孟二民，李庆林，高 鸿

(山西潞安温庄煤业有限责任公司，山西 长治 046300)

工作面斜长发生改变(增长或缩短)的“刀把式”回采工作面[1-2]在许多煤矿出现。针对不规则的矿压显现规律及开采技术，我国有大量学者做了相关研究与理论工作[3-7]。高明中等[2]对采场覆岩的破坏特征及支承压力的分布状态进行系统研究得出，不等长工作面推进过程中岩层运移极不规则，推进距离在衔接面前后20～30 m的范围内，应力的力波动较大，数值变化明显;回采期间支承压力对覆岩活力产生了重要影响，其大小约为水平应力的1.5～2倍。本文主要针对浅埋深不规则变长工作面采场应力分布特征及外切眼围岩应力分布进行分析，提供控制顶板控制方案。

1 工程背景

温庄煤业主采煤层为15号煤，煤层埋深平均250 m，煤层厚度3.08～4.91 m，平均厚度4.45 m。煤层倾角1～ 10°，平均倾角5°，为近水平煤层。15号煤层顶板多细粒砂岩，局部为泥岩，全井田稳定连续性较好。直接顶为泥岩，均厚6.41 m;直接底为粉砂岩，均厚2.56 m。15202工作面为典型的变长工作面，工作面原切眼长度182 m，外扩切眼长度62 m，切眼宽度7.5 m，运输巷宽度5 m。15202工作面斜长由182 m逐渐过渡到249 m,属于由小变大的变长工作面，15202工作面采掘平面见图1。

2 数值计算模型及参数设计

2.1 数值计算模型

本次模拟以温庄煤业15202变长工作面为工程背景，结合现场实际地质资料和岩石力学参数优化模型结构。模型总计分80×60×20个单元格，模型尺寸为250 m×200 m×65 m。模型四侧和底部均为位移约束边界，且根据具体约束条件固定各边界的水平方向位移或垂直方向位移，顶部考虑岩层运动的复杂性，定义为自由边界，水平方向和竖直方向位移不予约束，模型以上的岩层重量以均布载荷的形式代替，模型顶部垂直施5.35 MPa的岩层载荷。工作面斜长由180 m逐渐过渡到240 m，运输巷宽度5 m，外切眼宽8 m，斜长由小变大沿走向推进如图2所示。

图1 15202工作面采掘平面示意

图2 变长工作面平面模型(m)

2.2 模型参数及破坏准则

根据岩石的物理力学特征模型从上至下共分7层，如图3所示。数值模拟岩石力学的具体参数见表1。

图3 数值计算模型

表1 模型各层的岩石物理力学参数

数值模拟采用Mohr-Coulomb屈服准则来判断岩石的破坏,不考虑塑性流动及剪胀效应。其表达为：

式中：σ3、σ1分别为最大和最小主应力;c、φ分别为岩石的黏聚力和内摩擦角。

3 模拟结果分析

变长工作面采场由于其面长递变的特殊性和复杂性，上覆岩层结构呈现出不同于正规采场顶板的独特空间叠赋特征。通过研究变长工作面采场顶板力学演化特征，提供合理的对接措施及技术方案。

3.1 变长工作面采场力学效应

变长工作面推进距离在衔接面前后各20～30 m的范围内，应力波动较大，数值变化明显[2]属于异常变采区。15202工作面回采至距离外切眼15～20 m时，采场应力分布特征如图4～图6所示。

图4 对接区域剪应力分布特征

图5 对接区域垂直应力分特征

工作面推进距衔接面20 m范围时，煤层开采进入了过渡阶段，在衔接面接替的15202运输巷(运顺)内顶板来压异常增大，覆岩活动频繁，巷道围岩较难控制。由图4看出，工作面推进距切眼20 m时，在外切眼靠近运顺端部出现应力集中，煤壁发生剪切破坏，工作面若继续推进至距切眼15 m时，工作面上隅角，切眼端角(运顺端两角)发生应力集中，顶板压力剧烈；由图5可知，在煤壁及围岩出现了应力分布差异区，工作面和煤壁出现了应力集中与升高区域，若继续推进距15 m时，煤壁及工作面垂直应力集中加剧，工作面及切眼顶板来压增大，应力峰值由17.2 MPa到19.4 MPa；分析图6可知，工作面推进距切眼20 m时，切眼从端部开始发生剪切破坏，随着工作面推进15 m时，塑性破坏区逐渐向外扩展，塑性区域变大，破坏加深。在30 m内的影响范围切眼应力场出现明显的不对称性，垂直应力波动较大，数值起伏变化较大，顶板需要加强支护。

图6 对接区域塑性区扩展特征

3.2 外切眼及运输巷应力分布特征

由图7～图9看出，工作面推进距离外切眼20 m时，运顺直接顶顶板板应力峰值由大变小(工作面推进方向),在走向120 m时(工作面距切眼28 m)应力为最低值，距离切眼越近，应力值波动幅度越大，最大值为2.3 MPa。若工作面继续推进至距切眼15 m时，应力峰值增大至2.4 MPa，且顶板应力值变化较大。工作面推进距离外切眼20 m 时，外切眼顶板应力值总体变化趋势较为稳定，应力峰值为2.2 MPa，应力值在切眼距运顺30 m外较为稳定，保持在1.25 MPa以下。若工作面继续推进顶板应力值总体变化趋势不变，应力峰值增大至2.8 MPa，切眼距运顺30 m外应力值稳定在1.8 MPa，利于顶板管理。

图7 运输巷垂直应力分布

图8 外切眼垂直应力分布

图9 顶板垂直应力曲线

4 工程验证

生产过程中，依据模拟设计外切眼支架的支护距离为30 m，总共20架，每架间距1.5 m， 为了保证变长工作面的顺利推进，同时保证外切眼的围岩得到稳定控制，对支架的工作阻力进行监测，工作面与衔接面的距离(与外切眼对接)为x轴、支架加权平均工作阻力为y轴，得到工作面距衔接面与液压支架前后柱支护压力的变化曲线。以切眼距运顺的远近命名为1～20号支架。

因为变长工作面的异常变采区应力波动明显，顶板来压步距有所减小，来压强度増加，对支架冲击作用的施载力度增强。图10只分析了在距衔接面20 m前后的范围，依据上图分析，在工作面推进到衔接面后，顶板对支架的压力有所增大，切眼端部变化最剧烈，因为5号支架从顶板端部变为了顶板中部，平均来压由21.73～30.7 MPa，而20号支架受到顶板来压平均变化幅度较小，说明对接过程中对切眼顶板的影响范围在30 m以内较为明显。

图10 切眼支架受力曲线

此工作面支架的额定工作阻力大约40 MPa，中部支架平均阻力为30.7 MPa，说明支架的支护强度仍有富余，运行良好。

5 结 语

1) 工作面推进距外切眼15 m时，煤壁及工作面垂直应力集中加剧，工作面及切眼顶板来压增大，应力峰值由17.2 MPa到19.4 MPa，应力波动较大，不利于切眼顶板控制，工作面推进距离外切眼20 m时进行切眼顶板控制较为合适。

2) 在工作面推进距离外切眼20 m，切眼顶板应力波动影响范围在30 m以内，最大垂直应力为2.2 MPa，切眼顶板至少支护30 m距离。

3) 证明外切眼30 m的支护距离足够满足变长工作面的对接，支架最大平均支护阻力30.7 MPa，支架支护强度有富余，运行状态较好。