孟二民，李慶林，高 鴻

(山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046300)

工作面斜長(zhǎng)發(fā)生改變(增長(zhǎng)或縮短)的“刀把式”回采工作面[1-2]在許多煤礦出現(xiàn)。針對(duì)不規(guī)則的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及開采技術(shù)，我國(guó)有大量學(xué)者做了相關(guān)研究與理論工作[3-7]。高明中等[2]對(duì)采場(chǎng)覆巖的破壞特征及支承壓力的分布狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究得出，不等長(zhǎng)工作面推進(jìn)過(guò)程中巖層運(yùn)移極不規(guī)則，推進(jìn)距離在銜接面前后20～30 m的范圍內(nèi)，應(yīng)力的力波動(dòng)較大，數(shù)值變化明顯;回采期間支承壓力對(duì)覆巖活力產(chǎn)生了重要影響，其大小約為水平應(yīng)力的1.5～2倍。本文主要針對(duì)淺埋深不規(guī)則變長(zhǎng)工作面采場(chǎng)應(yīng)力分布特征及外切眼圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行分析，提供控制頂板控制方案。

1 工程背景

溫莊煤業(yè)主采煤層為15號(hào)煤，煤層埋深平均250 m，煤層厚度3.08～4.91 m，平均厚度4.45 m。煤層傾角1～ 10°，平均傾角5°，為近水平煤層。15號(hào)煤層頂板多細(xì)粒砂巖，局部為泥巖，全井田穩(wěn)定連續(xù)性較好。直接頂為泥巖，均厚6.41 m;直接底為粉砂巖，均厚2.56 m。15202工作面為典型的變長(zhǎng)工作面，工作面原切眼長(zhǎng)度182 m，外擴(kuò)切眼長(zhǎng)度62 m，切眼寬度7.5 m，運(yùn)輸巷寬度5 m。15202工作面斜長(zhǎng)由182 m逐漸過(guò)渡到249 m,屬于由小變大的變長(zhǎng)工作面，15202工作面采掘平面見圖1。

2 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

本次模擬以溫莊煤業(yè)15202變長(zhǎng)工作面為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)資料和巖石力學(xué)參數(shù)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)。模型總計(jì)分80×60×20個(gè)單元格，模型尺寸為250 m×200 m×65 m。模型四側(cè)和底部均為位移約束邊界，且根據(jù)具體約束條件固定各邊界的水平方向位移或垂直方向位移，頂部考慮巖層運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，定義為自由邊界，水平方向和豎直方向位移不予約束，模型以上的巖層重量以均布載荷的形式代替，模型頂部垂直施5.35 MPa的巖層載荷。工作面斜長(zhǎng)由180 m逐漸過(guò)渡到240 m，運(yùn)輸巷寬度5 m，外切眼寬8 m，斜長(zhǎng)由小變大沿走向推進(jìn)如圖2所示。

圖1 15202工作面采掘平面示意

圖2 變長(zhǎng)工作面平面模型(m)

2.2 模型參數(shù)及破壞準(zhǔn)則

根據(jù)巖石的物理力學(xué)特征模型從上至下共分7層，如圖3所示。數(shù)值模擬巖石力學(xué)的具體參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

表1 模型各層的巖石物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則來(lái)判斷巖石的破壞,不考慮塑性流動(dòng)及剪脹效應(yīng)。其表達(dá)為：

式中：σ3、σ1分別為最大和最小主應(yīng)力;c、φ分別為巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 模擬結(jié)果分析

變長(zhǎng)工作面采場(chǎng)由于其面長(zhǎng)遞變的特殊性和復(fù)雜性，上覆巖層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同于正規(guī)采場(chǎng)頂板的獨(dú)特空間疊賦特征。通過(guò)研究變長(zhǎng)工作面采場(chǎng)頂板力學(xué)演化特征，提供合理的對(duì)接措施及技術(shù)方案。

3.1 變長(zhǎng)工作面采場(chǎng)力學(xué)效應(yīng)

變長(zhǎng)工作面推進(jìn)距離在銜接面前后各20～30 m的范圍內(nèi)，應(yīng)力波動(dòng)較大，數(shù)值變化明顯[2]屬于異常變采區(qū)。15202工作面回采至距離外切眼15～20 m時(shí)，采場(chǎng)應(yīng)力分布特征如圖4～圖6所示。

圖4 對(duì)接區(qū)域剪應(yīng)力分布特征

圖5 對(duì)接區(qū)域垂直應(yīng)力分特征

工作面推進(jìn)距銜接面20 m范圍時(shí)，煤層開采進(jìn)入了過(guò)渡階段，在銜接面接替的15202運(yùn)輸巷(運(yùn)順)內(nèi)頂板來(lái)壓異常增大，覆巖活動(dòng)頻繁，巷道圍巖較難控制。由圖4看出，工作面推進(jìn)距切眼20 m時(shí)，在外切眼靠近運(yùn)順端部出現(xiàn)應(yīng)力集中，煤壁發(fā)生剪切破壞，工作面若繼續(xù)推進(jìn)至距切眼15 m時(shí)，工作面上隅角，切眼端角(運(yùn)順端兩角)發(fā)生應(yīng)力集中，頂板壓力劇烈；由圖5可知，在煤壁及圍巖出現(xiàn)了應(yīng)力分布差異區(qū)，工作面和煤壁出現(xiàn)了應(yīng)力集中與升高區(qū)域，若繼續(xù)推進(jìn)距15 m時(shí)，煤壁及工作面垂直應(yīng)力集中加劇，工作面及切眼頂板來(lái)壓增大，應(yīng)力峰值由17.2 MPa到19.4 MPa；分析圖6可知，工作面推進(jìn)距切眼20 m時(shí)，切眼從端部開始發(fā)生剪切破壞，隨著工作面推進(jìn)15 m時(shí)，塑性破壞區(qū)逐漸向外擴(kuò)展，塑性區(qū)域變大，破壞加深。在30 m內(nèi)的影響范圍切眼應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，垂直應(yīng)力波動(dòng)較大，數(shù)值起伏變化較大，頂板需要加強(qiáng)支護(hù)。

圖6 對(duì)接區(qū)域塑性區(qū)擴(kuò)展特征

3.2 外切眼及運(yùn)輸巷應(yīng)力分布特征

由圖7～圖9看出，工作面推進(jìn)距離外切眼20 m時(shí)，運(yùn)順直接頂頂板板應(yīng)力峰值由大變小(工作面推進(jìn)方向),在走向120 m時(shí)(工作面距切眼28 m)應(yīng)力為最低值，距離切眼越近，應(yīng)力值波動(dòng)幅度越大，最大值為2.3 MPa。若工作面繼續(xù)推進(jìn)至距切眼15 m時(shí)，應(yīng)力峰值增大至2.4 MPa，且頂板應(yīng)力值變化較大。工作面推進(jìn)距離外切眼20 m 時(shí)，外切眼頂板應(yīng)力值總體變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，應(yīng)力峰值為2.2 MPa，應(yīng)力值在切眼距運(yùn)順30 m外較為穩(wěn)定，保持在1.25 MPa以下。若工作面繼續(xù)推進(jìn)頂板應(yīng)力值總體變化趨勢(shì)不變，應(yīng)力峰值增大至2.8 MPa，切眼距運(yùn)順30 m外應(yīng)力值穩(wěn)定在1.8 MPa，利于頂板管理。

圖7 運(yùn)輸巷垂直應(yīng)力分布

圖8 外切眼垂直應(yīng)力分布

圖9 頂板垂直應(yīng)力曲線

4 工程驗(yàn)證

生產(chǎn)過(guò)程中，依據(jù)模擬設(shè)計(jì)外切眼支架的支護(hù)距離為30 m，總共20架，每架間距1.5 m， 為了保證變長(zhǎng)工作面的順利推進(jìn)，同時(shí)保證外切眼的圍巖得到穩(wěn)定控制，對(duì)支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工作面與銜接面的距離(與外切眼對(duì)接)為x軸、支架加權(quán)平均工作阻力為y軸，得到工作面距銜接面與液壓支架前后柱支護(hù)壓力的變化曲線。以切眼距運(yùn)順的遠(yuǎn)近命名為1～20號(hào)支架。

因?yàn)樽冮L(zhǎng)工作面的異常變采區(qū)應(yīng)力波動(dòng)明顯，頂板來(lái)壓步距有所減小，來(lái)壓強(qiáng)度増加，對(duì)支架沖擊作用的施載力度增強(qiáng)。圖10只分析了在距銜接面20 m前后的范圍，依據(jù)上圖分析，在工作面推進(jìn)到銜接面后，頂板對(duì)支架的壓力有所增大，切眼端部變化最劇烈，因?yàn)?號(hào)支架從頂板端部變?yōu)榱隧敯逯胁?，平均?lái)壓由21.73～30.7 MPa，而20號(hào)支架受到頂板來(lái)壓平均變化幅度較小，說(shuō)明對(duì)接過(guò)程中對(duì)切眼頂板的影響范圍在30 m以內(nèi)較為明顯。

圖10 切眼支架受力曲線

此工作面支架的額定工作阻力大約40 MPa，中部支架平均阻力為30.7 MPa，說(shuō)明支架的支護(hù)強(qiáng)度仍有富余，運(yùn)行良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 工作面推進(jìn)距外切眼15 m時(shí)，煤壁及工作面垂直應(yīng)力集中加劇，工作面及切眼頂板來(lái)壓增大，應(yīng)力峰值由17.2 MPa到19.4 MPa，應(yīng)力波動(dòng)較大，不利于切眼頂板控制，工作面推進(jìn)距離外切眼20 m時(shí)進(jìn)行切眼頂板控制較為合適。

2) 在工作面推進(jìn)距離外切眼20 m，切眼頂板應(yīng)力波動(dòng)影響范圍在30 m以內(nèi)，最大垂直應(yīng)力為2.2 MPa，切眼頂板至少支護(hù)30 m距離。

3) 證明外切眼30 m的支護(hù)距離足夠滿足變長(zhǎng)工作面的對(duì)接，支架最大平均支護(hù)阻力30.7 MPa，支架支護(hù)強(qiáng)度有富余，運(yùn)行狀態(tài)較好。