近年来, 随着煤炭开采深度的增加，地应力增大、围岩失稳等导致的岩爆、坍塌事故时有发生，严重影响煤炭企业的安全生产 ^{[ 1- 2]} 。岩体的失稳多从节理处开始，而节理属于岩体内部的缺陷构造，是一种具有低强度的不连续面 ^{[ 3]} 。沿空留巷技术是煤矿安全开采工艺的发展趋势之一 ^{[ 4- 5]} ，但岩体节理是制约其应用效果的主要因素。110工法作为沿空留巷技术的新成果已在多个矿区取得成功应用 ^{[ 6- 7]} ，对节理发育矿区的安全生产帮助极大。

目前，国内外学者从微观、宏观角度出发分析了岩体的稳定性，并取得了丰硕的成果。张振南等 ^{[ 8]} 通过岩体压实实验，研究了岩块变形模量与应力、应变的关系；李建林等 ^{[ 9]} 分析了卸荷岩体的尺寸效应，得出了岩体节理的非线性动力学特征；SAINOKI等 ^{[ 10- 11]} 建立了遍布节理模型，分析了不同开采影响因素下最大剪切位移的响应规律; 孙世杰等 ^{[ 12]} 构建了考虑节理强度的节理岩体力学模型，获得了节理岩体破碎程度对工作面稳定性的影响规律; 杨舒冰等 ^{[ 13]} 研究了切顶卸压的角度和位置对留巷顶板的运移影响，得出了锚索支护角度对留巷的影响; 杨光辉等 ^{[ 14]} 探讨了预制充填体的宽度对切顶卸压开采的支撑效果; 孙广建等 ^{[ 15]} 分析了高应力大松动圈巷道围岩破坏特征与失稳原因，探究了顶板软岩巷道力学变形机制; 许延春等 ^{[ 16]} 研究了工作面在回采过程中底板岩体视电阻率的变化特征，得出了切顶卸压能够有效减小底板破坏深度的结论; 王维维等 ^{[ 17]} 在东荣三矿进行切顶成巷试验，成功通过超前切顶实现了安全留巷。此外，赤平极射投影法、岩心非弹性应变恢复法、有限元及颗粒流数值模拟等方法也为岩体稳定性研究提供了技术支撑 ^{[ 18- 21]} 。

综上所述，针对岩体稳定性，前人的研究多是从单一尺度开展的。笔者基于神南矿区复杂的工程地质背景，采用电镜扫描实验、现场监测和物理模拟实验(DIC监测、应变监测)方法，对神南矿区110工法工作面上覆岩层岩体结构的稳定性进行多元化分析，获得更加全面、科学的采空区上覆岩体运动规律。

1.   矿区地质概况

神南煤矿位于陕西省神木市西北部，地处黄河支流窟野河流域，以风沙区和黄土丘陵沟壑区为主，整体地形较为平坦。矿区干旱少雨、蒸发量大，全年平均降雨量为436.6 mm，平均蒸发量为1 740.1 mm，属典型的中温带半干旱大陆性季风气候。

神南矿区地层由老至新依次如下：三叠系上统永坪组(T ₃y)，侏罗系中统延安组(J ₂y)、直罗组(J ₂z)，新近系上新统保德组(N ₂b)，第四系中更新统离石组(Q ₂l)，第四系上更新统萨拉乌苏组(Q ₃s)，第四系全新统风积沙(Q ₄ ^eol)和冲积层(Q ₄ ^al)。其中，侏罗系中统延安组(J ₂y)为矿区的主要含煤地层。该地层上部遭受了不同程度的剥蚀，主要由浅灰白色中细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩、灰—青灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成。

2.   砂岩微观结构特征分析

煤矿井下施工主要采用清水钻进。为了研究干湿条件下砂岩的软化机制，运用SEM电镜扫描技术对不同饱水时间的砂岩进行研究，从微观结构入手观察饱水过程中砂岩孔隙、裂隙形态等变化。统一取放大1 000倍的照片进行对比，如 图 1所示。

图  1  干湿循环作用下砂质页岩SEM照片

Figure  1.  SEM photos of sandy shale under dry-wet cycle

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由 图 1可以看出：

1) 天然状态下只有零星的孔隙及裂隙且范围小，黏粒组合呈薄层状结构，颗粒胶结完整，整体性好；断面上矿物颗粒清晰，结构致密光滑，棱角分明。岩体质量较高。

2) 第一次干湿循环后，裂隙明显发育，集合体周围胶结物被溶蚀，形成环状沟槽；紧密的薄层状结构转变为薄片状开裂，薄片之间裂隙众多；矿物颗粒间有很多细小孔隙，局部微裂纹发育，脱落颗粒明显增多；矿物颗粒逐渐趋于圆滑，部分颗粒突出于胶结物之外。岩体质量中等。

3) 第二次干湿循环后，粗颗粒与集合体联结的胶结成分基本丧失，松散地堆叠在一起，明显可见片状颗粒堆叠结构由原来的压实紧密状转变为呈一定程度的翻转状态；孔隙周围的微裂隙数量急剧增多，矿物颗粒基本无钙质胶结物包裹，大颗粒分解为小颗粒，可见较多脱落的颗粒；颗粒间的孔隙、裂隙发育明显，并逐渐汇集贯通，矿物发生明显崩解。岩体质量较差。

实验分析发现，干湿循环作用下砂岩微观结构特征变化明显，清水钻进时岩体内部节理裂隙发育，岩体强度变低，软化效果明显。

3.   物理模拟实验

3.1   模型应力加载方式

为分析在110工法的切顶卸压和高恒阻能量吸收锚索共同作用下的煤层沿空留巷效果，根据神南矿区煤层及岩层赋存地质条件，建立物理相似模型(相似比1∶40，模型尺寸1.6 m×0.4 m×1.6 m)，利用DIC位移监测技术和应变片对其进行监测。

在模型工作面顶板每隔40 cm铺设1层应变片，每层设置3个监测点，共布置4层应变监测线；在左侧巷道设置1条长10 cm、倾角60°的切线，在左侧巷道顶板布设27根高恒阻能量吸收锚索，各锚索间距4 cm。物理模型如 图 2(a)所示。实验期间，0~ < 300 min对模型加载0.1 MPa，模拟原岩的竖向应力；300~ < 450 min加载0.2 MPa，模拟330 m埋深的应力；450~ < 600 min加载0.3 MPa，模拟500 m埋深的应力；600~ < 750 min加载0.5 MPa，模拟830 m埋深的应力；750~900 min加载0.7 MPa，模拟1 200 m埋深的应力。竖向应力加载路径如 图 2(b)所示。

图  2  物理模型及竖向应力加载路径图

Figure  2.  Physical model and vertical stress loading path diagram

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3.2   监测数据分析

不同加压阶段采空区顶板竖向位移见 表 1。由 表 1可以看出，当加压值为0.7 MPa时，切线侧顶板最大位移仅18.82 mm，表明110工法工作面切线侧巷道支护成功。监测线距离采空区越近，其位移量越大。由于切线切断了巷道顶板与工作面顶板间力的传递，并且高恒阻能量吸收锚索对左侧巷道顶板的强力支护作用，因此巷道顶板位移呈现非对称分布，锚索控制区域的采空区顶板位移主要集中于切线侧和工作面中部区域。

表  1  采空区顶板竖向位移对比

Table  1.  Comparison of vertical displacement of goaf roof

竖向应力/MPa	切线侧顶板位移/mm	非切线侧顶板位移/mm	顶板最大位移/mm	裂隙发育情况
0.1	1.63	5.82	3.47	直接顶未发生明显变形
0.2	7.43	12.61	8.86	直接顶出现裂缝，基本顶无明显变化
0.3	8.13	19.23	21.46	直接顶断裂，基本顶出现裂缝
0.5	14.62	24.47	29.87	基本顶断裂，直接顶被填充
0.7	18.82	38.51	42.52	基本顶裂隙高度增高，形成裂隙带

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4.   数值模拟实验

物理模拟实验只研究了超载条件下110工法工作面的采空区覆岩位移规律。为了进一步研究在工作面推进过程中，110工法对采空区覆岩位移的影响，利用FLAC3D模拟技术构建了三维数值模型, 分析在10.0 MPa竖向应力作用下110工法工作面的采空区顶板位移规律。模型尺寸为100 m×20 m×30 m，工作面布置方式同物理相似模型，其地层岩性及力学参数见 表 2。

表  2  模型地层岩性及力学参数

Table  2.  Information of stratigraphic lithology and mechanical parameters of the model

岩层类别	厚度/m	密度/(kg·m -3)	体积模量/GPa	切变模量/GPa	抗拉强度/MPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/(°)
中粒砂岩	6	2 450	1.86	1.12	1.5	4.2	27
泥岩	12	1 875	1.21	0.92	1.0	5.5	22
粉砂岩	2	2 200	2.57	2.31	2.5	4.5	30
煤	4	1 450	0.79	0.71	1.5	4.2	25
粉砂岩	8	2 200	2.57	2.31	2.5	4.5	30

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当工作面推进超过50 m后，110工法工作面采空区覆岩的竖向位移( z方向)基本稳定，位移场云图如 图 3所示。

图  3  工作面推进50 m时采空区覆岩位移云图

Figure  3.  Cloud map of overlying rock displacement in goaf 50 m after the advancing of working face

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由 图 3可知：随着工作面推进，工作面采空区和右侧未支护巷道的顶板最大位移为0.462 m，支护巷道顶板的最大位移仅0.275 m。从上覆岩体 z方向位移场来看，采用高恒阻能量吸收锚索支护的巷道上覆岩体顶板位移较小且集中，周围岩体变形小且趋于稳定；在右侧未支护的巷道顶板工作区域内，顶板位移约为左侧支护区域位移的1.7倍。经过高恒阻能量吸收锚索支护，巷道周围岩体整体性较好。由于巷道开挖，顶板处出现应力集中现象，损伤裂隙在顶板处萌生，开挖工作面的上覆岩体内部层间的裂隙逐渐增多，上覆岩体损伤扩展并相互融合，最终形成开挖损伤区。

5.   结束语

1) 由扫描电镜实验得出，神南矿区含煤地层的岩体内部节理裂隙发育程度较高，岩体的质量级别为差和中等。在干湿循环作用下，砂岩整体强度变低，软化效果明显。进行第二次干湿循环后，岩体内颗粒间的孔隙、裂隙发育明显，并逐渐汇集贯通，岩体发生明显崩解。

2) 110工法不同于传统采煤工法，切线的存在切断了巷道顶板与工作面顶板间力的传递，降低了回采动压对巷道围岩的影响程度。工作面回采后，顶板沿预裂位置垮落，利用矸石的碎胀特性进行采空区充填，随后通过高恒阻能量吸收锚索对巷道围岩进行支护。其中，当竖向加压0.7 MPa(模拟现场28.0 MPa)时巷道顶板竖向位移最大约为42.52 mm，证明了110工法在千米级埋深的煤层开采中具有良好的沿空留巷效果。

3) 由物理模型实验和数值模拟结果可知：高恒阻能量吸收锚索支护下的巷道顶板位移小于非切线侧位移，完全开挖时采空区和未支护巷道顶板的最大位移为0.462 m，支护巷道顶板的最大位移为0.275 m。110工法下的上覆岩体位移沉降由大到小依次为采空区中部区域、切线侧区域、非切线侧区域。