工作面開切眼掘進過程中的端頭效應及穩定性分析

李 興

（同煤集團 東周窯煤礦技術部，山西 大同 037100）

本文以某大型礦井長壁工作面開切眼工程條件為背景，通過理論分析和數值計算相結合的方式，研究工作面開切眼中掘進頭附近圍巖的應力動態分布，闡述開切眼過程中圍巖的穩定性狀況和失穩機理。

1 礦井工程背景

某礦井屬于山西省內沁水煤田，主采3 號煤層位于二疊系山西組下部，為上煤組，厚5.00～7.25 m，平均5.99 m，煤層穩定，頂板一般為泥巖、粉砂質泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細粒砂巖。夾矸0～3 層，平均1 層，厚0.27 m，屬結構簡單至較簡單煤層。3 號煤層主要含水層為二疊系下統山西組3 號煤頂板砂巖裂隙含水層組(Ⅳ～Ⅶ)、本含水層組為碎屑巖裂隙含水層組，包括K7(Ⅵ)、3 號煤層頂板(Ⅶ)及K8 砂巖裂隙含水層，厚4.47～34.31 m，平均22.23 m，巖性以中、細粒砂巖為主，該含水層是3 號煤層直接充水含水層。根據抽水試驗及鄰礦排水資料，該含水層富水性弱。

2 數值計算模型的建立

分析工作面開切眼過程中掘進頭附近圍巖的應力動態演化過程，利用國際上傳統的大型巖土數值計算軟件，據其建模原則和工程實際，建立了長度50 m、寬度50 m、高度58 m 模型，見圖1。從圖看出巖層分布，藍色層為3 號煤層，中間綠色為先開挖部分，紅色為后開挖部分[2-5]。模型劃分103 800 個單元，設置110 415 個節點。模型除上邊界外的5 個邊界面的法向位移固定，上邊界施加均布壓力6.63 MPa，并且施加重力場。巖層厚度及力學參數如表1 所示。計算過程中首先平衡重力場，隨后開挖開切眼部分。

圖1 模型圖及網格劃分

表1 巖層厚度及力學參數

3 端頭效應的影響性分析

為了直觀、立體地分析端頭效應的影響性，繪制了不同掘進長度下圍巖的應力場和開挖完成后圍巖的位移場。

圖2 初始鉛垂應力場

圖3 開挖2.4 m 和40.8 m 后鉛垂應力云圖

圖2 是初始平衡后的鉛垂應力場分布情況。從圖2看出，鉛垂應力在同一個水平高度上是相同的，符合靜水應力場的分布特征，模型中最大鉛垂應力約為14MPa。

從圖3 看出，2.4 m 開挖時鉛垂應力在開切眼中分布沒有規律、沒有穩定區域，證明端頭效應的影響范圍遠大于2.4 m。開挖程度達到40.8 m 后，除了端頭8 m 左右范圍內圍巖端頭效應較明顯外，后面遠離掘進頭的巷道圍巖應力場區域穩定，證明端頭效應影響范圍在8 m左右。從兩圖的應力場整體分布來看，在巷道附近，頂底板都形成較大的卸壓區域，在掘進頭前方大約3 m 處形成了應力集中區域，在巷道兩幫大約1.3 m 處也形成了應力集中區域，除端頭外應力場的整體分布都與單巷平面應變解析解一致。

圖4 開挖完成后鉛垂應力等值線圖

圖5 開挖完成后鉛垂位移等值線圖

從圖4 看出，巷道頂底板形成了較大的卸壓區域，在幫部附近形成了壓酥帶。在兩幫附近(對應圖3 的深藍色區域)形成了應力升高區。最大鉛垂壓應力為21 MPa。

由圖5 可知，在開切眼完成后，巷道里面頂板發生下沉，巷道底板也發生輕微的底鼓。

4 結束語

本文利用大型巖土數值計算軟件，分析了長壁工作面開切眼過程中巷道圍巖的應力場和位移場分布特征，探討了開切眼巷道的穩定性狀況，得到以下結論：

1）巷道斷面掘進過程中存在著端頭效應，端頭效應的影響區域大約在距掘進頭后8 m 范圍內，強烈影響區域約在距掘進頭后2.5 m 范圍內。

2）開挖完成后，開切眼巷道幫部的鉛垂應力分布規律為：從巷道表面向圍巖深部由小到大，再由大到小過渡到原巖應力狀態。

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