，本文针对鹤壁八矿3003岩中巷软弱夹层的具体地质条件，建立FLAC3D数值计算模型，分析了软弱夹层影响下巷道的应力、变形和破坏特征，研究了软弱夹层位置和厚度对巷道稳定性的影响规律，提出底板软弱夹层的巷道支护方案和施工建议措施。本文的研究成果可为近似底板软弱夹层的巷道围岩稳定性控制提供理论依据。

1 数值计算模型建立

1.1 工程概况

鹤壁八矿3003岩中巷断面形状为直墙半圆拱型，墙高1.3m，拱高1.9m，巷宽3.8m。其整体埋深530m，全长450m，主要担负3003工作面的出煤、通风、行人等任务。巷道在砂质泥岩中掘进，砂质泥岩平均厚度6.25m，直接顶为较硬的石灰岩，平均厚度6.6m，直接底以泥岩为主，中夹一软弱薄煤夹层，平均厚度0.95m。巷道开挖影响范围内岩层相关力学参数如表1所示。

表1 巷道周边围岩力学性质参数

巷道开挖过程中采用锚网喷进行支护，锚杆用Φ20mm，L=2000mm的树脂螺纹钢锚杆，配用拱形托盘和高强螺母，以及2卷CK2335型树脂锚固剂，间排距为700×700mm，每排13根。金属网采用Φ4.0mm点焊网，网片规格1500×800mm，网孔80×80mm，喷浆用325#普通硅酸盐水泥，喷层厚度100mm，必要时加钢筋梁和U型钢棚支护。

1.2 数值模型

图1 巷道开挖数值模型

根据鹤壁八矿实际工程情况，采用FLAC3D建立底板含软弱夹层的巷道开挖数值模型，如图1所示。模型长40m，宽1.4m，高34.5m，共包含27360个单元和41724个节点。模型边界条件设置为顶面自由以及四周方向约束，顶面施加应力13.6MPa，侧面施加16.32MPa。巷道开挖支护模拟时，采用cable单元模拟锚杆，采用shell单元模拟锚喷层。当巷道底板不存在软弱薄煤层时，将薄煤层位置岩体参数替换为砂质泥岩参数。

2 数值模拟结果分析

2.1 软弱夹层存在影响

1）最大剪应力。由于巷道围岩最大主应力受夹层影响甚微，本文只研究了最大剪应力在巷道围岩中的分布情况，如图2所示。可以看出，有无软弱夹层情况下，巷道围岩最大剪应力最大值均出现在巷道顶底板位置，但由于巷道底板围岩强度要明显小于顶板，因此，巷道围岩最大剪应力在底板方向的集中区域要比顶板小且距巷道表面较远。当巷道底板无夹层时，巷道围岩最大剪应力能够在底板应力集中区域往深浅均形成较强的连续分布；而当巷道底板存在夹层时，夹层起到阻挡底板岩层应力传递的作用，夹层上下岩层中最大剪应力应力出现跳跃性分布且夹层下方出现局部应力增高现象。

图2 巷道开挖后围岩的最大剪应力分布云图

2）竖向位移分布云图。图3所示为巷道开挖后围岩竖向应力的分布云图。当巷道底板不存在软弱夹层时，巷道顶板最大沉降为17.9 mm，而巷道底鼓量则达到62.9 mm，出现在巷道底部中心位置，由底鼓最大位置往围岩深处，巷道底板围岩竖向位移值逐渐减小。整个巷道底板变形主要集中在巷道底面正下方约3.3 m的区域，其余位置则相对很小。当巷道底板存在软弱夹层时，巷道顶底板围岩变形分布规律变化很小，但巷道底板的最大底鼓量却增大了将近50%，达到了91.8 mm，这说明，巷道底板软弱夹层的存在减小了巷道底板的整体刚度，使得巷道底板在相同的卸载应力作用下出现了较大的变形。

图3 巷道开挖后围岩的竖向位移分布云图

3）塑性区。巷道开挖后周边围岩的塑性区分布如图4所示。当底板不存在夹层时，整个巷道以剪切破坏为主，仅在底板浅部0.25m范围内发生拉伸破坏；同时，受高埋深与高水平应力的影响，巷道整体塑性区范围较大，顶板1.5m、两帮1.m、底板5.0m。当底板存在软弱夹层时，顶板以及两帮塑性区分布变化不大，而底板在软弱夹层上方的围岩塑性区则往两侧各增大了1.0 m；而夹层下方底板围岩塑性区宽度则相对上方减小较为明显，且夹层下部围岩存在一定的完整岩层，这部分岩层也是应力较大区域；对比无夹层情况，夹层下方围岩塑性区范围在宽度方向有所增大，其增大范围约为0.2m。

图4 巷道开挖后围岩的竖向位移分布云图

4）结构弯矩。图5所示为巷道开挖后锚喷层的弯矩分布图，由图可知，有无软弱夹层下，巷道锚喷层弯矩值在巷道顶拱以及两边墙分布较小，而在巷道底板分布则较大且最大值出现在距巷道中心约0.9m的位置。软弱夹层的存在对巷道顶拱和两边墙锚喷层弯矩影响较小，但却使底板锚喷层的弯矩增大了约25%，这对巷道底板受力不利，影响使用安全。

图5 巷道开挖后锚喷支护层的弯矩分布图

2.2 软弱夹层厚度影响

当巷道底板软弱夹层距巷道底板1.75m，厚度分别为0.95m、2m、3m和4m时，巷道围岩位移以及锚喷层弯矩随软弱夹层厚度的变化曲线如图6所示。可以看出，巷道顶板围岩最大位移随底板软弱夹层厚度变化不大；而巷道底板围岩最大位移和锚喷支护层最大弯矩则与软弱夹层厚度呈线性增长关系，即软弱夹层厚度每增大1m，巷道底板最大位移增加12mm，锚喷支护层最大弯矩增加6kN·m。

图6 巷道围岩位移以及锚喷层弯矩随软弱夹层厚度的变化曲线

2.3 软弱夹层位置影响

当巷道底板软弱夹层厚度为0.95m，距巷道底板距离为1m、2m、3m和4m时，巷道围岩位移以及锚喷层弯矩随软弱夹层厚度的变化曲线如图8所示。由图可知，随着软弱夹层距巷道底板距离的增大，巷道顶板围岩最大位移基本保持不变；而巷道底板围岩最大位移则呈指数衰减式减小，即当软弱夹层距巷道底板距离达到一定程度时，软弱夹层对巷道底板变形也影响很小。锚喷支护层最大弯矩则与软弱夹层距巷道底板距离大致呈抛物线分布，即当软弱夹层距巷道底板距离为2m时，锚喷支护层最大弯矩值最大，其值约为128.8kN·m。

图7 巷道围岩位移以及锚喷层弯矩随软弱夹层距巷道底板距离的变化曲线

3 底板含软弱夹层的巷道施工建议措施

底板软弱夹层加大了巷道围岩稳定性控制的难度。在巷道施工过程中，针对软弱夹层的厚度和层位，根据巷道围岩的应力、变形和破坏特性，应采取改变巷道围岩支护方法、强化破裂围岩体强度等施工措施。

底板软弱夹层巷道围岩支护的改进方法包括加固法和卸压法。一方面，巷道支护后，围岩常出现滞后松动变形的特性，应增加高预应力锚杆保证巷道初期支护强度、减小或消除巷道围岩的松动变形。同时，可以通过改变锚杆表面材料来提高初始锚力，增强锚杆承载性能。另一方面，可以通过卸压法来治理底板软弱夹层巷道底鼓，在底板通过钻孔、爆破和切缝等形式，将应力集中区域转移，降低底板的变形量。

底板软弱夹层巷道易出现顶帮冒落和底鼓现象，强化破裂围岩体强度可以有效减小巷道变形，降低顶帮冒落事故，减小底鼓。一方面，底板软弱夹层巷道顶帮常采用安装高预拉力锚杆来提高围岩的抗剪阻滑作用，增强岩体的岩体的承载能力，提高岩体强度；另一方面，通过注浆加固方法可以有效提高围岩整体结构强度，增强岩体的抗变形能力，提高岩体的承载能力，有效控制软弱夹层巷道的围岩变形。

4 结 论

本文利用FLAC3D数值方法分析了软弱夹层影响下巷道的应力、变形和破坏特征，研究了软弱夹层位置和厚度对巷道稳定性的影响规律，主要结论如下：

1）对比分析了有无软弱夹层巷道围岩的应力、变形和破坏特征，底板软弱夹层影响下，巷道围岩变形量和破坏区域均出现了增大的现象，底板软弱夹层增大了巷道围岩稳定性控制的难度。

2）底板软弱夹层厚度对巷道顶板围岩最大位移无显著影响，而巷道底板围岩最大位移和锚喷支护层最大弯矩则与软弱夹层厚度呈线性增长关系。

3）巷道顶板围岩最大位移受软弱夹层距巷道底板距离影响不大，巷道底板围岩最大位移随软弱夹层距巷道底板距离的增大呈指数衰减式减小，锚喷支护层最大弯矩则与软弱夹层距巷道底板距离的增大大致呈抛物线形式的减小。

4）针对底板软弱夹层的特点，提出了改变巷道围岩支护方法和强化破裂围岩体强度等施工建议。