要華偉

(西山煤電集團(tuán) 黨政辦公室，山西 太原 030053)

近年來(lái)，隨著工作面回采機(jī)械化程度的逐漸提高，綜放工作面開(kāi)切眼跨度也逐漸增大，大跨度巷道圍巖變形特征與裂隙擴(kuò)展規(guī)律的復(fù)雜性給切眼支護(hù)增大了難度[1-3].切眼開(kāi)挖后圍巖由三向應(yīng)力變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)深度增大，不但增大了圍巖潛在破壞范圍，還給圍巖支護(hù)增加了難度，在大跨度的條件下，切眼中部更易產(chǎn)生拉破壞，頂板懸露面積較大，煤巖重量作用至幫部，增加幫部圍巖破壞危險(xiǎn)。因此，對(duì)圍巖支護(hù)提出了更高要求[4-5].切眼服務(wù)時(shí)間從開(kāi)始掘進(jìn)到工作面設(shè)備安裝調(diào)試成功開(kāi)始回采時(shí)止，時(shí)間一般較短，如果為滿(mǎn)足對(duì)大斷面切眼圍巖變形控制起到良好效果而注重支護(hù)強(qiáng)度、密度，將會(huì)導(dǎo)致支護(hù)過(guò)度，不僅增加成本，而且還將導(dǎo)致綜放工作面首次放煤困難、增加工作面頂板管理難度等。若考慮到其服務(wù)時(shí)間短而降低支護(hù)強(qiáng)度、密度，將會(huì)導(dǎo)致支護(hù)不足，不僅容易產(chǎn)生頂板冒落事故，威脅工人生命安全，而且圍巖變形破壞嚴(yán)重致使設(shè)備無(wú)法安裝，須再次刷頂或臥底等，影響礦井安全高效生產(chǎn)[6-7].以某礦3107綜放工作面為研究對(duì)象，分析切眼頂板破斷情況及裂隙發(fā)育規(guī)律，并提出更合理的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)以控制大跨度切眼圍巖穩(wěn)定。

1 工程地質(zhì)概況

某礦3107綜放工作面切眼寬度為7.8 m，高度為3.2 m，為保證施工的安全性，切眼需要分次施工，即先掘出寬度為4.8 m的斷面，后擴(kuò)刷到總寬度7.8 m,對(duì)該切眼支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析，支護(hù)斷面見(jiàn)圖1.

圖1 3107綜放工作面切眼支護(hù)斷面圖

TS-C1201 鉆孔多功能成像分析儀是一款對(duì)鉆孔進(jìn)行全面檢測(cè)的高科技設(shè)備，產(chǎn)品集鉆孔拍照、窺視(錄像)、成像和軌跡測(cè)量等功能于一體，一次測(cè)試，完成以前多次測(cè)試的工作量，同時(shí)可以獲取鉆孔動(dòng)態(tài)錄像視頻、局部高清照片、全孔壁展開(kāi)平面圖和鉆孔空間軌跡，高效快捷。借助鉆孔窺視儀對(duì)1#鉆孔頂板裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)并統(tǒng)計(jì)分析，頂板裂隙擴(kuò)展規(guī)律見(jiàn)表1.

1#鉆孔位于3107切眼端頭向里30 m左右位置，實(shí)際窺視深度7.8 m.結(jié)合表1可以看出，鉆孔在開(kāi)始階段 1～2 m 處有明顯碎裂，2～3 m 內(nèi)頂板裂隙發(fā)育，出現(xiàn)不同程度的縱向裂隙和斜向裂隙，5.5 m 附近頂板出現(xiàn)明顯離層。

表1 頂板1#鉆孔窺視結(jié)果表

2 綜放工作面大跨度切眼圍巖裂隙擴(kuò)展特征

采用二維離散元數(shù)值計(jì)算軟件UDEC 6.0模擬巷道圍巖裂隙演化以及計(jì)算圍巖應(yīng)力、應(yīng)變和位移。利用UDEC 6.0中的泰森多邊形Voronoi網(wǎng)格Trigon命令對(duì)3107切眼進(jìn)行三角形網(wǎng)格節(jié)理劃分。Voronoi網(wǎng)格塊體之間參數(shù)定義的靈活性，劃分方法的隨機(jī)性，對(duì)于模擬巖體裂隙發(fā)展具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)用此方法模擬巖體裂隙的產(chǎn)生、拓展、閉合等過(guò)程，并取得了良好的效果[8-9].Trigon模型將Voronoi模型中的六邊形網(wǎng)格再次劃分為三角形，有效提高了計(jì)算效率而且裂隙擴(kuò)展與與試驗(yàn)結(jié)果更加吻合。破壞準(zhǔn)則[9]見(jiàn)圖2.Trigon模型采用了離散元方法，充分考慮了巖體的不連續(xù)性，能直觀地表達(dá)介質(zhì)體內(nèi)部的受力行為。

圖2 UDEC 6.0多邊形模型破壞準(zhǔn)則圖

ΔFn=-knΔun

式中：

ΔFn—接觸面有效法向應(yīng)力增量；

Δun—接觸面有效法向位移增量；

kn—接觸面有效法向剛度。

在切向上，如果：

式中：

c—接觸面內(nèi)聚力；

φ—接觸面內(nèi)摩擦角；

Fn—接觸面正應(yīng)力；

Fs—接觸面切應(yīng)力；

Δus—總的剪切總應(yīng)變?cè)黾恿浚?/p>

sign—Fs遵循的數(shù)學(xué)函數(shù)。

數(shù)值模型計(jì)算過(guò)程為：建立UDEC數(shù)值模型→原巖應(yīng)力平衡→開(kāi)挖切眼→運(yùn)算平衡→輸出計(jì)算結(jié)果并分析。覆巖采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬過(guò)程中，導(dǎo)硐掘進(jìn)，每500步保存一次直至平衡的過(guò)程中，頂板出現(xiàn)巖層破斷、回轉(zhuǎn)、彎曲下沉。在模型中煤巖層塊體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.數(shù)值模型見(jiàn)圖3.

表2 模型各分層巖體微觀力學(xué)參數(shù)表

3107綜放工作面切眼在無(wú)支護(hù)條件下、原支護(hù)條件下、優(yōu)化支護(hù)條件下頂板破斷特征，剪切和拉伸裂隙分布規(guī)律分別見(jiàn)圖4，5，6.

圖4 無(wú)支護(hù)與原支護(hù)頂板破斷特征圖

無(wú)支護(hù)條件下，頂板剪切裂隙擴(kuò)展高度為10.5 m，拉伸裂隙擴(kuò)展高度為6.7 m；原支護(hù)條件下，頂板剪切裂隙擴(kuò)展高度為8.0 m，拉伸裂隙擴(kuò)展高度為4.0 m；通過(guò)對(duì)原支護(hù)方案中裂隙擴(kuò)展規(guī)律的分析發(fā)現(xiàn)，頂板拉伸裂隙發(fā)育高度最大值為4.0 m，頂板短錨索基本支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)能夠有效控制頂板，但是剪切裂隙發(fā)育高度最大值達(dá)到了8.0 m，原支護(hù)方案中的加強(qiáng)錨索長(zhǎng)度為6.3 m，為了有效控制頂板剪切裂隙的擴(kuò)展，提高支護(hù)安全系數(shù)，提出了8.3 m高預(yù)緊力錨索配合工字鋼梁支護(hù)方案，見(jiàn)圖7.

圖5 無(wú)支護(hù)與原支護(hù)剪切裂隙分布規(guī)律圖

圖6 無(wú)支護(hù)與原支護(hù)拉伸裂隙分布規(guī)律圖

圖7 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)圖

優(yōu)化后頂板裂隙發(fā)育規(guī)律見(jiàn)圖8，頂板剪切裂隙擴(kuò)展高度從原支護(hù)參數(shù)的8.0 m降低到6.4 m，拉伸裂隙擴(kuò)展高度從原支護(hù)參數(shù)的4.0 m降低到3.0 m，說(shuō)明4.3 m的短錨索能夠有效控制淺部拉伸裂隙的擴(kuò)展，而8.3 m的補(bǔ)強(qiáng)錨索能夠有效控制深部剪切裂隙的擴(kuò)展，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)能夠有效控制大跨度斷面切眼圍巖穩(wěn)定。

圖8 優(yōu)化后頂板裂隙發(fā)育規(guī)律圖

3 綜放工作面大跨度切眼支護(hù)參數(shù)

導(dǎo)硐側(cè)頂板支護(hù)采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，選用d18.9 mm，L4 300 mm短錨索7根，間排距為800 mm×800 mm，肩窩短錨索向巷幫側(cè)斜15°與巷頂呈75°夾角，選用d18.9 mm L6 300 mm加強(qiáng)錨索，間排距1 600 mm×800 mm，使用18#槽鋼加工的180 mm×300 mm錨索托盤(pán)，鋼筋梯子梁采用d12 mm的鋼筋焊接而成。

擴(kuò)刷側(cè)頂板支護(hù)采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，短錨索選用d18.9 mm，L4 300 mm規(guī)格錨索4根，間排距為900 mm×800 mm，短錨索依次從導(dǎo)硐與擴(kuò)刷交接面處開(kāi)始布置，靠近導(dǎo)硐側(cè)的短錨索側(cè)斜15°與巷頂呈75°夾角；加強(qiáng)錨索靠近導(dǎo)硐側(cè)兩根錨索采用d21.8 mm，L8 300 mm高預(yù)緊力錨索，距離擴(kuò)刷交界線(xiàn)左側(cè)的距離為500 mm，間排距為1 400 mm×1 600 mm，錨索托盤(pán)配套采用規(guī)格為260 mm×260 mm×16 mm，拱高不低于60 mm托盤(pán)一個(gè)(配合使用梯子梁)，配套鎖具；每隔 3 200 mm兩根8 300 mm錨索采用長(zhǎng)度不低于1 800 mm的工字鋼梁連接；靠近采煤幫側(cè)一根加強(qiáng)錨索采用d18.9 mm，L6 300 mm，與長(zhǎng)錨索的距離為1 400 mm，排距為1 600 mm.切眼支護(hù)參數(shù)斷面見(jiàn)圖9.

圖9 3107大跨度切眼支護(hù)參數(shù)斷面圖

擴(kuò)刷側(cè)采煤幫采用d22 mm L 2 500 mm左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，數(shù)值錨固劑選用1支K2350+1支Z2350，錨桿間排距900 mm×800 mm.

4 結(jié) 論

從綜放工作面大跨度切眼圍巖穩(wěn)定控制出發(fā)，建立了UDEC Trigon數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比分析了無(wú)支護(hù)參數(shù)下，原支護(hù)參數(shù)下大跨度切眼頂板破斷情況，剪切和拉伸裂隙發(fā)育規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了補(bǔ)強(qiáng)錨索控制深部剪切裂隙發(fā)育深度的優(yōu)化思想，通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的合理性。得出了以下結(jié)論：

1)無(wú)支護(hù)參數(shù)下大跨度切眼頂板剪切裂隙擴(kuò)展深度為10.5 m，原支護(hù)參數(shù)下擴(kuò)展深度降低到8.0 m，優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)剪切裂隙擴(kuò)展深度降低到6.4 m，拉伸裂隙擴(kuò)展深度從原支護(hù)的4.0 m降低到3.0 m.補(bǔ)強(qiáng)錨索能夠有效控制深部剪切裂隙的擴(kuò)展，而短錨索支護(hù)能夠有效控制淺部拉伸裂隙的擴(kuò)展。

2)3107綜放工作面大跨度切眼使用補(bǔ)強(qiáng)錨索的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后，有效控制了頂板裂隙向深部發(fā)育，大跨度切眼能夠保持圍巖穩(wěn)定。