滑动构造区煤巷围岩松动圈数值模拟

2021-07-03普冬冬

河南工程学院学报(自然科学版) 2021年2期

普冬冬

(1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000；2.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南郑州 450000)

郑煤集团告成煤矿地处“嵩-箕”滑动地质构造带腹地，煤层和直接顶板原生结构已被完全破坏，层理不清晰，滑面和摩擦镜面发育。在这种应力环境中，煤层及直接顶、底板对应力扰动极为敏感，在构造应力和采掘应力的双重作用下，巷道周边的煤、岩体具有明显的蠕变流动特征，主要表现为应力扰动过程中巷道全断面急剧收缩，其中巷道两帮内移和底鼓尤为严重，导致巷道围岩控制十分困难。本研究以告成煤矿23041下顺槽为例，使用FLAC 3D软件[1]对围岩松动圈发育范围及影响因素进行数值模拟并分析，以期为后期巷道支护参数的优化提供技术支持。

23041工作面是告成煤矿23采区的首采工作面，地表标高为+283.5～+298.4 m，井下标高为-256.8～-382.6 m；工作面煤层厚度为4.91～6.23 m，平均厚度为5.89 m；煤层倾角为3°～17°，平均倾角为13°；煤层直接顶为砂质泥岩，厚度为14.1～25.8 m，平均厚度为18.52 m；老顶为泥岩，厚度为0～2.46 m，平均厚度为1.5 m；煤层直接底为砂岩，厚度为6.29～15.60 m，平均厚度为10.6 m；老底为L8灰岩，厚度为0.24～3.40 m，平均厚度为2.11 m。

1 滑动构造区煤巷围岩松动圈发育范围

巷道掘进打破了原岩应力平衡，巷道围岩受力状态由“三向应力”状态转变为“两向应力”状态，导致围岩应力重新分布和局部应力集中，在巷道围岩强度大幅下降的同时，巷道围岩中出现了一个松弛破碎带，即松动圈。理论上，对于绝大多数大变形巷道而言，巷道围岩松动圈范围比较大，且通常情况下认为巷道围岩松动圈的岩体不具备自承载能力，故松动圈范围往往直接决定着巷道支护的难度。

一般情况下，对于中等硬度的煤、岩巷道而言，掘进引起的应力重新分布过程中，由剪切和拉伸破坏产生的松动圈极为明显，这种存在明显断裂特征的松动圈通过地质雷达能够准确探测到。但对于告成煤矿二1煤层而言，由于巷道煤体原生结构在历次滑动地质构造运动过程中早已被完全破坏，煤层结构疏松且呈粉末状，煤体变形过程中具有较高的流动性，难以像其他中硬煤岩那样出现明显的断裂破坏。因此，地质雷达探测技术在告成煤矿二1煤层这样的粉末状构造煤层中探测效果并不好。

对于类似23041工作面下顺槽这种变形大的煤巷，可以采用钻孔窥视的方法辅助探测巷道围岩的松动范围。由于二1煤层具有极强的蠕变流动特性，尽管厚煤区巷道变形量较大，但从不同深度的钻孔窥视截面可见，0～7 m钻孔孔壁结构都比较完整，并不存在像岩石钻孔孔壁一样明显的破裂、离层现象，如图1所示。

图1 煤巷钻孔窥视截面Fig.1 Cross-section image of coal roadway drilling hole

告成煤矿二1煤层属于“三软”煤层，具有极强的流动性和可再生性，并且再生煤体仍然具备一定的承载能力，故传统概念中松动圈范围(破碎区、破裂区)和松动圈岩体的承载性能定义(丧失承载能力)并不适用于二1煤层巷道。也有部分学者将松动圈等价为巷道周边塑性区，但实际上巷道塑性区不仅范围较大，而且大部分处于塑性状态的围岩仍然具有一定的自承载能力，将其与松动圈等价并不科学[2-4]。

为确定23041工作面下顺槽松动圈发育范围，根据23041工作面下顺槽地质采矿条件，建立FLAC 3D数值计算模型，其岩层力学参数见表1。在该模型中，煤层厚度选择6.0 m，巷道位置原岩铅锤应力取16.90 MPa，侧压系数取1.5，直墙半圆拱形巷道净断面为5.0 m×3.5 m，锚杆规格为φ20 mm×2 400 mm，锚杆锚固长度为1.0 m，间排距为800 mm×800 mm，护表构件为8#铁丝网。

表1 数值模型岩层力学参数Tab.1 Rock mechanics parameters of numerical model

23041工作面下顺槽掘出后，在高地应力作用下巷道围岩中形成了不规则的塑性区，其中底板塑性区最大深度达7.5 m，顶板塑性区略小于底板，达到 7.1 m，两帮塑性区为4.9 m，如图2所示。结合巷道围岩位移分布云图(见图3)，锚网支护巷道变形以顶板下沉和底鼓为主，巷道顶板最大下沉量约310 mm，最大底鼓量约275 mm，巷道顶、底板收缩量接近600 mm，两帮移近量接近450 mm。但从巷道围岩整体位移分布情况来看，巷道深部围岩位移量并不大，巷道围岩变形主要以浅部0～3 m煤体的剪胀变形为主。显然，巷道周边大部分处于塑性状态的煤体变形量并不大，也证实了将塑性区等同于松动圈并不合适。

图2 巷道围岩塑性区发育范围Fig.2 Development range of plastic zone of surrounding rock of roadway

图3 巷道围岩位移分布Fig.3 Nephogram of displacement distribution of surrounding rock in roadway

煤、岩的抗拉强度远远低于抗压强度，一旦出现拉伸破坏往往对应产生破裂和断裂。因此，与处于剪切屈服状态的围岩相比，当前和曾经产生拉伸破坏的围岩损伤程度更高，而且松散破裂的煤岩体承载能力极低，可以把这部分围岩体视为松动圈。结合巷道围岩塑性区分布图(图4)可知，巷道底板处于拉伸破坏状态的单元数量最多，松动圈最大深度达到1.75 m；巷道两帮松动圈深度相对较小，最大深度约1.53 m；相对于底板和两帮，巷道拱部松动圈分布连续性较差，最大深度约 2.48 m。

同时，由图4可知，松动圈在巷道围岩中并不是连续存在的，缺少支护的底板是巷道围岩松动圈发育最连续、均匀的部位，其次是巷道起拱线和肩窝部位。巷道掘进期间，顶板松动圈最大范围甚至波及直接顶界面。

图4 巷道围岩松动圈分布Fig.4 Distribution map of surrounding rock loose zone of roadway

2 滑动构造区煤巷围岩松动圈发育范围影响因素

2.1 水平应力

告成煤矿地处“嵩-箕”滑动地质构造带腹地，井田范围内最大主应力以水平应力为主。图5显示了侧压系数分别为0.5、1.0、1.5和2.0时的巷道围岩松动圈发育范围。模型中，巷道采用锚网支护，锚杆规格为φ20 mm×2 400 mm，锚杆锚固长度为1.0 m，间排距为800 mm×800 mm，护表构件为8#铁丝网。

图5 不同侧压系数下巷道围岩松动圈发育范围Fig.5 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different lateral pressure coefficient

由图5可知，在相同的支护参数下，随着侧压系数的增大，水平应力增大，巷道围岩塑性区也在不断扩大。在相同的支护方式下，巷道所处的应力水平对松动圈最大发育深度影响不大，但会使松动圈内出现拉伸破坏的围岩单元密度增加。

2.2 支护方式

图6显示了锚网支护和U型钢支护下巷道围岩松动圈发育范围。由图6可知，在侧压系数λ=1.5时，U型钢支护巷道塑性区范围远大于锚网支护巷道，且U型钢支护巷道围岩出现拉伸破坏的深度和单元数量都远远大于锚网支护巷道，表明巷道支护方式对巷道围岩松动圈发育范围影响很大。

图6 不同支护方式下巷道围岩松动圈发育范围Fig.6 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different supporting methods

当巷道采用被动支护时，由于U型钢支架初期不承载，放任巷道浅部围岩离层、破裂，导致巷道顶板围岩松动圈范围越来越大。与此同时，随着巷道底板的不断鼓起，底板松动圈范围不仅深度增大，而且向巷道两侧不断扩展，最大深度甚至超过巷道跨度。从巷道两帮的松动圈发育深度看，虽然与锚网支护巷道相比，U型钢支护巷道两帮松动圈深度有所增大，但出现拉伸破坏单元的密度确实较低。

2.3 锚网护表构件强度

针对高应力作用下二1煤层蠕变特性显著的特点，在锚网支护系统中护表构件的强度和刚度起着至关重要的作用。图7显示了采用铁丝网和钢筋网护表构件时巷道围岩松动圈的发育范围。由图7可见，当锚网支护巷道采用护表强度更高的钢筋网时，尽管锚杆支护技术参数一致，但巷道顶、帮围岩松动圈范围急剧缩小，其中巷道顶板松动圈范围缩小最为明显。

图7 不同护表构件下巷道围岩松动圈发育范围Fig.7 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different surface protection components

对于一般的锚网支护巷道而言，为便于施工，金属网护表构件普遍选用菱形铁丝网，但菱形铁丝网柔性较大，施工过程中难以紧贴岩面，对巷道锚杆间的围岩变形控制较差。因此，在选用菱形铁丝网作为护表构件的煤矿巷道中，大体积网兜极为常见，个别网兜中的碎胀煤岩甚至达数吨。这些网兜若不及时处理，随着菱形铁丝网护表构件的破坏，锚网支护巷道存在随时冒顶的危险。

不同护表构件条件下巷道围岩位移分布云图如图8所示。对比采用菱形铁丝网和钢筋网的巷道围岩变形量可见，在锚杆参数一致的情况下，采用菱形铁丝网支护的巷道最大变形量达到443.2 mm，而采用钢筋网支护的巷道最大变形量为200.2 mm，变形量减少约54.8%。由此可见，提高护表构件强度，对于蠕变特性极强的二1煤层巷道具有十分重要的意义。