煤巷复合顶板破坏特征与垮落规律数值模拟研究

彭鸿麟，芦 健，刘道光，舍宏明

(黑龙江煤矿安全监察局 鹤滨监察分局，黑成江 鹤岗 154100)

0 引言

煤层地质条件多为沉积岩环境，在沉积岩地质条件下该煤岩层结构多属于层状复合结构，而煤巷就处于这样的围岩环境下，由于地质构造和成因作用，层状结构与分布规律不均匀，这也导致煤巷复合顶板岩层结构类型多种多样，顶板稳定性表现出显著的差异性[1-5]。

在研究巷道层状顶板稳定性方面，国内外学者做了许多工作，在理论和实践方面取得了丰硕的成果。黄达等[6]数值模拟得出，当水平应力小于垂直应力时，顶板挠度较小，但塑性区和卸压范围较大；当水平应力大于垂直应力时，正好相反。谷拴成等[7]在煤巷复合顶板破坏前后各岩层变形曲率相同前提下，将载荷分配到各岩层中来分析其受力状况，得到了含软弱夹层复合顶板使巷道顶板整体强度降低，产生二次变形，能够承受围岩应力变化的顶板趋于稳定，不能够承受围岩应力变化的顶板产生大变形并最终失稳，煤巷复合顶板变形破坏规律为结构的承载调整、刚度弱化、最终失稳。贾明魁[8]认为巷道层状复合顶板失稳最大原因就是岩层组合劣化与支护参数不匹配，导致岩层失稳，并将冒顶原因分为4个大类和12个亚类。朱永建等[9，10]根据内蒙神东矿区浅埋矿井榆家梁煤矿、保德煤矿、哈拉沟煤矿、活鸡兔煤矿、补连塔煤矿上述大量钻孔资料分析结果、现场调查及岩芯分析结果，将神东矿区煤巷顶板岩层结构类型分8类。冯吉成等[11]将河南赵固矿区赵固一矿巷道复合顶板岩层结构类型划分为单一软岩、下硬上软、下软上硬和软硬互层4种总结构类型和6种亚结构类型。以往研究都基于一种或几种顶板结构类型，文献[9-11]分别划分了内蒙神东矿区和河南赵固矿区多种顶板类型，但根据软硬岩薄厚、组合情况以及在煤巷顶板位置关系进行精细化划分且与之建立几十个数值模型鲜有研究。

因此，本文根据软硬岩薄厚、组合情况以及在煤巷顶板位置关系，对煤巷复合顶板岩层结构类型进行精细化划分，获得煤巷不同岩层组合结构复合顶板结构类型，并采用UDEC离散元数值方法对煤巷不同岩层组合结构的复合顶板稳定性进行模拟分析，获得煤巷软硬岩不同组合顶板条件下的破坏形态与垮落规律，为煤巷顶板结构分类支护设计提供理论依据。

1 煤巷软硬岩组合顶板类型划分和数值模拟方案

本文根据软硬岩薄厚、组合情况以及在煤巷顶板位置关系，结合文献[9-11]对煤巷复合顶板岩层组合结构类型研究成果，对煤巷复合顶板岩层结构类型进行精细化划分，获得了8种顶板类型和28种顶板亚结构类型，并以此建立数值模拟方案，具体详见表1。

表1 煤巷软硬岩不同组合顶板类型和数值模拟方案

续表

2 数值模拟模型与力学参数

UDEC数值模拟能够将岩体介质用连续力学性质和连续体接触定律加以描述，有效的解决了以往通用的有限元计算方法均匀、连续介质体假设的难题，提供了更加符合实际层状复合顶板垮落的计算方法。

数值模拟模型整体尺寸为40.0×40.0 m，模拟煤层实际厚度为4.0 m，埋深为600.0 m，巷道尺寸为4.0×4.0 m，模型的本构方程采用摩尔库伦准则，初始条件模型上边界施加垂直应力15.0 MPa，测压系数为1.0，边界条件为左右边界水平位移约束，下边界垂直约束，煤层顶板结构及力学性质详见表2。

图1 数值模型

表2 数值模拟岩层及其力学参数

3 煤巷不同组合岩层顶板破坏形态与规律

主要模拟分析28种不同岩层组合煤巷顶板破断形态与破断规律，如图2～图9所示。

(1) Ⅰ(单一硬岩型)

Ⅰ(单一硬岩型)巷道顶板破断规律及破断形态如图2所示。

由图2可知，由于巷道顶板上覆岩层是单一厚坚硬的砂岩，顶板稳定性强，在巷道开挖后自身的强度足以能够承担上覆载荷的作用，此类顶板容易维护。

图2 Ⅰ(单一硬岩型)

(2) Ⅱ(单一软岩型)

Ⅱ(单一软岩型)巷道顶板破断规律及破断形态如图3所示。

由图3可知，巷道顶板上覆岩层全部为单一结构的软弱泥岩，虽整体岩性相同，但整体强度软弱，顶板稳定性差，巷道开挖后，软弱顶板浅部中间位置首先发生离层现象，在离层中部出现应力集中现象，各层位都出现离层现象，随着离层的逐渐增大，浅部泥岩与深部岩体产生了脱节现象，脱节部分泥岩厚度和整体强度均变小，便发生了剪切和拉伸破坏，顶板垮落呈圆锥形态冒落，顶板冒落高度约1.5 m，为软岩整体厚度的20%，上部泥岩达到极限平衡结构。此类顶板不容易维护，需要及时支护。

图3 Ⅱ(单一软岩型)

(3) ⅡⅠ(下软上硬型)

ⅡⅠ(下软上硬型)巷道顶板破断规律及破断形态如图4所示。

图4 Ⅱ Ⅰ(下软上硬型)

由图4可知，(a)Ⅱ1Ⅰ2(薄软厚硬型)顶板、(b)Ⅱ2Ⅰ2(厚软厚硬型)顶板和(c)Ⅱ2Ⅰ1(厚软薄硬型)顶板，在巷道开挖后，巷道均发生不同程度的垮落破坏，垮落的高度和冒落形态也不相同。(a)Ⅱ1Ⅰ2(薄软厚硬型)顶板由于软岩较薄，紧邻上部为坚硬砂岩起到承载作用，故冒顶高度仅为1 m，冒顶形态由于软硬岩交界面发生离层，呈平顶型冒顶；(b)Ⅱ2Ⅰ2(厚软厚硬型)顶板和(c)Ⅱ2Ⅰ1(厚软薄硬型)顶板，垮落规律与图3相类似，冒顶形态呈圆锥形，但厚软厚硬型顶板冒顶高度为2 m，厚软薄硬型为1.5 m，说明直接顶软岩厚度并不一定越厚，垮落高度就越大，也取决于上部硬岩的位置和厚度，上部坚硬岩层能够承担上覆载荷的作用，同时也具有较好的传递力的作用，当上部坚硬岩层厚度达到一定程度后，对下部软弱岩层尤其厚软弱岩层的冒顶高度有一定影响，但无论上部坚硬岩层厚度达到多厚，无支护情况下，下部软弱岩层都会产生垮落。因此，对于巷道直接顶为软弱岩层要及时进行支护。此类顶板不容易维护，需要及时支护。

(4) ⅠⅡ型(下硬上软型)

ⅠⅡ型(下硬上软型)巷道顶板破断规律及破断形态如图5所示。

图5 Ⅰ Ⅱ(下硬上软型)

由图5可知，(a)Ⅰ1Ⅱ2(薄硬厚软型)顶板、(b)Ⅰ2Ⅱ2(厚硬厚软型)顶板和(c)Ⅰ2Ⅱ1(厚硬薄软型)顶板，在巷道开挖后，虽然上部软岩在地应力作用下，内部和软硬岩交界面发生离层现象，但由于直接顶为硬岩有较好的承载能力，能够承受自身重力和上覆载荷作用，顶板未发生垮落，但如(a)Ⅰ1Ⅱ2(薄硬厚软型)顶板，硬岩较薄，随着时间延长，在未支护的情况下也会发生垮落。此类顶板较容易维护。

(5) Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬软型)

Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬软型)巷道顶板破断规律及破断形态如图6所示。

图6 Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬软型)

由图6可知，7种类型顶板下部都为软岩，在巷道开挖后，下部软岩强度低，不能形成有效的承载结构，随着离层的逐渐增大，顶板浅部岩层极限跨距小于巷道跨距，首先呈圆锥形态，而后巷道上覆顶板两边发生剪切破坏、断裂失稳，而紧邻其上部的岩梁形成极限平衡结构趋于稳定，其中(a)Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ2(薄软薄硬厚软)、(b)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ1(薄软厚硬薄软)和(d)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ2(薄软厚硬厚软)巷道顶板冒顶形态都近似为平顶形，而(a)Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ2(薄软薄硬厚软)冒顶高度1.5 m，(b)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ1(薄软厚硬薄软)和(d)Ⅱ1Ⅰ2Ⅱ2(薄软厚硬厚软)冒顶高度1.0 m，表明中间为薄坚硬岩层，自稳能力要大于承载能力，随着中间坚硬岩层厚度增加，承载能力增强，下部软弱岩层所受的载荷较小，巷道冒顶高度减少。(c)Ⅱ2Ⅰ1Ⅱ1型(厚软薄硬薄软型)、(e)Ⅱ2Ⅰ1Ⅱ2型(厚软薄硬厚软型)、(f)Ⅱ2Ⅰ2Ⅱ1型(厚软厚硬薄软型)和(g)Ⅱ2Ⅰ2Ⅱ2型(厚软厚硬厚软型)顶板，巷道顶板冒顶形态都近似为圆锥形，冒顶高度都为1.5 m，表明下部软弱岩层虽强度低，但厚度的增加，使整体承载能力增强，冒落高度小于软岩厚度，当下部软岩达到一定厚度，无论中部硬岩厚度变薄或变厚，对下部软岩稳定性影响都较小。此类顶板不容易维护，需要及时支护。

(6) Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬软硬型)

Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬软硬型)巷道顶板破断规律及破断形态如图7所示。

图7 Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬软硬型)

由图7可知，对于7种Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬软硬型)巷道顶板，巷道开挖后直接暴露于临空面的坚硬砂岩岩层，整体强度高，极限跨距大，自身稳定性和承载能力强，能够形成有效的承载结构，虽在软弱岩层间和软硬岩层接触面间会有离层现象，但对巷道整体稳定性影响较小，此类巷道顶板易于控制。

(7) Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬多层相间型)

Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬多层相间型)巷道顶板破断规律及破断形态如图8所示。

图8 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬多层相间型)

由图8可知，(a)Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1(硬软薄多层相间型)，巷道开挖后，尽管层间组合都是薄层，顶板下沉、两帮和底板鼓起，但是巷道下部顶板为坚硬岩层，整体强度高，岩层间形成块体铰接承载结构，能够承载上覆岩层的载荷和自身的自重，使巷道顶板稳定。对于(b)Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1(软硬薄多层相间型)巷道顶板，巷道下部顶板为软弱薄岩层，紧邻为坚硬薄岩层，巷道开挖后，1 m厚软岩垮落，冒落形态似平顶型，0.5 m厚的软岩形成块体铰接结构，与紧邻坚硬薄岩层产生离层，若不采取支护，顶板会继续垮落。

(8) ⅠΔⅡ(中间夹有煤线或夹矸型)

ⅠΔⅡ(中间夹有煤线或夹矸型)巷道顶板破断规律及破断形态如图9所示。

图9 ⅠΔⅡ(中间夹有煤线或夹矸型)

由图9可知，基于有煤线或是夹矸顶板，一般会在该层位首先发生离层破坏，随着变形继续扩大，继而发生下部逐层垮落。若巷道开挖后直接暴露空气的是坚硬的砂岩，当厚度一定时，能够承受由于夹矸或煤线作用导致离层后的岩层的重量，而未发生顶板冒落，若巷道开挖后直接暴露空气的是软弱的砂岩，由于本身强度低，自身内部首先会发生离层现象，加上上部夹矸或煤线作用导致离层后的岩层的重量，顶板便会发生冒顶事故，同时，由于在巷道顶板岩性组合复杂，煤线或夹矸在同一巷道时有时无，造成顶板整体性较差。此类顶板不易维护。

通过对28种亚结构类型顶板稳定性数值模拟分析，从图2～图9通过分析总结如下：

(1) 煤巷软硬岩不同组合顶板离层特征。28种亚结构类型顶板在软硬岩层接触面和厚软弱岩层本层内处均发生了不同程度的离层现象，若巷道开挖后直接暴露于临空面的坚硬砂岩岩层，紧邻坚硬岩层上部发生离层，但下部坚硬岩层具有较好的承载能力，对巷道整体稳定性影响较小，此类巷道顶板易于控制。若巷道开挖后直接暴露于临空面的软弱岩层，在软硬岩层接触面和厚软弱岩层本层内发生离层，如不进行及时支护，巷道顶板会发生多次层状垮落，这与现场冒顶后不及时支护会产生多次层状顶板垮落相吻合。产生离层的原因有以下几个方面：①软岩与硬岩相比，在经过漫长的地质历史发展过程中，其力学性能差，节理裂隙发育，自身层内就有许多结构弱面；②软岩与硬岩分界处为弱粘结，不同岩层之间产生层间错动、弯曲扰度不同，在巷道开挖后，岩层间沿岩性分界面滑动，张开；③巷道开挖后，下部软岩从三向应力状态变为二向应力，其易发生塑性和拉伸破坏，紧邻的岩层也会发生迭加连锁失稳，软硬岩层接触面和厚软弱岩层本层内离层增加，上部岩层形成块体铰接结构，变形、转动，与上部岩体产生了显著离层现象。

(2) 煤巷软硬岩不同组合顶板破坏形态与垮落规律。层状复合顶板破断规律及破断形态主要受软岩层位、厚度、水平应力和顶板后跨比等因素的影响。巷道开挖后直接暴露于临空面的坚硬砂岩层，如Ⅰ(单一硬岩型)，Ⅰ Ⅱ(下硬上软型)，Ⅰ Ⅱ Ⅰ(硬软硬型)，Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1(硬软薄多层相间型)，ⅡΔⅠ(硬软中间夹有煤线或夹矸型)，顶板下部砂岩整体强度高，极限跨距大，自身稳定性和承载能力强，能够形成有效的承载结构，虽在层间有离层现象，但巷道顶板未发生破断；巷道开挖后直接暴露于临空面的软弱泥岩岩层，如Ⅱ(单一软岩型)，Ⅱ Ⅰ(下软上硬型)，Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬软型)，Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1(软硬薄多层相间型)，ⅠΔⅠ(软软中间夹有煤线或夹矸型)，ⅠΔⅡ(软硬中间夹有煤线或夹矸型)，顶板下部软岩强度低，在围岩高应力作用下，下部软岩发生塑性和拉伸破坏，在离层中部出现应力集中现象，其它各层位也都出现离层现象，随着离层的逐渐增大，浅部软顶垮落，呈圆锥形态，紧邻其上部的岩梁形成外形如梁，实质是拱的平衡结构，并最终趋于稳定，因此，此类顶板容易发生冒顶事故，需要重点维护。

综上所述，煤巷直接顶软岩厚度越厚，垮落高度不一定越大，其破坏特征和垮落规律主要取决于围岩应力环境、软硬岩的组合情况和巷道尺寸等。在围岩应力和巷道尺寸不变条件下，煤巷顶板软岩为直接顶且厚度超过极限垮落高度，浅部软顶垮落，冒顶呈圆锥形态，紧邻其上部的岩梁形成外形如梁，实质是拱的平衡结构；煤巷顶板软岩为直接顶且厚度低于极限垮落高度，由于硬岩有较好的自稳能力和承载能力，浅部软顶与硬岩交界面分离垮落，冒顶呈平顶形态，但硬岩也有较好的传递能力，硬岩下部软岩厚度越大，其冒顶高度越高，支护设计需锚固到稳定岩层。

4 结论

(1) 根据软硬岩薄厚、组合情况以及在煤巷顶板位置关系，对煤巷复合顶板岩层结构类型进行精细化划分，获得了8种顶板类型和28种顶板亚结构类型，其中Ⅱ(单一软岩型)，Ⅱ Ⅰ(下软上硬型)，Ⅱ Ⅰ Ⅱ(软硬软型)，Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1Ⅱ1Ⅰ1(软硬薄多层相间型)，ⅠΔⅠ(软软中间夹有煤线或夹矸型)，ⅠΔⅡ(软硬中间夹有煤线或夹矸型)顶板容易发生冒顶事故，需要重点维护。

(2) 煤巷开挖后直接暴露于临空面的硬岩，紧邻硬岩上部软岩和软硬岩交界面发生离层，但下部硬岩具有较好的自稳能力和承载能力，对煤巷整体稳定性影响较小，此类煤巷顶板易于控制；反之，下部软岩本身和软硬岩接触面易发生离层，如不进行及时支护，煤巷顶板会发生多次层状垮落，这与现场巷道分片冒顶现象吻合。

(3) 煤巷层状复合顶板破坏特征和垮落规律主要取决于围岩应力环境、软硬岩的组合情况和巷道尺寸等。在围岩应力和巷道尺寸不变条件下，煤巷顶板软岩为直接顶且厚度超过极限垮落高度，浅部软顶垮落，冒顶呈圆锥形态，紧邻其上部的岩梁形成外形如梁，实质是拱的平衡结构；煤巷顶板软岩为直接顶且厚度低于极限垮落高度，由于硬岩有较好的自稳能力和承载能力，浅部软顶与硬岩交界面分离垮落，冒顶呈平顶形态，但硬岩也有较好的传递能力，硬岩下部软岩厚度越大，其冒顶高度越高，支护设计需锚固到稳定岩层。