工作面开切眼掘进过程中的端头效应及稳定性分析

李 兴

（同煤集团 东周窑煤矿技术部，山西 大同 037100）

本文以某大型矿井长壁工作面开切眼工程条件为背景，通过理论分析和数值计算相结合的方式，研究工作面开切眼中掘进头附近围岩的应力动态分布，阐述开切眼过程中围岩的稳定性状况和失稳机理。

1 矿井工程背景

某矿井属于山西省内沁水煤田，主采3 号煤层位于二叠系山西组下部，为上煤组，厚5.00～7.25 m，平均5.99 m，煤层稳定，顶板一般为泥岩、粉砂质泥岩，底板为黑色泥岩、粉砂岩，老底为中细粒砂岩。夹矸0～3 层，平均1 层，厚0.27 m，属结构简单至较简单煤层。3 号煤层主要含水层为二叠系下统山西组3 号煤顶板砂岩裂隙含水层组(Ⅳ～Ⅶ)、本含水层组为碎屑岩裂隙含水层组，包括K7(Ⅵ)、3 号煤层顶板(Ⅶ)及K8 砂岩裂隙含水层，厚4.47～34.31 m，平均22.23 m，岩性以中、细粒砂岩为主，该含水层是3 号煤层直接充水含水层。根据抽水试验及邻矿排水资料，该含水层富水性弱。

2 数值计算模型的建立

分析工作面开切眼过程中掘进头附近围岩的应力动态演化过程，利用国际上传统的大型岩土数值计算软件，据其建模原则和工程实际，建立了长度50 m、宽度50 m、高度58 m 模型，见图1。从图看出岩层分布，蓝色层为3 号煤层，中间绿色为先开挖部分，红色为后开挖部分[2-5]。模型划分103 800 个单元，设置110 415 个节点。模型除上边界外的5 个边界面的法向位移固定，上边界施加均布压力6.63 MPa，并且施加重力场。岩层厚度及力学参数如表1 所示。计算过程中首先平衡重力场，随后开挖开切眼部分。

图1 模型图及网格划分

表1 岩层厚度及力学参数

3 端头效应的影响性分析

为了直观、立体地分析端头效应的影响性，绘制了不同掘进长度下围岩的应力场和开挖完成后围岩的位移场。

图2 初始铅垂应力场

图3 开挖2.4 m 和40.8 m 后铅垂应力云图

图2 是初始平衡后的铅垂应力场分布情况。从图2看出，铅垂应力在同一个水平高度上是相同的，符合静水应力场的分布特征，模型中最大铅垂应力约为14MPa。

从图3 看出，2.4 m 开挖时铅垂应力在开切眼中分布没有规律、没有稳定区域，证明端头效应的影响范围远大于2.4 m。开挖程度达到40.8 m 后，除了端头8 m 左右范围内围岩端头效应较明显外，后面远离掘进头的巷道围岩应力场区域稳定，证明端头效应影响范围在8 m左右。从两图的应力场整体分布来看，在巷道附近，顶底板都形成较大的卸压区域，在掘进头前方大约3 m 处形成了应力集中区域，在巷道两帮大约1.3 m 处也形成了应力集中区域，除端头外应力场的整体分布都与单巷平面应变解析解一致。

图4 开挖完成后铅垂应力等值线图

图5 开挖完成后铅垂位移等值线图

从图4 看出，巷道顶底板形成了较大的卸压区域，在帮部附近形成了压酥带。在两帮附近(对应图3 的深蓝色区域)形成了应力升高区。最大铅垂压应力为21 MPa。

由图5 可知，在开切眼完成后，巷道里面顶板发生下沉，巷道底板也发生轻微的底鼓。

4 结束语

本文利用大型岩土数值计算软件，分析了长壁工作面开切眼过程中巷道围岩的应力场和位移场分布特征，探讨了开切眼巷道的稳定性状况，得到以下结论：

1）巷道断面掘进过程中存在着端头效应，端头效应的影响区域大约在距掘进头后8 m 范围内，强烈影响区域约在距掘进头后2.5 m 范围内。

2）开挖完成后，开切眼巷道帮部的铅垂应力分布规律为：从巷道表面向围岩深部由小到大，再由大到小过渡到原岩应力状态。

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