软弱夹层厚度对巷道围岩稳定性影响研究

张延威 高 尚

（枣庄矿业集团济宁七五煤业有限公司，山东 济宁 277600）

关于巷道顶板软弱夹层的研究，大多采用理论分析、数值模拟及现场试验进行研究。宋彦琦等[1]通过数值模拟得出巷道顶板软弱夹层对岩石强度具有显著的弱化效应。汤友生等[2]利用数值模拟等手段得出软弱夹层对岩石强度的弱化作用随着倾角的增大呈先减小再增大趋势。张农等[3-4]通过相似模拟试验对软弱夹层位置和锚杆、锚索等支护措施的锚固区域相关关系进行了研究，得出锚杆、锚索穿过软弱夹层时，巷道顶板呈稳定状态，而锚固区域位于软弱夹层边缘或外部时，巷道顶板破坏严重，且易发生冒顶危险，因此，要将锚杆、锚索锚固到巷道顶板上覆坚硬岩层中[5-6]。文献[7-10]指出巷道顶板存在软弱夹层时，由于其力学性质与其它岩性相差较大，在变形破坏过程中会出现邻近岩层不同步现象，且易诱发巷道顶板整体破裂，造成支护失效，甚至导致巷道冒顶[11-14]。该文以七五煤业3上712 工作面运输巷为工程背景，在工作面回采过程中，巷道顶板部分钢丝网断裂，钢带被压弯，经现场钻孔窥视发现，巷道顶板上覆岩层存在软弱夹层（砂质泥岩），需采用数值模拟手段来研究软弱夹层破坏特征及应力分布规律，并通过支护优化手段来提高巷道围岩稳定性以保证巷道服务质量。

1 工程背景

1.1 工程概况

七五煤业3上712 工作面位于3上采区南翼，煤层厚度1.5～3.2 m，煤层厚度变化较大，煤层倾角1°～3°，工作面标高为-850 m。3上712 工作面所设计的巷道断面为矩形断面，巷道的净宽及净高分别达到4.5 m、2.6 m，矩形断面面积为11.7 m2。根据现场勘探得出煤岩层分布情况如表1 所示，顶底板煤岩体物理力学参数如表2 所示。

表2 巷道岩层及煤的物理力学参数

1.2 巷道围岩变形特征

3上712 工作面回采期间，巷道顶板部分钢丝网断裂，钢带被压弯，岩层出现脱落现象，为查明原因，现场进行了钻孔窥视。巷道顶板窥视图如图1 所示。

图1 巷道顶板窥视图

通过对图1 分析可知，巷道顶板岩层裂隙发育明显，完整性较差且孔壁粗糙，主要位于软弱夹层区域，而巷道直接顶细砂岩完整性较好，即软弱夹层与细砂岩变形破坏会出现不同步现象。

2 数值模拟分析

2.1 数值计算模型的建立

为得出软弱夹层厚度对巷道稳定性的影响规律，采用建立不同厚度的软弱夹层数值试验方法，从围岩水平应力与塑性区破坏特征作为评价指标来分析围岩稳定性。

根据3上712 工作面具体地质条件（表1），选择有限元差分模拟软件FLAC3D，建立了工作面巷道数值计算模型。为提高计算机计算速度，综合考虑后最终确定数值计算模型边长为x×y×z=25 m×20 m×25 m，并结合实际的岩层结构情况进行网格划分。模型中模拟煤岩体采用摩尔-库仑本构模型，模型除顶部外，其余边界面均施加位移约束，模型顶部施加垂直载荷21.25 MPa。数值计算模型如图2 所示。

图2 数值计算模型

2.2 软弱夹层厚度对巷道围岩稳定性影响研究

为进一步得出软弱夹层厚度对巷道围岩稳定性的影响规律，设定下位坚硬岩层厚度为2 m，以不同软弱夹层厚度（0.3 m、0.8 m、1 m）为研究变量，借助数值模拟方法，得出软弱夹层厚度与巷道围岩稳定性之间相关联系。巷道围岩水平应力分布云图如图3 所示。

图3 巷道围岩水平应力分布云图

由图3 可知：当软弱夹层分别厚0.3 m、0.8 m、1 m 时，巷道底板水平应力分别达到61.592 MPa、61.752 MPa、61.760 MPa。随着软弱夹层厚度的增加巷道底板水平应力基本相同，由此可得出，巷道顶板软弱夹层厚度对巷道底板水平应力基本无影响。且巷道开挖后，应力最大值主要集中于巷道底板，主要是因为，巷道底板主要由砂质泥岩组成，其强度高，因此应力集中值大。同时也可发现，随着软弱夹层厚度的增加，巷道顶板上方应力核由双核逐渐变为单核，关键层1 区域矿压显现明显，而下位坚硬岩层区域矿压显现逐渐消散，两个应力核之间（软弱夹层）水平应力值明显减小，造成软弱夹层水平应力值减小的原因为软弱夹层其强度低。巷道围岩塑性区分布如图4 所示。

图4 巷道围岩塑性区分布图

通过对图4 分析可知：随着软弱夹层厚度的增加，巷道顶板上方发生塑性破坏面积逐渐增加，呈正相关。当软弱夹层厚度为0.3 m 时，下位坚硬岩层留有一定弹性区域，下位坚硬岩层塑性区破坏形态类似于拱形，主要发生在巷道顶板正上方。在此厚度条件下，下位坚硬岩层能有效控制围岩稳定性，阻止软弱夹层塑性破坏向关键层1 的发展。0.8 m条件下，巷道顶板塑性破坏面积逐渐增大，此时，受软弱夹层厚度影响，下位坚硬岩层、软弱夹层及关键层1 都发生部分塑性破坏并且相互贯通连接，存在冒顶危险。1 m 条件下，巷道顶板塑性区扩大区域与软弱夹层厚度0.8 m 相比较而言，主要发生在关键层塑性破坏面积的扩大，巷道发生冒顶危险程度进一步增加。同时也可发现，巷道顶板软弱夹层发生塑性破坏，并非整层均发生破坏，而只是巷道顶板该区域发生塑性破坏，并向两侧进行延伸，达到一定破坏距离后，不再向两侧进行延伸。由此可得出巷道顶板含软弱夹层时巷道顶板塑性区破坏及分布特征，可为巷道支护措施提供一定理论依据。巷道围岩水平应力分布曲线如图5 所示。

图5 巷道围岩水平应力曲线图

由图5 可知，随着距巷道顶板距离的增加，巷道围岩水平应力先增大后减小再增大最后逐渐减小最终趋于稳定。在软弱夹层区域水平应力值呈递减趋势，软弱夹层岩层发生塑性破坏，导致应力值降低；软弱夹层岩层强度低，结构松散，其物理参数黏聚力、内摩擦角及弹性模量较低。当下位坚硬岩层厚0.3 m、0.8 m、1 m 时，矿压显现主要发生在关键层1 区域。在此厚度下，巷道顶板上方（下位坚硬岩层、软弱夹层及关键层1）发生塑性破坏并且相互贯通连接。此时，应力逐渐向远离巷道顶板处转移，矿压显现主要发生在下位坚硬岩层区域。在此厚度下，下位坚硬岩层未发生完全塑性破坏，存在一定弹性区域；下位坚硬岩层强度要高于关键岩层1，主要表现在黏聚力、内摩擦角及弹性模量上。

综上所述，可得以下结论：

1）随着软弱夹层厚度的增加，巷道顶板上方下位坚硬岩层区域应力值逐渐减小，巷道顶板塑性区破坏面积逐渐增大，发生冒顶危险程度增高。

2）软弱夹层厚度较小时，下位坚硬岩层未发生完全塑性破坏，关键层1 几乎不受软弱夹层的影响。但随着软弱夹层厚度越来越大，导致关键层1及下位坚硬岩层塑性破坏面积逐渐加大，与软弱夹层厚度呈正相关。

3）不同软弱夹层厚度会导致不同的顶板破裂形态，巷道含软弱夹层顶板出现了明显的非连续破坏，顶板破裂区具有明显的隔层扩展特性。完整性较好的坚硬岩层的存在不能阻断破裂区在软弱夹层形成，破裂区会越过完整性较好的坚硬岩层在强度较低的软弱夹层重新分布，出现隔层扩展的现象[6-8]。

3 含软弱夹层顶板变形控制方法与应用

3.1 巷道顶板变形控制技术

通过现场窥视和数值模拟得出，由于3上712 工作面运输巷顶板含有软弱夹层，且随着软弱夹层厚度的增加，巷道顶板围岩塑性区逐渐加大，因此，造成巷道顶板围岩变形量大。

为有效控制巷道顶板围岩变形，要在巷道顶板浅部围岩进行加固处理，同时也要兼顾软弱夹层破裂区的扩展。锚杆、锚索可发挥其悬吊支护作用。锚杆长度短，可控制巷道顶板浅部岩层破坏；锚索长度长，可有效穿过软弱夹层，锚固到上覆坚硬岩层中，发挥悬吊作用，有效控制围岩变形。

3.2 工程应用

3上712 工作面运输巷存在冒顶隐患的根本原因是其顶板软弱夹层所造成。根据含软弱夹层顶板巷道冒顶控制方法，主要控制对象为巷道顶板软弱夹层，采用支护优化设计来提高3上712 工作面运输巷围岩承载能力。将锚索由原来长度4500 mm 换成8500 mm，间距、排距分别为2100 mm、3300 mm，以保证锚索锚固于软弱夹层上方的坚硬稳定岩层，控制软弱夹层的整体稳定性；锚杆由原来2000 mm 增加至3000 mm，间排距为900 mm×1000 mm，尽可能锚固到坚硬岩层中，在保障锚固质量的同时，进一步控制浅部围岩破裂区的发展，并用Ф5 mm 的钢筋网对巷道表面进行保护。巷道支护示意图如图6 所示。

图6 巷道支护图（mm）

为验证巷道支护优化后对顶板稳定性的控制效果，采用十字布点法对巷道表面进行位移量监测，主要监测工作面回采过程中巷道围岩的整体变形情况（顶板下沉量、两帮收敛量、底鼓量）。监测结果如图7 所示。

图7 巷道围岩变形示意图

通过对图7 分析可知：根据位移计监测结果，巷道位移量在40 d 后基本趋于稳定，巷道的顶板、两帮及底鼓量分别达到53 mm、46 mm、41 mm，总体变形量较小，说明采用支护优化方式后巷道围岩得到了有效控制。

4 结论

1）通过数值模拟结果显示，当软弱夹层由0.3 m 增加至1 m 时，巷道顶板上方下位坚硬岩层区域应力值逐渐减小，巷道顶板塑性区破坏面积逐渐增大，发生冒顶危险程度增高；不同软弱夹层厚度会导致不同的顶板破裂形态，巷道含软弱夹层顶板出现了明显的非连续破坏，顶板破裂区具有明显的隔层扩展特性。

2）巷道顶板水平应力集中区与软弱夹层厚度及力学性质密切相关，应力集中区主要集中于下位坚硬岩层与关键层1 区域，软弱夹层由于发生塑性破坏，导致水平应力值降低。

3）采用支护优化手段后，根据位移计监测结果，巷道位移量在40 d 后基本趋于稳定，巷道的顶板、两帮及底鼓量分别达到53 mm、46 mm、41 mm，总体变形量较小，说明巷道支护参数优化措施有效地控制了巷道围岩稳定性。