李 興

（同煤集團(tuán) 東周窯煤礦技術(shù)部，山西 大同 037100）

本文以某大型礦井長(zhǎng)壁工作面開切眼工程條件為背景，通過理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式，研究工作面開切眼中掘進(jìn)頭附近圍巖的應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布，闡述開切眼過程中圍巖的穩(wěn)定性狀況和失穩(wěn)機(jī)理。

1 礦井工程背景

某礦井屬于山西省內(nèi)沁水煤田，主采3 號(hào)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(wěn)定，頂板一般為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細(xì)粒砂巖。夾矸0～3 層，平均1 層，厚0.27 m，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單煤層。3 號(hào)煤層主要含水層為二疊系下統(tǒng)山西組3 號(hào)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(hào)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(xì)粒砂巖為主，該含水層是3 號(hào)煤層直接充水含水層。根據(jù)抽水試驗(yàn)及鄰礦排水資料，該含水層富水性弱。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

分析工作面開切眼過程中掘進(jìn)頭附近圍巖的應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化過程，利用國(guó)際上傳統(tǒng)的大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件，據(jù)其建模原則和工程實(shí)際，建立了長(zhǎng)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(lán)色層為3 號(hào)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(gè)單元，設(shè)置110 415 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型除上邊界外的5 個(gè)邊界面的法向位移固定，上邊界施加均布?jí)毫?.63 MPa，并且施加重力場(chǎng)。巖層厚度及力學(xué)參數(shù)如表1 所示。計(jì)算過程中首先平衡重力場(chǎng)，隨后開挖開切眼部分。

圖1 模型圖及網(wǎng)格劃分

表1 巖層厚度及力學(xué)參數(shù)

3 端頭效應(yīng)的影響性分析

為了直觀、立體地分析端頭效應(yīng)的影響性，繪制了不同掘進(jìn)長(zhǎng)度下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和開挖完成后圍巖的位移場(chǎng)。

圖2 初始鉛垂應(yīng)力場(chǎng)

圖3 開挖2.4 m 和40.8 m 后鉛垂應(yīng)力云圖

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

從圖3 看出，2.4 m 開挖時(shí)鉛垂應(yīng)力在開切眼中分布沒有規(guī)律、沒有穩(wěn)定區(qū)域，證明端頭效應(yīng)的影響范圍遠(yuǎn)大于2.4 m。開挖程度達(dá)到40.8 m 后，除了端頭8 m 左右范圍內(nèi)圍巖端頭效應(yīng)較明顯外，后面遠(yuǎn)離掘進(jìn)頭的巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域穩(wěn)定，證明端頭效應(yīng)影響范圍在8 m左右。從兩圖的應(yīng)力場(chǎng)整體分布來看，在巷道附近，頂?shù)装宥夹纬奢^大的卸壓區(qū)域，在掘進(jìn)頭前方大約3 m 處形成了應(yīng)力集中區(qū)域，在巷道兩幫大約1.3 m 處也形成了應(yīng)力集中區(qū)域，除端頭外應(yīng)力場(chǎng)的整體分布都與單巷平面應(yīng)變解析解一致。

圖4 開挖完成后鉛垂應(yīng)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?shù)装逍纬闪溯^大的卸壓區(qū)域，在幫部附近形成了壓酥帶。在兩幫附近(對(duì)應(yīng)圖3 的深藍(lán)色區(qū)域)形成了應(yīng)力升高區(qū)。最大鉛垂壓應(yīng)力為21 MPa。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件，分析了長(zhǎng)壁工作面開切眼過程中巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布特征，探討了開切眼巷道的穩(wěn)定性狀況，得到以下結(jié)論：

1）巷道斷面掘進(jìn)過程中存在著端頭效應(yīng)，端頭效應(yīng)的影響區(qū)域大約在距掘進(jìn)頭后8 m 范圍內(nèi)，強(qiáng)烈影響區(qū)域約在距掘進(jìn)頭后2.5 m 范圍內(nèi)。

2）開挖完成后，開切眼巷道幫部的鉛垂應(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力狀態(tài)。

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