近斷層深埋巷道掘進變形破壞規律

崔魏，崔峰，潘夏輝，張勃陽

（1.陜西陜煤陜北礦業有限公司 韓家灣煤炭公司，陜西 榆林 719100；2.陜西延長石油礦業有限責任公司 魏墻煤業公司，陜西 榆林 719100；3.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

隨著我國淺部煤炭資源開采枯竭，煤炭開采逐漸轉向深部，深部巷道掘進面臨的工程地質環境（高地應力、高水壓和不良地質構造帶等）變得復雜［1-3］。斷層作為一種常見的地質構造，往往存在一條由松散巖石、泥巖等充填物組成的破碎帶，致使其附近煤巖體應力分布不均，從而引起深部巷道變形過大或支護結構失效等問題，嚴重制約煤炭的開采效率［4-5］。

針對斷層附近巷道在掘進和工作面回采期間產生的變形破壞問題，國內外眾多學者開展了一系列研究。在巷道圍巖變形破壞特征方面，林海等［6］通過現場調研和數值模擬指出，斷層面剪切滑移破壞、圍巖松軟破碎、支護結構針對性差是造成大斷面巷道變形破壞的原因；陳建泉［7］對東歡坨礦2284工作面開切巷進行了錨桿受力狀況監測，得出DF38斷層影響下該開切巷的頂板破壞特征；王襄禹等［8］對紅嶺煤礦近斷層采動巷道掘進期間圍巖變形破壞機制進行了數值模擬與工程應用研究，指出斷層附近巖體易產生非對稱應力和大變形，并在一些關鍵部位發生剪切滑移破壞。在巷道支護技術方面，劉傳寶［9］通過分析孫疃煤礦礦井地質和礦壓實際資料，提出過大斷層的巷道最優支護技術方案和措施，探討了復雜地質情況下支護的客觀規律性；錢學森［10］利用FLAC2D分析了近斷層采動影響下巷道圍巖變形規律及其穩定性影響因素，提出高強錨網索支護技術；郝長勝等［11］利用FLAC3D分析了多斷層構造應力下回采巷道變形破壞特征，提出錨桿+金屬網+錨索+鋼筋梯子梁的聯合支護方案；蔣康前等［12］在總結劉莊煤礦穿斷層破碎帶軟巖巷道圍巖破壞特征的基礎上，提出巷道圍巖分步耦合支護技術方案，包括預留巷道圍巖變形量、初次錨網索噴耦合支護、滯后圍巖注漿加固以及幫角和底板錨注漿加固。

以上研究成果為近斷層巷道掘進與安全生產提供了保障。然而，由于深埋巷道地質環境復雜，且受斷層構造影響，其在開挖過程中表現出的變形破壞特征和淺部的明顯不同［13-15］。因此，以上針對近斷層淺埋巷道所做的研究無法為近斷層深埋巷道圍巖穩定控制提供有效指導。本文以窯街煤電集團有限公司海石灣煤礦一條深埋進風巷道為例，考慮其與斷層凈間距不斷變化，研究近斷層深埋巷道掘進過程中圍巖應力、位移、塑性區和剪應變的演化特征，在此基礎上，分析斷層傾角、破碎帶寬度和側壓力系數對巷道圍巖穩定性的影響，以期為近斷層深埋巷道安全開挖與支護結構設計提供數據支撐。

1 工程概況

海石灣煤礦主采煤層為煤二層，平均厚度21 m，底板埋深約930 m，側壓力系數1.5。其中，6223-2工作面進風巷斷面為4.5 m×3.0 m的矩形，掘進期間遭遇落差8 m、寬度3.6 m、傾角70°的F4-1逆斷層破碎帶，如圖1所示。該回風巷正常段采用錨網支護，穿越斷層段采用工字鋼架棚支護，巷道圍巖物理力學參數如表1所示。

圖1 6223-2工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan of 6223-2 working surface

2 數值模擬模型與方案設計

2.1 模擬模型建立

由圖1可知，隨著深埋進風巷向前掘進，其與F4-1逆斷層的間距逐漸減小，必然導致巷道圍巖變形破壞特征發生變化。為此，截取其中一段并采用FLAC3D建立巷道掘進數值模擬模型（圖2），該模型寬60 m、高33 m、厚4 m，包含253 299個節點和200 640個單元。模型邊界條件設置為底面法向約束、四周以及頂面應力約束。巖體本構關系采用應變軟化模型，內摩擦角始終保持不變，峰前內聚力值隨殘余階段塑性指數值增大線性減小至殘余內聚力值，具體如表1所示。巷道支護采用null單元模擬巷道掘進范圍內巖體；采用shell結構單元模擬工字鋼架棚支護，彈性模量和泊松比分別取212 GPa和0.2；深埋巷道與斷層破碎帶間的凈間距d設為15，9，5，2，0 m，并分別計算。

圖2 近斷層深埋巷道掘進數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of deep roadway excavation near a fault

表1 深埋巷道圍巖物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock of deep roadway

2.2 模擬方案設計

考慮到礦井工程地質條件十分復雜，巷道側壓力系數、斷層傾角和破碎帶寬度可能發生變化，為進一步研究斷層對深埋巷道變形破壞的影響，本文在實際工程基礎上，設計以下模擬方案：

（1）不同側壓力系數λ。保持其余參數不變，令λ分別為0.3，0.6，1.0，1.5，2.5。

（2）不同斷層傾角θ。保持其余參數不變，令θ分別為30°，60°，90°，120°，150°。

（3）不同破碎帶寬度b。保持其余參數不變，令b分別為0.9，1.8，3.6，7.2，14.4 m。

3 數值計算結果分析

3.1 近斷層深埋巷道掘進變形破壞規律

3.1.1 巷道圍巖應力變化規律

隨著近斷層深埋巷道向前掘進，深埋巷道與斷層間的凈間距不斷減小，其頂板與近斷層巷幫不同位置圍巖的最大與最小主應力差分布曲線如圖3所示。由于巷道圍巖應力卸載，導致近斷層深埋巷道高應力由淺部逐漸往深處轉移并不斷衰減；當圍巖最大與最小主應力差超過圍巖本身強度時，圍巖發生破壞，導致承載能力降低，圍巖最大與最小主應力差迅速下降。因此，巷道掘進后，由巷道表面向圍巖深處，圍巖最大與最小主應力差呈單峰型分布，即在淺部破壞區內隨著距巷道表面距離增大，圍巖最大與最小主應力差逐漸增大。當距巷道表面2～3 m時，圍巖最大與最小主應力差達到最大，之后隨著距巷道表面距離的增大，圍巖最大與最小主應力差逐漸恢復至原始應力水平。

圖3 巷道距斷層不同距離時圍巖的應力分布曲線Fig.3 Stress distribution curves of surrounding rock with different distances between roadway and fault

由圖3還可看出，隨著深埋巷道距斷層距離減小，巷道頂板與近斷層巷幫的圍巖最大與最小主應力差先增大后減小。d＝2 m時，巷道頂板與近斷層巷幫的應力集中系數達到最大，分別為3.37和3.02。原因在于，斷層巖體較為破碎，這對于巷道高應力向深部傳遞有一定阻隔作用，因此，當應力集中點位于斷層與巷道之間時，隨著斷層與巷道凈距減小，巷道圍巖附加應力將逐漸增大，進而其應力集中系數也隨之增大。當應力集中點位于斷層內部時，由于斷層巖體承載力較低，承受荷載有限，因此，最大應力集中系數反而隨斷層與巷道凈距的減小而減小。

對比近斷層深埋巷道頂板與近斷層巷幫圍巖應力可以發現，雖然巷道頂板圍巖應力集中系數普遍大于近斷層巷幫的，但從斷層與深埋巷道凈間距變化對圍巖應力變化幅度影響看，F4-1逆斷層對深埋巷道近斷層巷幫圍巖應力的影響明顯強于對頂板的影響，說明隨著巷道向前掘進，近斷層巷幫圍巖變形破壞特征變化也更加明顯。

3.1.2 巷道圍巖位移變化規律

當近斷層深埋巷道與斷層凈間距為0時，巷道圍巖豎直與水平位移云圖如圖4所示。由于斷層巖體性質較弱且易在斷層與巷道間產生附加應力，因此，深埋巷道在靠近斷層破碎帶時，巷道圍巖位移將出現明顯的不均勻分布現象。由圖4（a）可知，巷道圍巖最大沉降和隆起分別出現在巷道頂底板中心位置，約為180 mm和60 mm，可見，斷層對巷道頂板位移的影響要強于對底板的影響。此外，近斷層巷幫巖體豎直位移的減小速率要明顯小于遠離斷層巷幫的，因此，距巷道表面距離相同時，巷道近斷層巷幫圍巖的豎向位移要大于遠離斷層巷幫的。由圖4（b）可知，巷道兩幫圍巖最大水平位移均出現在巷道側墻中心位置處，由于斷層影響，巷道兩幫圍巖位移分布存在明顯差異，表現為近斷層巷幫圍巖的最大水平位移比遠離斷層巷幫的大100 mm，近斷層巷幫圍巖位移在20 mm以上的區域比遠離斷層巷幫大將近6.5 m。由此可見，斷層的存在將會顯著增大鄰近巷道頂板與近斷層巷幫圍巖的位移，為控制圍巖穩定，需對巷道靠近斷層一側的圍巖進行位移監測并加強支護。

圖4 深埋巷道靠近斷層時圍巖的位移分布云圖Fig.4 Cloud diagram of displacement distribution of deep roadway surrounding rock near a fault

巷道距斷層不同距離時圍巖的最大位移變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著深埋巷道與斷層凈間距減小，深埋巷道圍巖位移逐漸增大且增速越來越大。深埋巷道與斷層凈間距大于5 m時，隨著深埋巷道向斷層靠近，其圍巖位移變化并不明顯；深埋巷道與斷層凈間距小于5 m時，隨著巷道向斷層靠近，巷道圍巖位移呈指數式增大。由此可見，斷層對其附近5 m內的巷道圍巖變形有重要影響，對5 m外的深埋巷道圍巖變形影響較小。巷道與斷層凈間距為0時，巷道頂板、底板、近斷層巷幫、遠離斷層巷幫圍巖最大位移分別比無斷層影響下（巷道與斷層凈間距＞15 m）大84.7%，39.2%，169.7%，3.5%，說明隨著深埋巷道向前掘進，本工程條件下的斷層主要造成巷道頂板及近斷層巷幫圍巖位移的大幅增大，而對遠離斷層巷幫圍巖位移影響很小，可忽略不計。因此，在保證巷道安全且節約支護成本的條件下，在巷道與斷層凈距小于5 m時，應對巷道頂板和近斷層巷幫圍巖進行加固處理。

圖5 巷道距斷層不同距離時圍巖的最大位移變化曲線Fig.5 Maximum displacement curves of surrounding rock with different distances between roadway and fault

3.1.3 巷道圍巖塑性區變化規律

深埋巷道距斷層距離不同時，其圍巖塑性區分布如圖6所示。深埋巷道距斷層15 m時，巷道掘進后，圍巖塑性區破壞深度在頂板、底板、近斷層巷幫以及遠離斷層巷幫處分別為3.2，2.4，1.7，1.8 m。隨著巷道向斷層靠近，巷道圍巖塑性區破壞深度在頂板、底板以及近斷層巷幫逐漸增大，而在遠離斷層巷幫則有所減小，但增大以及減小的幅度都不大。對比巷道圍巖位移變化規律可知，在巷道圍巖塑性區變化不大的情況下，巷道圍巖位移變化明顯的原因可能為越靠近斷層，巷道圍巖在屈服區的破壞程度越嚴重，因此，需研究巷道周邊圍巖剪應變分布情況。

圖6 巷道距斷層不同距離時圍巖塑性區分布圖Fig.6 Plastic zone distribution diagram of surrounding rock with different distances between roadway and fault

3.1.4 巷道圍巖剪應變變化規律

深埋巷道與斷層間距發生變化時巷道圍巖剪應變分布如圖7所示。巷道距斷層15 m時，巷道掘進后，圍巖剪應變主要集中在頂底板由兩邊角向深部中心擴展交匯的“Λ”形破壞區域內，約為0.075；巷道兩幫圍巖剪應變值相對較小，約為0.018；巷道距斷層5 m時，巷道圍巖在近斷層巷幫剪應變值有所增大，也呈“Λ”形分布，而巷道頂底板以及遠離斷層巷幫巖體剪應變則變化不明顯；隨著巷道距斷層距離進一步減小，巷道巖體剪應變在底板以及遠離斷層巷幫變化不大，近斷層巷幫以及頂板逐漸向圍巖深處擴展，同時，塑性區域內的剪應變將逐漸增大至0.15，這也解釋了巷道近斷層巷幫以及頂板圍巖在塑性區內基本保持不變的情況下，位移呈指數式增大的原因。

圖7 深埋巷道距斷層距離不同時圍巖的剪應變分布圖Fig.7 Shear strain distribution diagram of surrounding rock with different distances between roadway and fault

3.1.5 巷道圍巖穩定控制對策與監測結果

由近斷層巷道圍巖開挖變形破壞分析結果可知，當巷道距斷層較近時，應對巷道頂板以及近斷層巷幫的巖體進行注漿和加強支護。實際工程巷道在開挖后先噴50 mm厚的混凝土并進行工字鋼棚支護；之后進行巷道內部滯后注漿，注漿材料采用高水材料；最后采用高強度預應力左旋螺紋鋼錨桿進行二次支護，其中錨桿直徑20 mm、排距800 mm，在近斷層巷幫、頂板以及遠離斷層巷幫分別布置4，6，3根。工程監測結果表明，采用上述支護方案后，開挖支護后巷道表面巖體位移很快趨于穩定，且兩幫以及頂底板移近量均能夠控制在100 mm內，保證了巷道斷面的使用要求。

3.2 側壓力系數對近斷層深埋巷道變形破壞影響

不同側壓力系數下近斷層深埋巷道收斂位移變化曲線如圖8所示。側壓力系數越大，巷道掘進卸載的水平應力值亦越大，這必然導致巷道圍巖最大與最小主應力差變化幅度隨之增大。因此，當巷道與斷層凈間距相同時，隨著側壓力系數增大，巷道頂底板以及兩幫的收斂位移將逐漸增大且增速變大，即巷道圍巖收斂位移大小與側壓力系數呈指數遞增關系。當側壓力系數分別為0.3，0.6，1.0，1.5，2.5時，隨著巷道掘進，巷道圍巖收斂位移發生明顯改變的位置節點分別為d＝2 m，d＝2 m，d＝5 m，d＝5 m和d＝9 m，說明側壓力系數越大，斷層對臨近巷道圍巖變形影響作用越明顯。對比巷道頂底板以及兩幫收斂位移大小可知，側壓力系數對巷道頂底板收斂位移的影響程度明顯強于兩幫的。因此，側壓力系數越大的近斷層深埋巷道越應重視對巷道頂底板圍巖的穩定控制。

圖8 不同側壓力系數下近斷層深埋巷道收斂位移變化曲線Fig.8 Convergent displacement curves of deep roadway near a fault with different lateral pressure coefficients

斷層與巷道凈間距為0時，不同側壓力系數下近斷層深埋巷道圍巖的塑性區分布如圖9所示。側壓力系數為0.3時，近斷層深埋巷道頂底板僅在兩邊角位置出現小范圍塑性區，破壞深度約為1.2 m，斷層內部近斷層巷幫出現大范圍塑性區且呈明顯的半“X”形分布，其破壞深度約達4.0 m；遠離斷層巷幫圍巖破壞寬度與巷道高度相當，約為1.8 m。隨著側壓力系數增大，巷道圍巖塑性區破壞深度在頂底板處逐漸增大，近斷層巷幫出現先減小后逐漸增大的變化規律，在遠離斷層巷幫基本保持不變。側壓力系數為2.5 m時，近斷層深埋巷道頂板、底板以及近斷層巷幫的塑性區破壞深度分別為6.4，3.8，6.1 m?？梢?，側壓力系數變化對近斷層深埋巷道頂板以及近斷層巷幫圍巖破壞特征影響極大。

圖9 不同側壓力系數下近斷層深埋巷道圍巖的塑性區分布Fig.9 Plastic zone distribution of surrounding rock in deep roadway near a fault with different lateral pressure coefficients

3.3 斷層傾角對近斷層深埋巷道變形破壞的影響

隨著巷道向前掘進，不同斷層傾角下深埋近斷層巷道收斂位移變化曲線如圖10所示。由于斷層傾角變化，巷道掘進后圍巖整體力學性質以及附加應力分布特征發生改變，導致巷道收斂位移發生變化。由圖10可知，斷層與巷道凈間距大于5 m時，斷層傾角變化對巷道圍巖收斂位移變化影響很小。斷層與巷道凈間距小于5 m時，隨著斷層傾角增大，巷道頂底板收斂位移呈現先減小后增大、再減小再增大的變化規律，兩幫收斂位移則出現先增大后減??；斷層傾角為90°時，巷道頂底板以及兩幫收斂位移均最大。當d＝0時，巷道兩幫以及頂底板收斂位移隨斷層傾角變化分別為300 mm和137 mm，說明巷道兩幫收斂位移隨斷層傾角變化比頂底板敏感得多。

圖10 不同斷層傾角下近斷層深埋巷道收斂位移曲線Fig.10 Convergent displacement curves of deep roadway near a fault with different fault dips

d＝0時，不同斷層傾角下近斷層深埋巷道圍巖的塑性區分布如圖11所示。隨著斷層傾角增大，斷層性質由逆斷層變為正斷層，導致巷道頂底板以及近斷層巷幫塑性區破壞范圍均呈現先減小后增大、再減小再增大的變化規律；遠離斷層巖體塑性區則變化不大。斷層傾角為90°時，深埋巷道頂板、底板以及近斷層巷幫圍巖塑性區破壞深度最大，分別達到6.4，4.5，3.6 m。

圖11 不同斷層傾角下近斷層深埋巷道圍巖塑性區分布圖Fig.11 Plastic zone distribution of surrounding rock in deep roadway near a fault with different fault dips

3.4 破碎帶寬度對近斷層深埋巷道變形破壞影響

隨著巷道不斷向前掘進，不同破碎帶寬度下近斷層深埋巷道收斂位移變化曲線如圖12所示。破碎帶寬度越大，斷層對高應力傳遞的阻隔作用越明顯，因此，當巷道距斷層較近時，隨著破碎帶寬度增加，深埋巷道頂底板以及兩幫的收斂位移逐漸增大。由圖12可知，巷道距斷層凈間距大于5 m時，巷道圍巖位移隨破碎帶寬度變化并不明顯，巷道距斷層凈間距小于5 m時，巷道圍巖頂底板以及兩幫收斂位移均與破碎帶寬度呈指數衰減關系，即破碎帶寬度達到7.2 m后，巷道圍巖位移隨破碎帶寬度增加的變化很小。對比巷道頂底板以及兩幫收斂位移的變化情況可知，破碎帶寬度對巷道頂底板收斂位移的影響程度與兩幫大體相當。

圖13為d＝0時不同破碎帶寬度下近斷層深埋巷道圍巖的塑性區分布。由圖13可以看出，隨著破碎帶寬度增加，巷道圍巖在頂底板以及兩幫的塑性區變化很小，僅在斷層與普通巖體交界處存在少許差別。不同破碎帶寬度下巷道圍巖收斂位移不一致，說明破碎帶寬度增加提高了巷道周邊塑性區圍巖的破壞程度。

圖13 不同破碎帶寬度下近斷層深埋巷道圍巖塑性區圖Fig.13 Plastic zone distribution of surrounding rock in deep roadway near a fault with different fault zone width

4 結 論

（1）深埋巷道與斷層凈間距大于5 m時，隨著巷道向斷層推近，巷道圍巖位移變化不明顯；深埋巷道與斷層凈間距小于5 m時，隨著巷道向斷層推近，巷道圍巖位移呈指數式增大。

（2）隨著深埋巷道向斷層推近，巷道圍巖塑性區破壞深度在頂板、底板以及兩幫變化很??；越靠近斷層，巷道頂板以及近斷層巷幫塑性區圍巖的剪應變越大。

（3）近斷層深埋巷道圍巖收斂位移大小與側壓力系數呈指數遞增關系；隨著側壓力系數增大，巷道圍巖塑性區破壞深度在頂底板位置逐漸增大，近斷層巷幫先減小后增大。

（4）斷層與巷道凈間距大于5 m時，斷層傾角變化對巷道圍巖收斂位移變化影響很??；斷層與巷道凈間距小于5 m時，巷道頂底板與底板收斂位移均在斷層傾角90°時達到最大。

（5）隨著破碎帶寬度增加，巷道圍巖塑性區變化很小，巷道圍巖頂底板以及兩幫收斂位移在巷道距斷層凈間距小于5 m時，與破碎帶寬度呈指數衰減關系。