滑动构造对煤层巷道围岩的影响

盛 刚

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075)

0 前言

位于滑动构造区的巷道，受大范围构造应力场影响，巷道围岩应力场往往带有明显方向性，围岩水平应力往往大于垂直应力[1，2]。在较大水平应力作用下，巷道围岩易出现极不均匀变形，且顶底板变形量往往大于两帮变形量。另外，受局部断层、滑动面等构造影响，巷道围岩十分松散破碎，尤其是围岩强度较低的煤层巷道，围岩变形表现出显著的流变特性，巷道维护十分困难。因此，了解此类巷道的失稳特征及破坏原因，采取有效措施控制其强烈流变十分必要。

1 工程概况

登封煤田位于昆仑-秦岭纬向构造带北支东段，夹持于嵩山和箕山两大背斜之间，总体呈一宽缓的不完整向斜。构造形式以断裂为主，褶皱次之。芦店-大金店滑动构造是该煤田的一种特殊的构造形式，主要表现为滑动断裂上盘岩体脱离下盘而独立运动覆盖于较老地层之上，告成井田位于颖阳-芦店向斜的南翼东段，处在北西向的嵩山与五指岭平移断层之间，大部地段受到了芦店-大金店滑动构造的影响。

某矿主采二1煤层为“三软”不稳定煤层，煤层顶底为滑动构造顶板。如图1所示。

其中，改矿工作运输巷掘出不久普遍发生了严重变形，不得不进行大面积扩修。

2 试验巷道变性特征及基础信息实测

2.1 运输巷变形破坏特征

原有巷道采用高阻可缩U型钢棚支护，棚距500 mm，支架搭接处采用2付普通夹板卡缆，搭接长度500 mm，并采用编织网配合椽子背帮接顶，棚腿窝深150 mm。

采用此种支护后，巷道支架出现大量滑移、顶底板及两帮持续变形，长时间不能稳定；破碎煤体从支架之间挤压流出[3]。具体特征如图2。

图2 巷道变形破坏特征Figure 2 Roadway deformation failure features

2.2 运输巷围岩松动圈实测

为精确了解巷道围岩破碎范围及破碎特征，采用地质雷达对该运输巷进行围岩松动圈测试，结合钻孔窥镜探测，精心选择测点进行围岩松动圈的测试工作。

运输巷窥镜测试测试的典型图像如图3所示，由窥镜测试可知，变电所顶部岩体破坏范围约1.2 m，拱部岩体破坏范围约为2.5 m，帮部岩体破坏范围约为2.2 m。

图3 运输巷窥镜测试典型图像Figure 3 Typical image of haulage way speculum test

测站雷达剖面图如图4所示，从地质雷达剖面图可以看出，该处巷道从右帮至拱顶再到左帮的松动范围接近，都在1.3～2.3 m范围内，拱顶处最小。底板有连续反射，表明底板的围岩整体性良好，破碎深度在1 m内。根据地质雷达探测图像，结合钻孔窥镜探测结果，绘制巷道松动圈发育形态如图5所示。

由该巷道松动圈测试结果可以看出，巷道围岩松动圈发育范围并不大，钻孔探测范围内裂隙具有挤压填充痕迹，这充分说明了二1煤层具有强流变特性，煤层中产生的离层、破裂区很快被剪胀、流变的煤体充填[4]。

图4 运输巷测试断面的雷达探测图像Figure 4 Radar detection image of haulage way test section

图5 21051运输巷围岩松动圈图Figure 5 Country rock relaxation zone chart of haulage way No.21051

3 巷道失稳破坏原因分析

3.1 滑动构造影响

构造应力场对巷道围岩稳定性影响主要表现为对巷道围岩松动圈发育范围的影响，即对巷道周边塑性区范围影响。构造应力场中水平构造应力大小，即侧压系数大小对巷道围岩稳定性影响很大，且不同于其他因素，其对巷道塑性区分布影响是非均称性的，为了更加清晰的了解水平构造应力(侧压系数λ)大小对巷道周边塑性区分布影响，采用FLAC2D数值模拟分析方法。根据运输巷实际地质条件，模拟不同侧压系数下巷道塑性区分布特征[5]。

建立数值分析模型，材料类型选用Mohr-coulomb 模型(图6)。在模型中间开挖巷道，巷道为5×4.5 m直墙半圆拱型巷道。通过改变侧向压力系数λ实现构造应力对巷道围岩稳定性影响。运输巷实际埋深约460 m，上覆岩层平均密度取2 500 kg/m3,模型顶部施加固定压力q=10 MPa，分别模拟侧压系数λ=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，即侧向压力分别为5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa时巷道周边塑性区分布情况。

图6 数值模拟模型Figure 6 Numerical simulation model

图7所示为不同侧压系数条件下，巷道围岩塑性区分布情况。从图中可以看出，首先，由于模拟巷道埋深较大，原岩应力水平高，导致巷道围岩松动圈发育范围较大。且由于垂直应力水平较大，巷道底板在高水平应力作用下， 均存在一定范围的拉应力区。其次当测压系数<1.0时，剪切应力作用区域主要分布在巷道两帮围岩中；侧压系数为1.5时，在较高水平应力作用下，巷道两帮剪应力作用区范围有所减小，剪应力区进一步向顶底板围岩中转移；侧压系数>2.0时，一方面围岩塑性区范围增大，另一方面剪应力作用区进一步由巷道两帮向顶底板转移。这也就是构造影响强烈，即水平应力强的巷道，顶底板容易出现强烈剪胀变形的原因所在。

图7 不同侧压系数巷道周边塑性区分布Figure 7 Roadway periphery plastic zone distributions under different lateral pressure coefficients

围岩松动圈实测结果与数值模拟过程中的测压系数为1.0时的塑性区分布特征相似，由此可以看出，此类条件下巷道水平构造应力并不是很大。滑动构造作用下岩体发生了塑性变形，导致煤层及顶底板变得十分松软，而在围岩变形过程中，释放了大部分构造应力。因此，影响此类巷道围岩稳定性的是关键原因是由于二1煤层本身强度低，且受滑动构造作用，导致巷道围岩呈现出的强流变特性，而非构造应力场。

4 结论

(1)构造应力场对巷道围岩稳定性影响主要表现为对巷道围岩松动圈发育范围的影响，即对巷道周边塑性区范围影响

(2)结合巷道失稳变形特征及围岩松动圈实测结果，研究分析了巷道围岩失稳破坏原因，认为巷道围岩失稳破坏是由于二1煤易流变造成的。