丁敏杰，郭鵬飛，彭巖巖

（1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000）

隨著淺部煤炭資源的減少，煤礦開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展[1-3]。對(duì)于深部巖體，特別是位于煤礦沉積地層中的深部巷道圍巖，由于受到地層中廣泛存在的軟弱夾層以及復(fù)雜的應(yīng)力條件和開(kāi)采擾動(dòng)影響[4-9]，易出現(xiàn)非穩(wěn)定的變形破壞，制約著煤礦的安全高效開(kāi)采。為此，復(fù)雜應(yīng)力條件下含弱層巷道的穩(wěn)定性問(wèn)題亟待解決。迄今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下工程中軟弱夾層的作用進(jìn)行了許多有益的研究。郭海[10]應(yīng)用FLAC2D研究軟弱夾層對(duì)隧道圍巖松動(dòng)破壞的影響，發(fā)現(xiàn)圍巖損傷是從夾層附近開(kāi)始向周邊擴(kuò)展的。張迎貴等[11]研究發(fā)現(xiàn)軟巖夾層在巷道兩幫位置且上、下均為硬巖結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)巷道影響最小。孫利輝等[12]研究發(fā)現(xiàn)巷道底板淺部的軟弱夾層會(huì)弱化底板的強(qiáng)度，而深層的軟弱夾層則會(huì)對(duì)地應(yīng)力的傳遞起到阻隔的作用。唐禮忠等[13]研究表明在動(dòng)力擾動(dòng)作用下，夾層對(duì)爆破波能量起到了一定的釋放作用，有利于圍巖動(dòng)力穩(wěn)定。周永利等[14]指出基底弱層控制著哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場(chǎng)的潛在滑坡模式及其穩(wěn)定性。丁軍等[15]發(fā)現(xiàn)在破碎軟弱夾層位置的孔壁鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)徑現(xiàn)象，不利于底板錨固。王玉和等[6]采用相似材料模擬和理論分析相結(jié)合的方法，提出了能夠使軟弱夾層與上、下硬巖層之間協(xié)同耦合承載，減少巷道圍巖變形的聯(lián)合支護(hù)方案。李新旺等[16]應(yīng)用UDEC離散元軟件分析了煤礦巷道底板中軟弱夾層厚度對(duì)底鼓的影響。

上述研究多集中在弱層對(duì)巷道頂板和底板變形破壞的影響。然而，對(duì)于弱層與復(fù)雜應(yīng)力條件共同影響下煤幫圍巖滑移破壞規(guī)律的研究鮮有涉及，且以往的數(shù)值模擬中忽略了弱層自身的殘余強(qiáng)度。事實(shí)上，弱層在復(fù)雜應(yīng)力條件下易出現(xiàn)“漸進(jìn)式破壞”[17]現(xiàn)象。為此，運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬，考慮了弱層的殘余強(qiáng)度，并認(rèn)為弱層是具有一定厚度、物理力學(xué)性質(zhì)介于巖石與煤之間的黏彈性薄塊體，分析弱層與側(cè)壓力系數(shù)共同作用下對(duì)巷道圍巖滑移破壞的影響。

1 含弱層煤礦巷道圍巖滑移破壞特征

煤礦巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)由三向變成兩向，使得應(yīng)力在幫部產(chǎn)生集中，進(jìn)而引起巷道幫部發(fā)生破壞。馬念杰[18]指出巷道圍巖的破壞主要由幫部煤體的壓剪破壞和層理面的滑移破壞共同構(gòu)成。圍巖在集中應(yīng)力作用下會(huì)形成塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

單仁亮等[19]通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析大量文獻(xiàn)，認(rèn)為煤礦巷道開(kāi)挖后在圍巖應(yīng)力作用下煤幫圍巖主要發(fā)生壓剪破壞，在圍巖內(nèi)部容易出現(xiàn)剪切滑移面。煤幫圍巖出現(xiàn)的壓剪破壞符合莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，可以用莫爾圓對(duì)巷道整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中煤幫圍巖的狀態(tài)進(jìn)行描述，煤礦巷道開(kāi)挖過(guò)程中的莫爾圓如圖1。該圓的圓心坐標(biāo)為（（σ1+σ3）/2，0），圓的半徑為（σ1-σ3）/2，圓1、圓2和圓3分別為原巖應(yīng)力狀態(tài)下莫爾圓、開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)莫爾圓和巷道開(kāi)挖完成后巷道煤幫發(fā)生應(yīng)力集中時(shí)莫爾圓，AD為煤幫圍巖原巖應(yīng)力狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，BD為受開(kāi)挖擾動(dòng)影響的煤幫圍巖強(qiáng)度降低后抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中，幫部σ3減小，導(dǎo)致莫爾圓的圓心橫坐標(biāo)左移，影響半徑增大，從圓1發(fā)展成圓2。隨著巷道的開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力逐漸集中，使σ1逐漸增大，從而圓2發(fā)展成圓3。當(dāng)莫爾圓與AD相切時(shí)，達(dá)到煤幫圍巖的極限強(qiáng)度；相割則表明煤幫圍巖發(fā)生壓剪破壞。煤幫圍巖發(fā)生壓剪破壞后，塑性區(qū)會(huì)沿剪切面及層理面發(fā)生滑移破壞，進(jìn)一步降低煤幫圍巖的強(qiáng)度及承載力。煤幫圍巖強(qiáng)度降低后使AD逐漸發(fā)展成BD，進(jìn)一步加劇煤幫圍巖的壓剪破壞。

圖1 煤礦巷道開(kāi)挖過(guò)程中的莫爾圓Fig.1 Mohr’s circles during excavation of coal rock roadway

2 含弱層巷道圍巖滑移破壞數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

以劉莊煤礦深部泥巖巷道為研究對(duì)象，其平均采深在-700 m以下，煤層平均厚度2.05 m，煤層傾角一般小于3°，可近似為水平煤層，部分煤體存在較多裂隙。煤層上方10 m到煤層下方10 m范圍內(nèi)，巖層依次為：泥巖、砂質(zhì)泥巖、煤、碳質(zhì)泥巖、煤、砂質(zhì)泥巖和泥巖，各巖層之間均含有軟弱夾層。由于僅研究煤幫圍巖滑移破壞的一般規(guī)律，為此對(duì)工況進(jìn)行簡(jiǎn)化，將頂板設(shè)為相同巖性的砂質(zhì)泥巖，底板設(shè)為相同巖性的泥巖，弱層僅存在于頂?shù)装搴兔簩咏佑|面間。

采用離散元軟件UDEC建立了數(shù)值計(jì)算模型。模擬中，考慮了4種弱層厚度h：無(wú)弱層、0.1、0.2、0.3 m，4種側(cè)壓力系數(shù)λ：0.5、1.0、1.5、2.0?？紤]邊界效應(yīng),取模型模擬的范圍為30 m×22 m，巷道斷面尺寸2 m×2 m，兩側(cè)均為實(shí)體煤。模型上部為自由邊界，應(yīng)力條件考慮埋深H為800 m，上覆巖層平均密度ρ為2 500 kg/m3，以原巖垂直應(yīng)力σv=ρgH=20 MPa的形式施加在模型頂部，模型底部邊界為固定端，左右邊界約束水平位移。頂?shù)装寰鶆澐譃?.0 m×1.0 m的塊體，煤層劃分為0.5 m×0.5 m的塊體，弱層劃分為0.1 m×0.1 m。軟弱夾層設(shè)置在煤與頂?shù)装彘g，頂?shù)装寰鶠?0 m，數(shù)值模型如圖2。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

依據(jù)所建立幾何模型的對(duì)稱(chēng)性質(zhì)，取巷道左側(cè)煤層為研究對(duì)象。弱層采用彈簧與阻尼器并聯(lián)的kelvin體表示。為突顯煤幫圍巖的變形破壞，將水平應(yīng)力的方向設(shè)置為與巷道軸向垂直。在左側(cè)煤層中線上每隔0.25 m等間距布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，合計(jì)41個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中煤壁處的測(cè)點(diǎn)為A，離煤壁2 m為測(cè)點(diǎn)B，離煤壁4 m為測(cè)點(diǎn)C。煤壁豎直方向上每隔0.1 m等間距布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)21個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring points layout

2.2 模型的基本參數(shù)

模型內(nèi)共含4類(lèi)塊體和5類(lèi)節(jié)理，塊體與節(jié)理參數(shù)見(jiàn)表1和表2。為充分考慮圍巖的變形破壞特性，塊體均采用摩爾-庫(kù)倫模型。本文中模擬與前人研究的不同主要體現(xiàn)在，弱層節(jié)理采用節(jié)理面接觸-具有殘余強(qiáng)度的庫(kù)侖滑移模型，此模型中節(jié)理的摩擦力、黏聚力和抗拉強(qiáng)度在開(kāi)始出現(xiàn)剪切或張拉破壞時(shí)參數(shù)減小或消失來(lái)模擬節(jié)理的軟化特性。為此賦予弱層節(jié)理組殘余黏聚力1.4 MPa，殘余內(nèi)摩擦角5°，和殘余抗拉強(qiáng)度15.0 kPa，通過(guò)這3類(lèi)殘余參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)弱層的黏彈性及控制弱層的漸進(jìn)破壞。其余4類(lèi)節(jié)理均采用節(jié)理面接觸-庫(kù)侖滑移模型。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)[20]Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)[20]Table 2 Mechanical parameters of joints

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 含弱層巷道圍巖滑移特征

3.1.1 弱層厚度對(duì)于巷道圍巖滑移的影響

通常實(shí)測(cè)煤礦原巖應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)介于1～3之間，而關(guān)于弱層的數(shù)值模擬研究中通常采用的側(cè)壓力系數(shù)均介于0.5～2[10,12,16]，為突顯弱層的影響，側(cè)壓力系數(shù)不易過(guò)大，為此選取側(cè)壓力系數(shù)為1.5的情況進(jìn)行研究分析。為分析有、無(wú)弱層以及弱層厚度對(duì)煤幫圍巖滑移的影響，在模擬結(jié)束后選取了監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C的水平位移進(jìn)行分析。含不同厚度弱層巷道圍巖3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移隨計(jì)算時(shí)間步的變化曲線如圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curves of monitoring points

圖4（a）中圍巖不含弱層，可以看出，巷道達(dá)到力學(xué)平衡時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A最大水平位移為138.1 mm，測(cè)點(diǎn)B和測(cè)點(diǎn)C的最大水平位移分別為52.7 mm和13.7 mm，A點(diǎn)水平位移遠(yuǎn)大于B點(diǎn)和C點(diǎn)。結(jié)合圖4（b）～4（d）可知，隨著弱層的出現(xiàn)及厚度不斷增大，測(cè)點(diǎn)A、測(cè)點(diǎn)B、測(cè)點(diǎn)C的最大水平位移值均發(fā)生顯著提升，但依舊保持A點(diǎn)水平位移遠(yuǎn)大于B點(diǎn)和C點(diǎn)的趨勢(shì)。說(shuō)明煤幫圍巖中是否含有弱層，均會(huì)在開(kāi)挖后，由于應(yīng)力傳遞路徑發(fā)生改變和應(yīng)力的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致煤幫圍巖發(fā)生變形，且越靠近開(kāi)挖位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移越大。從圖4可以看出，弱層對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移有明顯的影響，以測(cè)點(diǎn)A為例，3類(lèi)含弱層圍巖測(cè)點(diǎn)A的水平位移較無(wú)弱層時(shí)分別增加了33.3%、58.1%、66.8%，進(jìn)一步說(shuō)明，弱層越厚，測(cè)點(diǎn)的水平位移增長(zhǎng)也越快。

此外，4類(lèi)巷道達(dá)到力學(xué)平衡所需計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)依次為0.168（h=0.0 m）、0.326（h=0.1 m）、0.415（h=0.2 m）和0.458（h=0.3 m），含弱層巷道達(dá)到力學(xué)平衡時(shí)所需計(jì)算時(shí)間明顯滯后于無(wú)弱層情況，且隨弱層厚度增大模型平衡所需計(jì)算時(shí)長(zhǎng)會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)，說(shuō)明弱層的存在不利于煤礦巷道的穩(wěn)定，并且弱層越厚巷道越不穩(wěn)定。原因歸結(jié)于，巷道不含弱層時(shí)，巷道計(jì)算平衡僅與層理面的參數(shù)有關(guān)，由于層理面的黏聚力與內(nèi)摩擦角最小，巷道開(kāi)挖完成后，層理面最先發(fā)生剪切破壞，失效后的層理面不會(huì)對(duì)圍巖的滑移破壞產(chǎn)生約束作用，因此無(wú)弱層巷道可以快速計(jì)算平衡，達(dá)到穩(wěn)定。含弱層巷道，在開(kāi)挖擾動(dòng)下，弱層也會(huì)發(fā)生剪切破壞，但由于弱層節(jié)理被賦予了殘余參數(shù)，導(dǎo)致節(jié)理的斷裂不會(huì)突然失效，而是產(chǎn)生新的弱連結(jié)，整個(gè)弱層呈現(xiàn)出“漸進(jìn)式破壞”，為此含弱層巷道計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)總是滯后于無(wú)弱層巷道。

4類(lèi)含不同厚度弱層圍巖的水平位移隨煤幫圍巖深度變化的曲線如圖5。

從圖5中可以看出，4類(lèi)含不同厚度弱層的煤幫圍巖最大水平位移值均出現(xiàn)在煤壁表面，且數(shù)值依次是134.7、193.8、226.5、238.0 mm。含弱層圍巖最大水平位移值相比無(wú)弱層時(shí)分別增加了43.9%、68.2%、76.7%。說(shuō)明弱層對(duì)煤幫圍巖的水平滑移具有促進(jìn)作用，當(dāng)弱層越厚，煤壁處的水平滑移也越明顯。同時(shí)看出，4條曲線的線形基本一致，煤幫水平位移在圍巖深度達(dá)到4～6 m之前，下降速度較快，之后速度趨于緩和。此過(guò)程中存在明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前曲線斜率明顯大于拐點(diǎn)后，并且4個(gè)拐點(diǎn)所處位置依次為距煤壁4.0、5.0、5.75、6.0 m，與圍巖塑性區(qū)深度幾乎一致。由此認(rèn)為拐點(diǎn)前的煤幫已經(jīng)發(fā)生了剪切破壞，已屈服部分的煤幫圍巖會(huì)沿著弱層或者層理面向巷道進(jìn)行整體性的水平滑移，同時(shí)促使煤壁產(chǎn)生嚴(yán)重的變形隆起。

圖5 煤幫圍巖水平位移變化曲線Fig.5 Curves of horizontal displacement of surrounding rocks of roadway

3.1.2 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巷道圍巖滑移的影響

為了分析側(cè)壓力系數(shù)對(duì)煤幫圍巖滑移的影響，對(duì)不同側(cè)壓力系數(shù)和弱層厚度影響下煤壁處產(chǎn)生最大水平位移的點(diǎn)進(jìn)行提取，繪制的煤幫最大水平滑移曲線圖如圖6。

圖6 幫最大滑移曲線Fig.6 Maximum slip curves of coal wall

從圖6中可以看出，當(dāng)圍巖中無(wú)弱層時(shí)，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加煤壁處的最大滑移值也隨之增加，且增加趨勢(shì)呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系。當(dāng)圍巖中含有弱層時(shí)，對(duì)比相同側(cè)壓系數(shù)下無(wú)弱層情況，發(fā)現(xiàn)煤壁處的最大滑移值增加速率顯然要高于無(wú)弱層情況，這說(shuō)明弱層的存在會(huì)加劇幫部的滑移，且弱層越厚，滑移值越大。此外，可以發(fā)現(xiàn)4個(gè)不同側(cè)壓力系數(shù)下，含0.3 m弱層圍巖幫部滑移值與0.2 m時(shí)相比，幫部滑移值的增加并不顯著，分別增加了8.1%、8.2%、4.3%、7.0%，這說(shuō)明當(dāng)弱層厚度從0.2 m變化到0.3 m時(shí)，幫部的滑移值趨于穩(wěn)定。

3.2 含弱層巷道圍巖破壞特征

3.2.1 弱層厚度對(duì)巷道圍巖破壞形態(tài)的影響

選取側(cè)壓力系數(shù)為1.5時(shí)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)有無(wú)弱層及不同弱層厚度影響下圍巖破壞形態(tài)及塑性區(qū)深度進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)束時(shí)，含不同厚度弱層的圍巖破壞形態(tài)如圖7。

圖7 含弱層圍巖破壞形態(tài)Fig.7 Failure forms of surrounding rocks with weak layer

從圖7中可以看出，無(wú)弱層巷道開(kāi)挖完成后，在水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力共同作用下，煤幫圍巖整體的破壞形式以剪切破壞為主，煤壁處的破壞形式以拉伸破壞為主，圍巖深處存在剪切滑移面（塑性區(qū)邊界）。當(dāng)圍巖中含有弱層時(shí)，圍巖深部及煤壁處的破壞形式與無(wú)弱層時(shí)基本相同。但隨著弱層厚度的增加，塑性區(qū)深度也不斷增大，4種含不同厚度弱層的圍巖塑性區(qū)深度（以塑性區(qū)邊界與煤層中線交點(diǎn)距離煤壁的距離D作為塑性區(qū)深度）依次為3.75、5.25、5.75、6.0 m。含有0.1、0.2、0.3 m弱層的圍巖塑性區(qū)深度與無(wú)弱層情況相比分別增加了40%、53.3%、60%，這也說(shuō)明弱層的存在加劇了煤幫圍巖的剪切破壞。本次模擬中，圍巖臨界破壞深度是煤體即將發(fā)生剪切破壞的臨界狀態(tài)，而隨弱層厚度增長(zhǎng)，剪切面不斷往圍巖深處發(fā)展，進(jìn)一步說(shuō)明，隨弱層厚度的增加，煤體的剪切破壞范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，因而圍巖臨界破壞深度對(duì)圍巖穩(wěn)定具有重要意義。

在弱層厚度由0.1 m變化到0.3 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)弱層對(duì)煤幫圍巖塑性區(qū)分布具有較大影響，煤幫圍巖塑性區(qū)沿弱層快速向深部發(fā)展，而隨著遠(yuǎn)離弱層，塑性區(qū)深度逐漸減小，這種趨勢(shì)隨弱層厚度增加越為明顯。進(jìn)一步說(shuō)明，煤幫圍巖易沿著弱層發(fā)生剪切破壞，且離弱層越近，剪切破壞越嚴(yán)重。

3.2.2 側(cè)壓力系數(shù)對(duì)巷道圍巖破壞形態(tài)的影響

為了進(jìn)一步分析側(cè)壓力系數(shù)對(duì)含弱層煤幫圍巖塑性區(qū)深度的影響，不同側(cè)壓力系數(shù)影響下的煤幫圍巖塑性區(qū)深度曲線如圖8。

圖8 含弱層圍巖塑性區(qū)深度曲線Fig.8 Depth curves of plastic zone of surrounding rocks with weak layer

圖8中，在相同側(cè)壓系數(shù)下，含弱層煤幫圍巖塑性區(qū)深度總是大于無(wú)弱層情況，并且弱層越厚塑性區(qū)深度越大，說(shuō)明弱層對(duì)于煤幫圍巖塑性區(qū)深度的增長(zhǎng)起重要作用。無(wú)弱層圍巖在側(cè)壓力系數(shù)由0.5增長(zhǎng)至1.5時(shí)，煤幫圍巖的塑性區(qū)深度，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。側(cè)壓力系數(shù)增大至2.0時(shí)，塑性區(qū)深度又逐漸擴(kuò)大，說(shuō)明巷道圍巖在側(cè)壓力系數(shù)為1.5，處于最為穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。含弱層煤幫圍巖在側(cè)壓力系數(shù)由0.5變化到1.0時(shí)，塑性區(qū)深度亦呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說(shuō)明過(guò)小的側(cè)壓力系數(shù)不利于圍巖的穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)提高側(cè)壓力系數(shù)有利于圍巖穩(wěn)定。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)介于1.0～2.0時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)及弱層厚度增大，圍巖塑性區(qū)深度也會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。

3.2.3 含弱層巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

為進(jìn)一步研究弱層對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)束時(shí)41個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別作了統(tǒng)計(jì)，選取側(cè)壓力系數(shù)為1.5的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)束時(shí)含弱層巷道圍巖應(yīng)力變化曲線如圖9。

圖9 含弱層巷道煤幫圍巖應(yīng)力曲線圖Fig.9 Stress curves of surrounding rocks

圖9（a）中，當(dāng)煤幫圍巖深度為0～1 m時(shí)，水平應(yīng)力呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì)，主要原因是在此范圍內(nèi)煤壁主要發(fā)生了張拉破壞，導(dǎo)致應(yīng)力傳遞路徑發(fā)生改變。隨著煤幫圍巖深度的增加，水平應(yīng)力逐漸上升，當(dāng)煤幫圍巖超過(guò)10 m后（進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)），水平應(yīng)力增加放緩并逐漸趨于穩(wěn)定。將無(wú)弱層情況與含弱層情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)含0.1、0.2、0.3 m弱層時(shí)煤幫圍巖水平應(yīng)力值分別在距煤壁5.00、5.50、5.75 m處，產(chǎn)生最大水平應(yīng)力差值，分別為7.35、9.65、10.38 MPa。產(chǎn)生最大應(yīng)力差值處，與圍巖塑性區(qū)深度幾乎一致（可參照?qǐng)D7）。說(shuō)明弱層的黏彈性質(zhì)導(dǎo)致煤幫圍巖中的水平應(yīng)力傳遞發(fā)生變化，當(dāng)這種變化趨勢(shì)達(dá)到最大時(shí)，煤幫圍巖隨著產(chǎn)生剪切破壞。

在圖9（b）中，當(dāng)煤幫圍巖深度為0～1 m時(shí)，垂直應(yīng)力亦呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的趨勢(shì)，主要原因和圖9（a）種水平應(yīng)力變化的原因一致。隨著煤幫圍巖深度的增加，垂直應(yīng)力逐漸升高，并出現(xiàn)峰值，但在峰值之后隨著煤幫圍巖深度的增加垂直應(yīng)力逐漸下降。此外，隨著弱層厚度的增加，峰值點(diǎn)不斷向圍巖深處偏移。這說(shuō)明，隨弱層厚度增大，圍巖塑性區(qū)深度也在不斷增加。在峰后階段弱層越厚，垂直應(yīng)力得到小幅度提升，表明弱層促進(jìn)了頂板向煤幫圍巖的應(yīng)力傳遞。弱層厚度的增加導(dǎo)致煤幫圍巖內(nèi)水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力差值不斷擴(kuò)大，最終促使煤幫圍巖發(fā)生塑性破壞，并且使得煤幫圍巖塑性區(qū)深度不斷增大。

4 結(jié)論

1）含弱層煤礦巷道開(kāi)挖完成后，圍巖自身經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力變化和調(diào)整過(guò)程，而弱層會(huì)進(jìn)一步改變圍巖中應(yīng)力傳遞路徑，具體表現(xiàn)為減弱了圍巖深部向煤幫的應(yīng)力傳遞，促進(jìn)了頂板向煤幫的應(yīng)力傳遞，最終導(dǎo)致了煤幫圍巖產(chǎn)生剪切破壞。

2）圍巖臨界是決定圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。隨弱層厚度增長(zhǎng)，煤幫圍巖的臨界破壞深度隨之增大，導(dǎo)致煤幫圍巖剪切破壞范圍不斷擴(kuò)大，最終促使煤幫圍巖塑性區(qū)深度與水平滑移值進(jìn)一步擴(kuò)大(以λ=1.5為例，3類(lèi)含弱層圍巖塑性區(qū)深度與無(wú)弱層情況相比分別增加了40.0%、53.3%、60.0%。圍巖水平滑移值相比無(wú)弱層時(shí)分別增加43.9%、68.2%、76.7%）。

3）側(cè)壓力系數(shù)對(duì)含弱層圍巖的穩(wěn)定性具有重要影響。隨側(cè)壓力系數(shù)增大，煤幫圍巖水平滑移值出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.0時(shí)，含弱層圍巖處于最為穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)介于1.0～2.0時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，煤巖體塑性區(qū)深度也會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。

4）煤礦巷道開(kāi)挖后受弱層及高地應(yīng)力的影響，煤幫圍巖塑性區(qū)分布范圍較大，且煤壁處變形嚴(yán)重，必須對(duì)兩幫圍巖進(jìn)行合理支護(hù)，才能保證巷道穩(wěn)定。