正断层构造应力作用下巷道围岩破坏机理

2020-05-06张文浩

山西焦煤科技 2020年2期

张文浩

(大同煤矿集团塔山矿，山西大同 037003)

在煤炭开采过程中，巷道掘进时遇到断层或者多断层的地质构造影响较为普遍。王玉珏[1]结合断层构造区域附近的煤岩体力学特点及断层构造区域附近的煤岩体应力环境，进行了巷道设计与施工分析；孟召平等[2]在实验室进行岩石力学试验及显微裂隙观测分析，对断层构造区域附近的煤岩体力学特征及断层构造区域附近的煤岩体应力环境特征进行研究分析；高明中[3]结合袁店二矿受断层影响的巷道围岩条件，提出了过断层破碎带的巷道支护思路；孙玉宁等[4]研究了断层构造对工作面回采顶板稳定的影响；孙海洋[5]提出了采用超前锚杆支护的掘巷方案，分析比较了不同角度和间排距等不同支护参数下超前锚杆的支护效果；张延伟[6]提出“二高一大”的支护原则，对沿断层破碎煤岩巷道支护体系进行优化设计。

1 正断层构造区域附近岩层应力分布特征分析

1.1 正断层构造区域的受力结构特征

进行正断层构造应力作用下巷道围岩破坏机理分析，首先对正断层构造区域附近的岩层应力环境进行力学分析。结合地质构造和岩石强度理论，视自重应力即为垂直主应力，另一水平主应力与断裂构造体系正交，对于正断层，则自重应力σz是最大主应力，即最大主应力σz=γH，最小主应力σx与断层带正交。正断层的应力分布状态见图1.

图1 正断层的应力分布状态图

视断层附近岩体为由连续、均质、各项同性的弹塑性介质组成，且满足莫尔一库仑强度准则：

σ′y=σ′ztanφ+C

(1)

式中：

σ′z、σ′y—分别为在断层断裂面位置形成垂直于断层面方向的σ′z应力分量和平行于断层面方向的应力分量σ′y，MPa；

C—岩层内聚力，MPa；

φ—岩层内摩擦角，(°).

1.2 正断层构造区域附近岩层应力分布特征分析

原有完整的地下岩层在断层地质构造的作用下不再连续，并改变了原有完整的地下岩层赋存结构，导致断层构造区域附近的岩层应力环境产生不均衡影响。根据对断层结构特征分析可知，原有完整的地下岩层发生断裂形成断层且断层面多为倾斜面，在断层构造区域，特别是断层面附近的岩层呈现为“错动接触的楔形体”岩层结构，在断层断裂面位置形成有垂直于断层面方向的应力分量σ′z和平行于断层面方向的应力分量σ′y，二者主要与岩层的岩石力学条件、断层倾角、岩层深度、侧向应力系数有关。

断层构造区域岩层中水平应力和垂直主应力应力分量比例与断层面附近岩层自身的内聚力、内摩擦角以及断层面倾角、岩层埋深等因素有关。初始假设：岩层埋深垂直载荷10 MPa，内聚力1.0 MPa，内摩擦角24°，断层倾角60°，根据公式(1)可推导出正断层构造形成前断层面未发生错动滑移的水平应力与垂直应力比值κzd、正断层构造形成后断层面附近岩层发生错动滑移后的水平应力与垂直应力比值ηzd与岩层内聚力、内摩擦角、埋深垂直荷载、断层倾角的关系公式，并进行正断层的单因素变化对比分析，结果见图2，3，4，5.

图2 内聚力对正断层形成前后应力分量比例影响图

图3 内摩擦角对正断层形成前后应力分量比例影响图

图4 埋深垂直载荷对正断层形成前后应力分量比例影响图

图5 倾角对正断层形成前后应力分量比例影响图

由图2，3,4，5可知，正断层构造情况下，岩层内聚力、内摩擦角、岩层埋深垂直载荷对κzd呈线性关系，而ηzd仅受内摩擦角影响。岩层内聚力、内摩擦角越大，κzd降低，说明垂直应力分量相对水平应力分量更大；岩层埋深垂直载荷越大，κzd增加且逐渐收敛，说明垂直应力分量与水平应力分量更接近；而断层倾角对κzd、ηzd均有影响且呈“凹曲线”形式变化，这主要与断层结构有关，正断层倾角过低则垂直应力转换至平行于断层面方向的应力分量σ′y的作用效果越弱且不利于剪切破断作用和断层滑移，而正断层倾角过高则垂直应力作用范围越来越少且不利于剪切破断作用，这就导致断层倾角过低或者过高，其所需的垂直应力左右相对水平应力更大，进而实现断层构造形成，甚至还需要拉应力作用，这也说明现实情况中的正断层大多在40°～80°比较常见。

综上分析所述，断层构造区域岩层中水平应力与垂直应力比例状态与断层面附近岩层自身的内聚力、内摩擦角以及断层面倾角、岩层埋深等因素有关，对于正断层岩层强度条件越好、埋深越浅、倾角越靠近50°～60°，垂直应力分量相对水平应力分量更大。

2 断层构造应力作用下巷道围岩破坏特征分析

根据鲁宾涅特方程对非均匀应力环境下圆形巷道围岩破碎深度的力学解析，在塑性破碎区范围内，认为：尽管巷道围岩处于非均匀应力环境下，原岩应力场对塑性区范围内的处于极限平衡状态的围岩介质的影响关系不大，基本假设中巷道断面为轴对称的圆形断面，因此塑性范围内的围岩应力近似视为轴对称，建立正断层构造应力作用下的巷道围岩应力集中方程和塑性破坏方程。

通过代入回采巷道参数进行算例分析，初始假设条件：断层及其巷道围岩介质的内聚力1.0 MPa，内摩擦角24°，设等效外接圆形巷道半径R为2.5 m，该次算例分析不考虑无支护反力作用，分析断层构造应力条件下的断层倾角、内聚力、内摩擦角、巷道埋深等影响巷道围岩稳定性的因素对巷道围岩塑性破碎分布S及其应力集中的影响，将参数代入式中进行对比分析。

2.1 正断层倾角对巷道围岩稳定性影响

断层倾角对巷道围岩塑性破坏影响图见图6. 由图6可知，巷道通过正断层过程中，当正断层倾角增加时，巷道围岩塑性破坏范围有所增加且增加位置多为巷道两帮围岩承载体。正断层倾角越大，说明围岩体内原有地应力作用状态中垂直应力相对水平应力作用更剧烈，导致巷道两帮的围岩体内承载较大的应力集中，两帮过大的应力集中不益于巷道两帮的围岩体承载，进而加大了巷道顶底板的跨度而最终导致巷道的整体围岩体失稳，巷道围岩塌落失效。因此，巷道通过正断层过程中，当遇到正断层倾角越大，则需要加强巷道两帮的支撑支护强度。

图6 断层倾角对巷道围岩塑性破坏影响图

2.2 巷道埋深对巷道围岩稳定性影响

巷道埋深对巷道围岩塑性破坏影响图见图7. 由图7可知，巷道通过正断层过程中，随着巷道埋深的增加，巷道围岩塑性破坏范围程度有所增加且巷道两帮围岩破坏加剧最为明显。正断层构造条件下，岩体内原有地应力作用状态中垂直应力大于水平应力作用，导致巷道两帮的围岩体破坏大于顶底板的围岩破坏，且两帮围岩应力集中峰值也远高于巷道顶底板围岩体应力集中峰值，随之所处岩层埋深增加，正断层构造影响的矿压也就更为剧烈。

图7 巷道埋深对巷道围岩塑性破坏影响图

2.3 岩层内聚力对巷道围岩稳定性影响

内聚力对巷道围岩塑性破坏影响图见图8. 由图8可知，巷道通过正断层过程中，巷道围岩内聚力增加，巷道围岩塑性破坏范围有所减小。正断层构造条件下的岩体原有地应力作用不受岩层内聚力大小影响，但岩层内聚力大小对巷道围岩塑性破坏程度具有一定的增益作用，内聚力越大说明围岩强度相对较好，围岩承载结构抗围岩应力重分布作用有所增强，进而巷道围岩塑性破坏范围有所减小，同时围岩塑性破坏程度减小，则围岩体应力集中有所降低，有益于围岩稳定性控制。

图8 内聚力对巷道围岩塑性破坏影响图

2.4 岩层内摩擦角对巷道围岩稳定性影响

内摩擦角对巷道围岩塑性破坏影响图见图9. 由图9可知，巷道通过正断层地质构造过程中，当岩层内摩擦角增加时，巷道围岩塑性破坏范围有显著降低。内摩擦角越大，说明围岩体抵抗原有地应力作用能力越大，在此岩层介质条件下垂直应力需要更大的水平应力作用，才能使得断层剪切破断；尽管内摩擦角越大，原有地应力中垂直应力就更大于水平应力作用，但内摩擦角越大，也提高了围岩强度，围岩承载结构抗围岩应力重分布作用显著增强，进而巷道围岩塑性破坏范围和围岩体应力集中，有益于围岩稳定性控制。

图9 内摩擦角对巷道围岩塑性破坏影响图

2.5 支护阻力对巷道围岩稳定性影响

支护阻力对巷道围岩塑性破坏影响图见图10. 由图10可知，巷道支护阻力作用对巷道围岩稳定很重要，正断层地质构造显示围岩体内原有地应力作用状态中垂直应力相对水平应力作用更剧烈，导致巷道两帮的围岩体内在承载较大的应力集中，两帮围岩破坏最为剧烈，一旦两帮围岩破坏过大将造成巷道顶底板的跨度增加而不利于巷道整体围岩体稳定，在支护措施上，有必要采取刚性支护以抵抗并支撑正断层地质构造作用下的围岩垂直应力集中作用，维护正断层地质构造作用下巷道过断层围岩稳定。

图10 支护阻力对巷道围岩塑性破坏影响图

2.6 巷道尺寸对巷道围岩稳定性影响

巷道尺寸对巷道围岩塑性破坏影响图见图11. 由图11可知，巷道合理断面尺寸有益于降低矿压显现程度，巷道断面越大，则加剧巷道两帮和顶底板的围岩体应力集中作用，巷道两帮和顶底板围岩的破坏深度均有所增加。因此，合理的巷道断面尺寸有益于降低矿压显现程度，对巷道支护作用则相对更易于维护，有益于降低在正断层地质构造作用下巷道过断层围岩稳定性控制难度。