缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响

罗 刚

（贵州文家坝矿业有限公司，贵州 毕节 552100）

倾斜煤岩层巷道由于围岩结构非对称和倾斜顶板岩层应力场分布不均匀问题[1]，导致其围岩受力特点与水平煤岩层受力特点存在显著差异[2]。此外，随着矿山开采深度增加，地应力水平提高，深入分析煤矿开采受岩层分布特征、地应力主应力方向特征和构造运动影响的研究显得越来越重要[3]。贵州文家坝一矿地处强烈构造区，构造应力场影响显著，其中该矿6 号煤层为缓倾斜煤层，煤层回风巷施工中出现了大面积变形破坏情况。以6 号煤层为工程背景，通过理论分析、数值模拟分析地应力最大主应力水平时（构造应力场）地应力方向对缓倾斜煤岩层中巷道围岩的变形特征的影响规律和机制，以期为构造强烈区深埋倾斜煤岩层中巷道的变形与稳定性控制提供参考。

1 数值模型及方案

贵州文家坝一矿地处强烈构造区，矿区整体构造应力较大，地应力呈现水平向构造应力大于竖向自重应力的分布特征，在南北方向和东西方向的地应力侧压力系数分别为0.82 和1.54。6 号煤层平均埋深约900 m，平均厚度为2.58 m，属中厚稳定煤层，煤层平均倾角15°。煤岩顶底板各岩层强度参数见表1。矿井开拓方式采用平硐+斜井联合开拓，巷道总体呈现“井”字形布置，开采中巷道处地应力最大主应力方向水平且与巷道垂直和平行的情况均会出现。考虑边界效应，建立煤岩层倾角为15°的倾斜煤岩层巷道模型，如图1。采用FLAC3D建立数值模型，数值模型长×宽×高为50 m×40 m×50 m，分析采用Mohr-Coulomb 本构模型，模型左、右及底部边界施加法向位移约束，上边界为应力边界（取岩层平均密度为2250 kg/m3，巷道平均埋深900 m），地应力侧压力系数分别取值为0.8和1.5，设置地应力最大主应力水平且与巷道轴线垂直（以下简称垂直工况）和地应力最大主应力水平且与隧道轴线平行（以下简称平行工况）两种工况，两种工况下水平应力布置如图1。

表1 顶底板岩层物理力学参数

图1 数值模型及应力布置示意图

2 数值模拟结果分析

2.1 巷道围岩变形特征

从巷道围岩变形分布上看，垂直工况下巷道围岩变形的最大水平收敛较平行工况大27 mm，说明垂直工况下地应力分布对巷道收敛变形控制不利。巷道围岩变形最大的位置均在煤层内，即当巷道断面截断或部分处于煤层范围内时，巷道围岩中煤层出露部位变形较大，从变形控制角度看是变形控制的关键部位。结合图2 可看出，在两种地应力分布工况下，缓倾斜岩层中巷道围岩总变形均呈现出两帮水平收敛＞顶板下沉＞底板隆起的分布特征，且总体上变形分布呈现非对称特征，随岩层倾斜发生一定量偏移；在垂直工况下，围岩最大变形出现在左帮下部和右帮上部，最大变形量134 mm，对比而言平行工况下围岩变形相对较小。

图2 巷道围岩总位移分布特征

2.2 巷道围岩破坏特征

两种工况下围岩内塑性区深度与总变形量分布特征，塑性区深度最大位置和围岩变形量最大位置均在左帮下部和右帮上部，且始终处于煤层范围内。此外，垂直工况下顶板及顶板塑性区、围岩变形量均较大。因此，在倾斜煤岩层巷道掘进时，煤层出露部位和巷道两帮是围岩出现破坏的重点区域，支护设计需充分考虑地应力分布对围岩变形和破坏的影响。结合图3 可知，在两种地应力分布工况下，缓倾斜岩层中巷道围岩内塑性区分布均呈现倾斜非对称分布，塑性区深度总体呈现出两帮＞顶板＞底板的分布特征，其中垂直工况下围岩内塑性区在两帮和顶板深度均较大，左帮、右帮、顶板和底板塑性区深度分别为2.4 m、2.6 m、2.0 m 和1.6 m。

图3 巷道围岩塑性区分布特征

2.3 巷道围岩应力分布特征

缓倾斜岩层中巷道围岩内应力分布均呈现倾斜非对称特征，垂直工况下最大水平向应力是平行工况下的两倍，且垂直工况下水平向应力在顶板和底板内的集中程度明显高于平行工况，这是导致垂直工况下巷道在顶板和底板处塑性区深度增大的关键原因（图4）。巷道围岩表层卸荷区分布总体相似，平行工况下水平向应力的集中点相对较浅。平行工况下最大竖直向应力与垂直工况基本相当，且垂直工况和水平工况下竖直向应力在顶板和底板内的分布均呈现随深度增大而增大的态势，垂直工况下竖直向应力在巷道两帮外围岩内的集中程度和集中点深度均较水平工况要大（图5）。

图4 巷道围岩水平向应力分布特征

图5 巷道围岩竖直应力分布特征

3 地应力方向对巷道围岩变形破坏的影响机制

煤岩层倾斜导致岩层层面与重力方向（岩层自重方向）的夹角变小，煤岩体自重在煤层层理方向的作用效应被强化，诱导了巷道围岩内应力的非对称分布，这是倾斜岩层内巷道围岩变形和破坏呈现非对称的关键。基于上述分析可知，地应力最大主应力水平（也称构造应力场）时，地应力最大主应力分布方向对倾斜煤岩层巷道围岩变形破坏的影响机制主要体现在两方面：

1）当地应力最大主应力水平且与巷道轴线垂直时，初始大水平向应力的存在迫使倾斜煤岩层内沿倾斜层面的应力诱导效应被增强，导致巷道围岩的水平向收敛变形增大；垂直工况下竖直应力和水平向应力的应力差增大，加剧了水平向应力在底板和顶板内的应力集中程度，同时迫使剪切破坏范围增大。

2）当地应力最大主应力水平且与巷道轴线平行时，初始大水平向地应力与竖直向地应力差减小，相比垂直工况，倾斜煤岩层内沿倾斜层面的应力诱导效应相对较弱，巷道围岩的水平向收敛变形较小。此外，平行工况下竖直应力和水平向应力的应力差相对较小，减小了水平向应力在底板和顶板内的应力集中程度，此时顶板和底板内的剪切破坏范围增大。

综上可知：地应力最大主应力方向水平时，地应力方向对倾斜煤岩层中巷道围岩内的顺层应力诱导效应有较大影响，垂直工况对巷道围岩的变形和破坏更不利。根据数值分析结果，矿区回风巷施工中，将原设计中的对称支护进行了优化，在地应力最大主应力方向水平且与巷道轴垂直段，加强了左帮、右帮和顶板的支护，同时在顶板右侧煤层出露区增加了一根加强锚索进行了加固处理，如图6。

图6 文家坝一矿区采区回风巷改进支护设计图（mm）

根据现场观测反馈，按数值模拟结果进行针对性改进的支护方案在现场取得了良好的应用效果，与地应力方向和岩层倾斜（非对称支护）相适应的改进支护均无需进行二次支护，有效解决了构造强烈区巷道围岩非对称变形控制问题。

4 结论

1）在地应力最大主应力水平且与巷道轴线垂直（垂直工况）和平行（平行工况）两种地应力分布工况下，缓倾斜岩层中巷道围岩总变形和塑性区深度均呈现出两帮水平收敛＞顶板下沉＞底板隆起的分布特征，且总体呈现非对称分布特征。

2）垂直工况下最大水平向应力是平行工况下的两倍，且垂直工况下水平向应力在顶板和底板内的集中程度明显高于平行工况，这是导致垂直工况下巷道在顶板和底板处塑性区深度增大的关键。

3）当地应力最大主应力水平且与巷道轴线垂直时，初始大水平向应力的存在会导致倾斜煤岩层内沿倾斜层面的应力诱导效应被增强，迫使巷道围岩的水平向收敛变形增大。此外，垂直工况下竖直应力和水平向应力的应力差增大会加剧水平向应力在底板和顶板内的应力集中程度，迫使剪切破坏范围增大，即塑性区增大。