穿断层带巷道围岩变形特征数值模拟分析

吴明明

(陕西能源冯家塔矿业运营有限责任公司，陕西 榆林 719400)

0 引言

我国煤炭开采以井工开采为主，巷道掘进工程量巨大。断层是岩层或岩体沿破裂面发生明显位移的断裂构造，多数情况下是低强度、易变形的软弱围岩，与其两侧岩体在物理力学特性上具有显著的差异[1-4]。通常，断层会破坏岩层的连续性和整体性，导致其附近围岩破碎、应力异常，极易发生冒顶、底鼓等事故制约煤矿安全高效生产[5-7]。研究断层附近的应力分布规律及变形破坏特征不仅能保证巷道安全快速掘进，提高经济效益，而且对穿断层带巷道维护问题有重要的理论及实践指导意义。

1 工程背景

任楼煤矿井田内共发育落差大于5 m的大中型断层35条，其中落差大于100 m的断层共有4条，生产地质条件较为复杂。为保证正常采掘接替，需要进行中六采区的开拓。中六运输大巷位于-520 m水平，巷道走向N304°，设计宽4.0 m，高3.6 m，为直墙半圆拱形巷道，巷道向前将逐渐接近F2断层，F2断层为压扭性正断层，倾向290°，倾角60°，落差100 m。

2 穿断层带巷道变形破坏分析

2.1 数值模型

建立120 m×56 m×64 m(长×宽×高)三维数值模型，用力学性较弱的单元替代模拟断层结构，取断层水平方向厚度2 m，倾角60°，如图1所示。巷道为直墙圆拱形(4.0 m×3.6 m)，墙高1.6 m，圆拱半径2.0 m。采用FLAC3D数值计算软件，选用摩尔-库仑本构模型，底部边界固定，限制侧面水平移动。

图1 数值模型几何示意Fig.1 Geometric diagram of numerical model

根据文献[8]中任楼煤矿地应力场测量结果，地应力是以水平压应力为主导，属于近EW向的水平应力场，且都是压应力，没有张应力。最大水平主应力与铅直应力之比为1.5～2.5。中六运输大巷位于-520 m水平，垂直应力12 MPa，取最大水平主应力与铅直应力之比为2.0；根据水平主应力与模型侧向应力方位关系，将水平主应力分解计算得到两侧应力为12.5 MPa，两端应力为18 MPa，围岩力学参数取值见表1。

表1 数值计算模型中岩石力学参数Table 1 Rock mechanical parameters in the numerical calculation model

2.2 掘进巷道应力场分布

中六运输大巷从下盘到上盘穿过断层，数值计算采用分布开挖的方式，初始开挖步距10 m，在断层前后各20 m开始，开挖步距为5 m。竖直剖面(X)上巷道掘进应力场分布如图2所示。

图2 巷道掘进应力场分布Fig.2 Distribution of stress field of roadway tunneling

在断层下盘，当巷道掘进至距断层5～10 m位置时，超前应力与断层带构造应力场沟通，超前竖直应力集中程度增大，最大为22 MPa(增加2 MPa)；巷道继续向前掘进，巷道顶板围岩距断层破碎带较近，巷道围岩破坏变形与断层构造沟通会引起围岩承载结构失稳，应力在断层位置处集中，塑性破坏由断层带向外部拓展。巷道穿过断层带，掘进至巷道上盘距断层面5 m位置时，支承压力向邻近围岩转移使得近断层带巷道围岩在扰动附加载荷作用下塑性破坏进一步发育。在掘进工作面前方，超前支承应力作用减弱，没有出现明显的应力增高区。巷道继续向前开挖至距离断层面约20 m时顶底板围岩卸压深度出现明显的减小，掘进工作面顶底板开始出现小范围的应力集中区。当巷道掘进至距断层面26 m位置时，掘进工作面前后方应力分布趋于稳定，掘进工作面前方出现正常的竖直应力集中区。

2.3 沿巷道走向围岩变形破坏特征

沿巷道走向，巷道围岩顶底板围岩塑性区分布、两帮及顶底板围岩变形情况如图3、4所示。由于断层带围岩力学性质较弱，在断层带内围岩塑性破坏深度较大并在断层浅部与上盘底板围岩出现拉剪破坏。受断层作用影响，断层带附近围岩塑性破坏范围增大，在上、下盘距断层面10 m范围内破坏明显，塑性区在竖直平面内大致呈椭圆形分布。在正常段巷道四周围岩变形协调，顶底板与两帮变形量大致为72 mm。在断层下盘，随着巷道逐渐靠近断层，下盘底板围岩变形量变化较小，顶板围岩变形量快速增大，至断层带处最大为224 mm。进入断层上盘，围岩底板变形迅速增大至216 mm，顶板变形量骤降，至距断层中心10 m位置处围岩变形恢复至正常水平。

图3 沿巷道走向顶底板围岩塑性区分布 Fig.3 Distribution of the surrounding rock plastic zone along the roadway

2.4 不同位置处巷道围岩变形破坏特征

由于构造应力分布及断层结构的差异性，在不同位置处，巷道变形破坏特征有一定差异；与断层带距离不同，围岩破坏变形程度也会有所不同。特选取典型位置处进行对比分析。不同位置处巷道围岩塑性区分布如图5所示。在正常段巷道，顶板与两帮塑性破坏最大深度为2.16 m，底板塑性区最大深度为2.68 m，破坏形式均为剪切破坏；顶底板与两帮围岩变形均匀协调，变形量最大约为96 mm。随着巷道逐渐接近断层，巷道围岩距顶板断层带软弱岩层距离减小，巷道在下盘掘进至断层面10 m时，巷道围岩变形开始受断层结构作用。此时巷道开挖后浅部围岩发生塑性破坏，应力向深部围岩转移，塑性破坏深度加大，主要表现在拱顶上部，顶部最大塑性破坏深度增大至3.84 m，顶板最大变形增加39%。巷道自下盘接近断层时，巷道顶板围岩受断层结构影响，顶板塑性破坏范围急剧增大，进而导致两帮与底板破坏区增大。顶板围岩塑性区与弱结构塑性区导通并向围岩深部拓展，顶板塑性区最大深度为7.8 m，两帮塑性区深度增大至5.0 m，底板塑性区深度3.23 m。顶板围岩最大变形量增大至正常位置处的3.0倍。围岩大变形可能导致围岩体承载结构的失稳，发生冒顶。因此应在断层下盘加强顶板围岩控制。巷道掘进通过断层破碎带时，两帮围岩为断层结构带，两帮塑性破坏深度达8.0 m，顶底板塑性破坏深度为5.0 m。在两帮、底板及拱肩位置出现拉伸破坏，帮部与拱顶交界处变形量较大，最大达325.4 mm。巷道掘进至上盘位置时弱结构赋存在巷道底板，底板与帮部变形明显增大。

图4 沿巷道走向巷道围岩表面位移曲线Fig.4 Displacement curve of surrounding rock surface along the roadway

图5 不同位置处巷道围岩塑性区分布Fig.5 Distribution of surrounding rock plastic zone of roadway at different positions

2.5 巷道围岩主应力差分布

在正常段巷道主应力差在围岩顶底板与两帮分布均匀[9]，在围岩由浅入深呈现先缓慢增加后快速增加至最大值，再减小至正常水平的趋势[10-11]。在围岩两帮与顶板0～1.0 m内围岩主应力差值小，为掘巷后支护控制的主要区域；在1.7～2.7 m内达到峰值，应力差峰值前后区域为主要承载区[12]。在断层下盘巷道逐渐接近断层带时，受顶板弱结构影响，顶板浅部围岩承载能力减弱，主应力差向顶板深部转移，两帮及底板围岩承受载荷增加。随着巷道逐渐靠近断层带，拱顶与上帮部围岩破坏显著增大。帮部与底板浅部围岩承载大于围岩强度极限时发生塑性破坏，承载区向深部围岩拓展。因此，在断层下盘近断层带巷道应对拱顶围岩进行重点支护，增大顶板浅部围岩承载能力，控制围岩破坏向深部发展。上盘近断层带巷道底板与下帮部塑性破坏显著增大，引起巷道浅部围岩整体承载能力减弱，围岩破坏向深部发展，在下盘段巷道应重点控制底板与下帮部。不同位置处巷道围岩主应力差分布如图6所示。

图6 不同位置处巷道围岩主应力差分布Fig.6 Distribution of principal stress difference of roadway surrounding rock at different positions

3 结论

(1)受断层作用影响，断层带附近围岩塑性破坏范围增大，在上下盘距断层面10 m范围内破坏明显，在竖直平面内大致呈椭圆形分布。

(2)在围岩两帮与顶板0～1.0 m内围岩主应力差值小，为掘巷后支护控制的主要区域；在1.7～2.7 m内达到峰值，应力差峰值前后区域为主要承载区。

(3)断层下盘近断层带巷道应对拱顶围岩进行重点支护，增大顶板浅部围岩承载能力，控制围岩破坏向深部发展。上盘近断层带巷道底板与下帮部塑性破坏显著增大，引起巷道浅部围岩整体承载能力减弱，围岩破坏向深部发展；在下盘段巷道应重点控制底板与下帮部。