曾 泰

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036600)

1 前言

隨著錨桿和錨索支護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，以及大采高設(shè)備的引進(jìn)，切眼斷面越來越大。普通錨桿及錨索支護(hù)方式已經(jīng)不能滿足實(shí)際使用需求。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此項(xiàng)工作做了大量研究：廖保明等基于等效橢圓法計(jì)算大跨度矩形巷道(開切眼)圍巖的破壞范圍；袁性涵利用FLAC3D軟件，研究了巷道掘進(jìn)過程中破壞和坍塌作用的發(fā)育與演化；楊雙鎖等綜合應(yīng)用錨桿支護(hù)理論和設(shè)計(jì)方法，對(duì)錨桿(錨索)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)及桁架錨索等方式控制大跨度、大采高度條件下的開切眼圍巖的變形，為大跨度切眼安全高效施工提供依據(jù)。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)概況

泰山隆安礦位于河?xùn)|煤田，8201工作面開切眼最寬處達(dá)到10.7 m。工作面煤層為二疊紀(jì)山西組下部煤層，煤巖層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為2°～8°，平均4°左右；煤層賦存區(qū)厚度5.0 m～6.3 m，平均厚度5.3 m。直頂板為泥巖，厚度8.04 m?；卷敒橹猩皫r，厚度21.74 m。8#煤直接底為泥巖，厚度1.53 m。底板為粗砂巖，厚度5.0 m。煤層綜合柱狀圖見圖1。

圖1 泰山隆安礦8#煤層地層綜合柱狀圖

2.2 設(shè)計(jì)原理

錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)是大斷面切眼支護(hù)技術(shù)的基本原理，采用錨桿及時(shí)支護(hù)，在頂板還沒有發(fā)生離層時(shí)就使用錨桿加固，以維護(hù)頂板完整穩(wěn)固。錨索施工至直接頂中，對(duì)直接頂給予一定的壓力，預(yù)防圍巖松動(dòng)變形，保障圍巖穩(wěn)定。

錨索和錨桿都有加固和懸吊松動(dòng)圍巖的作用。當(dāng)錨桿和錨索一起施工安裝時(shí)，錨桿與錨索對(duì)圍巖起到共同的加固作用。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的關(guān)系如圖2所示。

圖2 圍巖與支護(hù)相互作用的關(guān)系

由圖2可知，錨桿+錨索共同支護(hù)時(shí)，曲線2與曲線1相交，說明聯(lián)合支護(hù)提高了承載能力，在曲線的交點(diǎn)A處，圍巖的變形得到控制，保證了圍巖的穩(wěn)定。因此在實(shí)際工程中，多采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。

2.3 支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)煤礦常用的經(jīng)驗(yàn)分析和工程類比的方法，結(jié)合8#煤層其他工作面切眼的幾何參數(shù)特征，初步設(shè)計(jì)切眼中部支架段寬度9.2 m，采煤機(jī)機(jī)窩段寬度為10.2 m，切眼過渡支架架窩段寬度為10.7 m，支護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 8201綜采工作面切眼布置圖(單位：m)

2.3.1 9.2 m段支護(hù)參數(shù)

9.2 m段支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

錨桿支護(hù)參數(shù)：頂錨桿自巷道中心開始布置，間距1100 mm，排距1000 mm，兩角錨桿向外側(cè)偏斜10°，其余的垂直于頂板。

錨索支護(hù)參數(shù)：從自巷道中心開始布置，間距1600 mm，排距2000 mm。

圖4 9.2 m段支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

2.3.2 10.2 m段支護(hù)參數(shù)

10.2 m段支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

錨桿支護(hù)參數(shù)：頂錨桿自巷道中心開始布置，間距1100 mm(非回采側(cè)最后一根錨桿間距1000 mm)，排距1000 mm，兩角錨桿向外側(cè)偏斜10°，其余的垂直頂板。

錨索支護(hù)參數(shù)：從自巷道中心開始布置，間距1600 mm，排距2000 mm。

2.3.3 10.7 m段支護(hù)參數(shù)

10.7 m段支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。

錨桿支護(hù)參數(shù)：頂錨桿自巷道中心開始布置，間距1100 mm，排距1000 mm，兩角錨桿向外側(cè)偏斜10°，其余的垂直頂板。

錨索支護(hù)參數(shù)：從自巷道中心開始布置，間距1600 mm，排距2000 mm。

圖5 10.2 m段支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

圖6 10.7 m段支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

2.3.4 其他支護(hù)

切眼中部布置兩排木支柱，木支柱均采用直徑不小于180 mm的紅松圓木，排距1200 mm，柱距1500 mm，帶帽支護(hù)，柱帽規(guī)格600 mm×400 mm×80 mm。根據(jù)實(shí)際支護(hù)效果，柱距可以適當(dāng)減小。

3 8201工作面切眼支護(hù)方案分析

3.1 建立模型采用的理論依據(jù)

FLAC3D軟件在解決巖土工程問題上有很強(qiáng)的優(yōu)越性，在煤礦工程設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用也越來越廣泛。該軟件在煤礦支護(hù)設(shè)計(jì)分析上主要采用CABLE單元，即通過自帶FISH語言編寫與設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)一致的命令，對(duì)錨桿、錨索的端頭、自由段、錨固段賦值來模擬預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索。

根據(jù)泰山隆安礦地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬分析支護(hù)方案的支護(hù)效果及可行性，計(jì)算中采用莫爾-庫(kù)侖模型和空單元模型(巷道開挖和工作面回采)。

3.2 建立模型

3.2.1 模型范圍及邊界條件

根據(jù)8201工作面實(shí)際地質(zhì)條件及尺寸并考慮到邊界效應(yīng)，模型兩邊需留出各25 m的保護(hù)煤柱，因而確定模型尺寸為150 m×255 m×53.5 m。

數(shù)值計(jì)算模型邊界約束條件、載荷條件確定如下：模型X軸兩端邊界施加沿X軸的約束，即邊界X方向位移為零；模型Y軸兩端邊界施加沿Y軸的約束，即邊界Y方向位移為零；模型底部邊界固定，即底部邊界X、Y、Z方向的位移均為零；模型頂部為自由邊界；Z軸方向設(shè)定自重載荷。

3.2.2 模型力學(xué)參數(shù)確定

根據(jù)煤巖層賦存及FLAC3D建模需要，測(cè)定了煤巖物理參數(shù)，見表1。

表1 模型煤巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模型X軸方向施加4.5 MPa的應(yīng)力，模型Y軸方向施加2.8 MPa的應(yīng)力，模型Z軸方向施加3.6 MPa的應(yīng)力。為了能更好地模擬破碎圍巖的力學(xué)行為，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為煤巖體的本構(gòu)關(guān)系，綜合考慮軟件計(jì)算精度和運(yùn)算速度，對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)劃分并對(duì)8#煤層上覆煤巖層進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

3.2.3 模擬分析步驟

首先計(jì)算模型在煤層未受采動(dòng)時(shí)的原巖應(yīng)力狀態(tài)，形成初始應(yīng)力場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上逐步開挖8#煤層回采巷道并進(jìn)行支護(hù)，最后開挖8#煤層。

模型分析流程為：建立初始模型→初始應(yīng)力場(chǎng)平衡→開挖回采巷道→進(jìn)行支護(hù)→計(jì)算平衡→回采8#煤層→計(jì)算平衡。

3.3 支護(hù)效果合理性分析

3.3.1 9.2 m段合理性分析

9.2 m段切眼頂?shù)装逦灰屏?、兩幫位移量和垂直?yīng)力分別如圖7、圖8和圖9所示。由圖7、圖8和圖9可知，9.2 m段切眼頂?shù)装遄畲笪灰屏?.6 cm，兩幫最大位移量1 cm，垂直應(yīng)力分布6.78 MPa。

圖7 9.2 m段切眼頂?shù)装逦灰屏?/p>

圖8 9.2 m段切眼兩幫位移量

圖9 9.2 m段切眼垂直應(yīng)力分布

3.3.2 10.2 m段合理性分析

10.2 m段切眼頂?shù)装逦灰屏?、兩幫位移量和垂直?yīng)力分別如圖10、圖11和圖12所示。由圖10、圖11和圖12可知，10.2 m段切眼頂?shù)装遄畲笪灰屏?.86 cm，兩幫最大位移量1.08 cm，垂直應(yīng)力分布6.68 MPa。

圖10 10.2 m段切眼頂?shù)装逦灰屏?/p>

圖11 10.2 m段切眼兩幫位移量

圖12 10.2 m段切眼垂直應(yīng)力分布

3.3.3 10.7 m段合理性分析

10.7 m段切眼頂?shù)装逦灰屏?、兩幫位移量和垂直?yīng)力分別如圖13、圖14和圖15所示。由圖13、圖14和圖15可知，10.7 m段切眼頂?shù)装遄畲笪灰屏?.92 cm，兩幫最大位移量1.12 cm，垂直應(yīng)力分布6.70 MPa。應(yīng)力分布最大處均在兩幫中部。

通過對(duì)頂板、底板以及兩幫位移量角度分析可知，支護(hù)后巷道整體位移量很小，能滿足巷道的使用要求，說明巷道的支護(hù)強(qiáng)度能控制巷道圍巖的變形，支護(hù)方案符合礦井安全生產(chǎn)要求。

圖13 10.7 m段切眼頂?shù)装逦灰屏?/p>

圖14 10.7 m段切眼兩幫位移量

圖15 10.7 m段切眼垂直應(yīng)力分布

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬方法分析了泰山隆安礦8201工作面開切眼的支護(hù)效果，結(jié)果表明，開切眼的應(yīng)力集中系數(shù)和位移量較小，應(yīng)力集中區(qū)分布在切眼的兩幫，總體分析，巷道支護(hù)方案合理，符合礦井安全生產(chǎn)要求。