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142023 年第 9 期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）摘 要 以文家坝一矿 6 号煤层为背景，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。结果表明，地应力最大主应力水平且垂直巷道时，倾斜煤岩层内沿倾斜层面的应力诱导效应被增强，地应力分布对巷道变形控制不利，即增大巷道水平收敛变形，加剧底、顶板内水平应力集中。关键词 缓倾斜；地应力；巷道；变形中图分类号 TD322 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.005The Influence of Ground Stress Direction on the Deformation Characteristics of Roadway Surrounding Rock in Gently Inclined Coal SeamsLuo Gang(Guizhou Wenjiaba Mining Industry Co.,Ltd.,Guizhou Bijie 552100)Abstract:Taking the 6th coal seam of Wenjiaba No.1 Mine as the background,through theoretical analysis and numerical simulation,the influence and mechanism of the direction of geostress on the deformation characteristics of roadway surrounding rock in gently inclined coal layers at the maximum principal stress level are analyzed.The results show that when the maximum principal stress of geostress is horizontal and vertical to the roadway,the stress inductive effect along the inclined plane in the inclined coal rock layer is enhanced,and the distribution of geostress is unfavorable to the deformation control of the roadway,that is,increasing the horizontal convergence deformation of the roadway and exacerbating the horizontal stress concentration in the floor and roof.Key words:gently inclined;geostress;roadway;deformation收稿日期 2023-01-13作者简介 罗刚（1987），男，贵州织金人，2011 年毕业于西安科技大学地质与环境学院地质工程专业，本科，工程师，现在贵州文家坝矿业有限公司从事技术工作。罗 刚：缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响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 m40 m50 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152023 年第 9 期罗 刚：缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响应力边界（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。（a）倾角 15煤岩层巷道模型 （b）垂直工况水平应力布置图 （c）平行工况水平应力布置图图 1 数值模型及应力布置示意图表 1 顶底板岩层物理力学参数岩层名称密度/（kg/m3）体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/（）内聚力/MPa顶板粉砂岩25507.83.5356.0顶板中砂岩25504.72.4335.2煤层 1614000.560.4281.0底板细砂岩25505.02.5355.4底板黏土岩23002.81.7304.82 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。（a）垂直工况 （b）平行工况图 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。（a）垂直工况 （b）平行工况图 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162023 年第 9 期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）。（a）垂直工况 （b）平行工况图 4 巷道围岩水平向应力分布特征（a）垂直工况 （b）平行工况图 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。【参考文献】1 WANG,Q.,QIN,Q.,JIANG,B.,et al.Study and engineering application on the bolt-grouting（下转第 20 页）202023 年第 9 期reinforcement effect in underground engineering with fractured surrounding rockJ.Tunnelling and underground space technology,2019,84（Feb.）:237-247.2 马立强，余伊河，金志远，等.大倾角综放面预掘巷道群快速过断层技术 J.采矿与安全工程学报，2015，32（01）：84-89.成整体承载结构，充分发挥围岩自承能力，保证了巷道在服务期间围岩和支护结构较长时间内的稳定。图 5 巷道围岩变形观测趋势4 结论1）通过数值模拟分析，确定了消除顶板岩层离层的锚杆最小预紧力为 6 t，同时结合巷道拉应力及水平剪应力分布云图，得出顶板最大破坏深度为1.7 m，两帮最大破坏深度为 1.3 m，并最终选择锚杆长度为 2.4 m。2）基于围岩弹性支护理论和现场经验，确定了软、中硬和硬煤的临界弹性设计支护阻力和开采深度的关系，从而确定了巷道支护优化方式：高强高预紧力锚杆+钢带托盘+矿用笼型锚索。3）通过现场围岩观测得出，顶底板相对移近量最大变形量达到 103 mm，两帮相对移近量最大变形值为 77 mm，均在巷道允许变形范围之内，表明优化之后的支护方案能够有效抑制构造破碎带内巷道围岩的变形失稳，保证巷道在服务期间围岩和支护结构较长时间内的稳定。【参考文献】1 任硕，毕天富，李治国，等.复合顶板沿空巷道煤柱宽度优化及围岩控制技术研究J.煤炭工程，2022，54（11）：13-17.2 罗新旗，高小雷，王文才.基于自然平衡拱的巷道锚杆锚索支护参数优化与应用 J.煤炭技术，2022，41（11）：56-59.3 王福军，张永涛，陈文，等.采动影响巷道二次锚网支护技术研究J.煤炭技术，2022，41（10）：85-88.4 李冲，台连海.基于能量释放特征的强动压巷道高强柔性支护机理研究J.采矿与安全工程学报，2022，39（05）：930-939.5 孟庆彬，孔令辉，韩立军，等.深部软弱破碎复合顶板煤巷稳定控制技术 J.煤炭学报，2017，42（10）：2554-2564.（上接第 13 页）400 mm。应用实践期间进行矿压监测，巷道表面收敛变形很小，锚杆、锚索载荷稳定，工作性能较好，取得良好支护效果。【参考文献】1 靳学乾.邢东矿沿空掘巷非对称变形支护技术研究与应用 J.煤炭与化工，2021，44（06）：28-31.2 李生鑫，杜朝阳，翟春佳.特厚煤层综放工作面沿空巷道合理煤柱宽度与围岩控制J.煤矿安全，2018，49（05）：147-150.3 陈海俊.窄煤柱沿空掘巷围岩破坏特征及不对称支护控制技术 J.煤炭工程，2017，49（07）：48-51.4 李冬，石臻，宋春宇，等.综放沿空煤巷破坏机理及不对称支护控制J.煤矿安全，2017，48（06）：184-187+191.（上接第 16 页）3 LIANG,ZHENGZHAO,SONG,WENCHENG,LIU,WEITAO.Theoretical models for simulating the failure range and stability of inclined floor strata induced by mining and hydraulic pressureJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2020,132.DOI:10.1016/j.ijrmms.2020.104382.