萬(wàn) 峰，張洪清，周佩軍，郭 潔

（扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410）

巖床侵入煤系地層是1 種普遍存在的地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)煤層厚度、煤層變質(zhì)程度與開采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)等方面有重要的影響作用[1-5]。專家學(xué)者通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)[2-7]，地層的不連續(xù)性和強(qiáng)度差異性可控制侵入巖床在下部軟弱層與上部堅(jiān)硬層界面處的形成，且在水平方向易形成薄層狀巖床。巖床侵入一般從煤層頂部開始，且侵入巖床的厚度與煤層厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即侵入的厚度越大，煤層厚度變得越小。同時(shí)侵入的巖體相對(duì)煤層強(qiáng)度高，而與其接觸的煤層強(qiáng)度明顯降低，使得巷道支護(hù)問(wèn)題凸顯[6-9]。侵入巖床不但可形成厚而堅(jiān)硬的頂板，而且受侵入的煤層厚薄變異程度增加，使得煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力存在異?，F(xiàn)象，也加劇了煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生[10-14]。如Beamish[15]等對(duì)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害與巖床有關(guān)的地質(zhì)因素進(jìn)行研究，認(rèn)為地質(zhì)因素和區(qū)域巖漿活動(dòng)對(duì)煤與瓦斯突出災(zāi)害會(huì)產(chǎn)生重要的影響作用。舒龍勇等[16]研究了厚硬火成巖下保護(hù)層開采覆巖裂隙演化特征和地面鉆井發(fā)生噴水-瓦斯事故的原因，提出了厚硬火成巖下復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害的防治對(duì)策。劉玉田[17]研究了火成巖侵入對(duì)塔山礦巷道頂?shù)装迤茐囊?guī)律的影響，揭示了火成巖侵入后煤體物理力學(xué)性質(zhì)的弱化效應(yīng)。鄭書兵[18]總結(jié)了火成巖侵入影響的特厚破碎煤層全煤巷道的變形和破壞特征，提出了采用高強(qiáng)度高剛度的錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。郭東明等[19]針對(duì)火成巖侵蝕作用下巷道復(fù)合頂板的冒頂災(zāi)害，提出了“強(qiáng)頂、固幫”的支護(hù)對(duì)策。楊培舉等[20]從結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的角度研究了采場(chǎng)上覆巨厚堅(jiān)硬火成巖層對(duì)采場(chǎng)沖擊地壓與頂板大面積來(lái)壓的作用機(jī)理，提出了采用增加工作面推采速度與弱化頂板強(qiáng)度的措施防治沖擊地壓與大面積來(lái)壓等工程問(wèn)題。郭軍等[21]揭示了層狀侵入巖層對(duì)綜放采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及采場(chǎng)動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理，并提出了有效的預(yù)防措施。

綜上所述，巖床侵入對(duì)采場(chǎng)或巷道影響研究多集中于瓦斯、沖擊地壓與頂板等災(zāi)害，而對(duì)巖床侵入下的巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)的改變研究相對(duì)缺乏。為此，通過(guò)合理簡(jiǎn)化水平巖床侵入條件下的地質(zhì)模型，數(shù)值模擬研究巖床侵入條件下巷道圍巖應(yīng)力、變形與塑性區(qū)的分布規(guī)律以及回采過(guò)程中工作面超前支承壓力的分布特征，從而揭示巖床侵入對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)影響作用。

1 巖床侵入?yún)^(qū)原巖應(yīng)力特征理論分析

巖床侵入形式具有多樣性，其中1 種為順煤層頂部侵入后形成了厚度變化的層狀堅(jiān)硬巖床，不僅在煤層開采過(guò)程中形成了堅(jiān)硬頂板，還使得煤層賦存特征發(fā)生顯著變化，具體表現(xiàn)為煤層厚度與物理力學(xué)性質(zhì)的改變。水平巖床侵入示意圖如圖1。

圖1 水平巖床侵入示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal bedrock intrusion

建立未受采掘影響的力學(xué)簡(jiǎn)化模型，模型中的煤巖體可認(rèn)為處于彈性狀態(tài)，巖床侵入?yún)^(qū)域的彈性模量可用煤體和巖體2 個(gè)彈性模量串聯(lián)成1 個(gè)等效的彈性模量進(jìn)行表示，力學(xué)模型示意圖如圖2。

圖2 力學(xué)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical model

基于Voigt 的煤體與巖體串聯(lián)等效彈性模量E 滿足式（1）關(guān)系[22-23]：

式中：E1為巖體的彈性模量；E2為煤體彈性模量；n1、n2分別為巖體與煤體的體積分?jǐn)?shù)；H1、H2分別為巖體和煤體的厚度。

若在外載荷作用下，純煤層與煤巖組合層產(chǎn)生了相同的微小線應(yīng)變?chǔ)牛鶕?jù)胡克定律可得：

應(yīng)力集中系數(shù)三維曲面圖如圖3，可知，巖床侵入后的應(yīng)力集中系數(shù)隨著煤巖彈性模量比值的減小而不斷增大，可理解為當(dāng)煤體彈性模量一定時(shí)，巖體的彈性模量越大，巖床侵入?yún)^(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)越高；應(yīng)力集中系數(shù)還隨著侵入巖床厚度的增大而不斷增大。

圖3 應(yīng)力集中系數(shù)曲線圖Fig.3 Stress concentration factor graph

2 巖床侵入對(duì)巷道影響的模擬分析

2.1 數(shù)值模型

主要考慮巖床侵入后形成的堅(jiān)硬頂板以及煤層厚薄變化對(duì)巷道圍巖的力學(xué)作用影響，為此將巖床侵入地質(zhì)模型簡(jiǎn)化。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[24]，建立巖層侵入的巷道圍巖數(shù)值模型，該模型分別由直接頂、基本頂、巖床侵入、煤層、巷道、直接底與基本底組成。根據(jù)實(shí)踐表明，巖床侵入通常只是侵入煤系地層，而堅(jiān)硬巖層基本不會(huì)被侵入，如砂巖、礫巖等，為此將巖床侵入模型簡(jiǎn)化，即侵入煤層的巖床物理力學(xué)性質(zhì)與直接頂相一致，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型前后左右4 個(gè)側(cè)面為法向位移約束，底面固定，頂端施加豎向應(yīng)力20 MPa，利用摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行開挖計(jì)算，獲得巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)與塑性區(qū)分布規(guī)律，分析巖層侵入對(duì)巷道的影響作用。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分析

應(yīng)力分布云圖如圖4。

圖4 應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution diagrams

由圖4（a）可知，在巷道兩側(cè)均存在垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象，距右?guī)退骄嚯x3 m 左右?guī)r床侵入位置的垂直應(yīng)力集中程度最高，是巷道左側(cè)圍巖最大垂直應(yīng)力的1.2 倍；由圖4（b）可知，距巷道兩幫水平距離大于3 m 區(qū)域的兩側(cè)圍巖存在水平應(yīng)力升高區(qū)，但巷道右側(cè)圍巖的水平應(yīng)力升高區(qū)較左側(cè)的范圍大；由圖4（c）可知，巷道上方基本頂主要受拉應(yīng)力作用，距巷道兩幫水平距離大于3 m 區(qū)域的兩側(cè)煤層最大主應(yīng)力產(chǎn)生了高度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其巷道的巖床侵入一側(cè)的最大主應(yīng)力是左側(cè)的1.1 倍左右，因此煤層易于發(fā)生受壓塑性屈服；由圖4（d）可知，距右?guī)退骄嚯x3 m 左右的巖床侵入位置的最大剪應(yīng)力集中程度最高，即存在最大剪應(yīng)力，巷道右側(cè)的煤層最大剪應(yīng)力是左側(cè)煤層的1.2 倍左右，巷道右側(cè)煤巖體更易發(fā)生剪切破壞。

通過(guò)上述的巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析可知，巖床侵入一側(cè)的巷道圍巖應(yīng)力集中程度顯著，對(duì)巷道的穩(wěn)定十分不利，應(yīng)向應(yīng)力集中的位置采取卸壓措施，同時(shí)還要加強(qiáng)支護(hù)。

2.3 巷道圍巖位移分析

巷道圍巖位移云圖如圖5。

圖5 巷道圍巖位移云圖Fig.5 Displacement diagrams of surrounding rock

從巷道圍巖水平位移角度來(lái)看（圖5（a）），巖床侵入一側(cè)的圍巖水平方向最大位移量是無(wú)巖床侵入的0.92 倍，巷道兩幫水平方向最大位移量相近；從巷道圍巖垂直位移角度來(lái)看（圖5（b）），巷道的頂板最大下沉量是底板鼓起量的3 倍左右，靠近右?guī)蛶r床侵入一側(cè)的巷道頂?shù)装逦灰屏颗c靠近左幫的相近。以上說(shuō)明巖床侵入并不會(huì)顯著影響巷道圍巖的位移規(guī)律，即對(duì)巷道圍巖位移影響有限。

2.4 巷道圍巖塑性區(qū)分析

FLAC3D中shear-n 與tension-n 分別表示現(xiàn)在的單元處于剪切塑性狀態(tài)與拉伸塑性狀態(tài)。巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖6，白色折線圈起來(lái)的區(qū)域代表目前受剪切作用下所產(chǎn)生的剪切塑性單元，拉伸塑性屈服單元距巷道較遠(yuǎn)，此處不做分析。通過(guò)巷道圍巖塑性區(qū)分布可知，受巖床侵入一側(cè)的巷道圍巖剪切塑性區(qū)較巷道左側(cè)圍巖的分布范圍更廣，可間接說(shuō)明巖床的侵入對(duì)巷道右側(cè)圍巖破壞比無(wú)侵入的破壞嚴(yán)重，這與井下事實(shí)相符合，如火成巖侵入的區(qū)域，圍巖中的煤體相對(duì)較為破碎。

圖6 巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone distribution of surrounding rock

3 巖床侵入對(duì)超前工作面支承壓力分布影響

工作面超前支承壓力分布特征如圖7。

圖7 工作面超前支承壓力分布特征Fig.7 Distribution characteristics of advance abutment pressure

通過(guò)圖7 可知，當(dāng)回采工作面距離巖床侵入50 m 時(shí)，工作面超前支承壓力分布規(guī)律基本不受影響；當(dāng)回采工作面距離巖床侵入30 m 時(shí)，工作面超前支承壓力分布也無(wú)明顯變化，但在巖層侵入的煤層厚度變化區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力微小波動(dòng)，說(shuō)明影響開始顯現(xiàn)；當(dāng)回采工作面距離巖床侵入10 m 時(shí)，受巖層侵入影響，超前工作面支承壓力峰后曲線下降較前2 種情況緩慢，下降過(guò)程應(yīng)力波動(dòng)加劇，說(shuō)明易于產(chǎn)生應(yīng)力突變，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)合理簡(jiǎn)化水平巖床侵入條件下的地質(zhì)模型，建立力學(xué)模型，理論分析了巖床侵入對(duì)原巖應(yīng)力分布的影響規(guī)律；數(shù)值模擬研究了巖床侵入條件下巷道圍巖應(yīng)力、變形與塑性區(qū)的分布規(guī)律以及回采過(guò)程中工作面超前支承壓力的分布特征。

1）應(yīng)力升高的程度不僅與煤巖層的彈性模量相關(guān)，還與巖體侵入的厚度有關(guān)。巖床侵入后的應(yīng)力集中系數(shù)隨著煤巖彈性模量比值的減小而不斷增大；應(yīng)力集中系數(shù)還隨著侵入巖床厚度的增大而不斷增大。

2）巖床侵入的巷道圍巖應(yīng)力集中程度顯著，容易使煤巖體發(fā)生壓剪破壞，導(dǎo)致巷道圍巖剪切塑性區(qū)分布范圍更廣，說(shuō)明巖床的侵入對(duì)圍巖破壞范圍影響較大，對(duì)巷道穩(wěn)定不利，但巖床侵入并不會(huì)顯著影響巷道圍巖的位移規(guī)律。

3）煤層回采過(guò)程中，隨著工作面不斷靠近巖床侵入?yún)^(qū)域，工作面超前支承壓力分布特征受巖床侵入影響程度逐漸加大，即應(yīng)力波動(dòng)逐漸顯現(xiàn)。尤其距離巖床侵入10 m 左右時(shí)，超前工作面支承壓力峰后曲線下降減慢，易于產(chǎn)生應(yīng)力波動(dòng)突變，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。