不同岩性穿层巷道围岩变形特征分析

柳林煤矿开采8#煤层生产时所涉及的胶带暗斜井、轨道暗斜井大巷需要穿层掘进，不同岩层岩石力学性质不同，为了有针对性地进行围岩稳定性控制及制定合理的支护方案，需对穿层巷道围岩变形特征进行分析。

1 地质概况

山西柳林煤矿井田呈不规则多边形，井田东西长约3.70km，南北宽3.50km，位于柳林县城北5km 处的屈家沟村一带，批准开采煤层为4、5、8、9 号煤层，开采标高+970～ +430m。一水平布置在5号煤层，水平标高+745m；二水平布置在8号煤层中，水平标高+700m。根据矿井开采现状，需进行8 号煤层与5 号煤层配采，要求5、8 号煤层接替开采。

柳林煤矿暗斜井穿过多种岩层，包括煤层、粉砂岩、砂岩、泥质砂岩及石灰岩，尤其是石灰岩非常坚硬。

岩石力学性质测试表明，泥岩（粉砂岩）的抗压强度在41.03～66.02MP 之间，平均57.18MPa；5#煤层单轴抗压强度试验值在3.43～10.29MPa 间，煤与岩石的离散性较大，强度中等偏弱，但顶板的抗拉强度和剪切凝聚力相对较高，也为锚网支护提供了有利条件。8#煤直接顶为石灰岩，致密，坚硬，测试强度96.16～114.0MPa，平均。8#煤坚硬直接顶板为采区巷道支护提供了有利条件。

2 数值模拟计算方案

巷道所在区域穿过4#煤层、5#煤层、6#煤层、7#煤层、8#煤层及煤层之间的各个岩层。根据L17 钻孔综合柱状图，从4#煤层顶板至8#煤层底板，岩层总厚度约70m，其中粉砂岩、砂岩占比约21%，砂质泥岩占比约26%，灰岩占比约36%。砂岩、粉砂岩主要分布在6#煤层顶板灰岩以上；灰岩分布在6#顶板岩层以下，且厚度较大；砂质泥岩在各个煤层之间都有分布，但呈现层数多、单层厚度小的特点。根据钻孔综合柱状图，巷道所在区域岩性可分为两类：一是粉砂岩、砂岩与厚度不大的砂质泥岩互层分布；二是灰岩与厚度不大的砂质泥岩互层分布。

根据煤层的综合地质柱状图，结合煤矿实际地质资料建立模拟计算模型，共取8 个不同岩层区域的剖面进行模拟分析。具体的剖面图及剖面所在位置如图1 所示。

图1 巷道模型所在位置

模型长×宽×高=100m×50m×100m，模拟计算巷道分别位于8 种不同岩层位置下的围岩变形、应力及塑性区发育情况，计算时选取地应力系数为1.2。

模型的四个侧面为位移边界，限制水平位移，底部为固定边界，限制水平位移和垂直位移，网格大小的变化使用Attach 语句联接。模型上覆岩层的重力，以每100m 增加2.5MPa 按照均布荷载形式施加在模型的上部边界。支护方案选择时，以cable结构单元模拟锚杆及锚索的支护。

3 穿层巷道围岩应力分布特征

图2 为不同岩层区域位置的巷道围岩垂直应力分布图。不同位置的巷道的顶底板均产生了垂直应力减小的区域，两帮均产生了垂直应力升高的区域。同时发现随着巷道所处位置向下方移动，其两帮的垂直应力呈增大的趋势，而巷道顶底板的垂直应力则没有明显变化，均处于小于原岩应力的状态。

图2 区域2 巷道围岩应力分布

4 穿层巷道围岩变形特征

图3 为不同岩层区域位置的巷道围岩变形特征图。不同位置的巷道的顶底板均产生了变形，但不同岩层区域及巷道不同位置围岩的变形程度不同。总体上看，巷道顶底板变形量要大于两帮变形量。6 煤顶板灰岩以上岩层为砂岩、泥质砂岩互层，6煤顶板灰岩以下岩层为灰岩、泥质砂岩互层。从8个剖面的巷道围岩变形量来看，从4 煤向下直至8煤层的8 个计算模型中，巷道围岩变形量总体上逐渐减小，说明上部分区域围岩条件较差，下半部分围岩条件较好。模型1 ～8 顶板变形量、底板变形量及侧帮变形量如下表1 所示。

图3 区域2 巷道围岩变形分布

表1 巷道围岩变形统计侧帮变形量/mm模型1 258 225 75模型2 174 160 51模型3 103 90 42模型4 128 110 41模型5 75 70 26模型6 82 75 25模型7 75 70 16模型8 70 65 15模型 顶板变形量/mm底板变形量/mm

图4 巷道变形统计图

从上述图表中可以看出，虽然巷道变形量从上至下逐渐减小，但上半部分岩层区域巷道围岩变形量要明显大于下半部分岩层区域。在进行支护设计时，可将上下山巷道分为两部分区域考虑。

5 穿层巷道围岩塑性区分布特征

图5 为不同岩层区域位置的巷道围岩塑性区分布图。不同位置的巷道围岩均有塑性变形区，但不同岩层区域及巷道不同位置围岩的塑性变形区不同。总体上看，巷道两底角及两肩位置处塑性区范围要大于两帮及顶底板区域。6 煤顶板灰岩以上岩层为砂岩、泥质砂岩互层，6 煤顶板灰岩以下岩层为灰岩、泥质砂岩互层。从8 个剖面的巷道围岩变形量来看，从4煤向下直至8煤层的8个计算模型中，巷道围岩塑性区范围总体上逐渐减小，同样，说明上部分区域围岩条件较差，下半部分围岩条件较好。模型1～8 巷道围岩塑性区范围如下表2 所示。

文章来源：《力学学报》 网址: http://www.lxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0406/565.html