茹武偉

（山西晉能控股集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048214）

1 工程概況

胡底煤業(yè)1309 工作面開(kāi)采3#煤層，平均埋深450 m，煤層均厚5.54 m，傾角為1°～9°，煤層整體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。煤層直接頂為黑灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚度為2.85 m；基本頂為黑色中粒砂巖，平均厚度為4.74 m；底板為泥巖，平均厚度為1.65 m。

1309 工作面切眼沿3#煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)為矩形斷面,寬度7200 mm，高度3100 mm，凈斷面22.2 m2，毛斷面23.56 m2。切眼掘進(jìn)采用分次成巷的作業(yè)方式，即先導(dǎo)硐施工非開(kāi)采側(cè)，后刷大施工開(kāi)采側(cè)。導(dǎo)硐斷面為毛寬5.4 m，毛高3.1 m；刷大斷面為毛寬1.8 m，毛高3.1 m。為保證1309 工作面切眼大斷面巷道圍巖的穩(wěn)定性，需對(duì)其圍巖控制及支護(hù)技術(shù)展開(kāi)研究[1-5]。

2 切眼支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 切眼導(dǎo)硐支護(hù)

（1）頂板支護(hù)采用“錨網(wǎng)+錨索+鋼筋梯”組合支護(hù)。

頂錨桿采用螺紋鋼樹脂錨桿加掛菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿為矩形布置，間排距為800 mm×1000 mm，每排7 根，靠非開(kāi)采側(cè)巷幫0.2 m 開(kāi)始布置，采用2 支錨固劑，錨固長(zhǎng)度為1208 mm，保證錨桿錨固力不小于190 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。煤柱幫靠邊的頂錨桿與法線成15°夾角，其余錨桿垂直頂板施工，頂部加掛鋼筋梯和金屬菱形網(wǎng)。

頂錨索布置方式：頂錨索采用Φ22 mm、長(zhǎng)度7300 mm 的錨索，采用3 支錨固劑，錨固長(zhǎng)度為1971 mm，保證錨索預(yù)拉力不小于270 kN，初次張拉時(shí)壓力表必須達(dá)到300 kN。每排布置2 根，間排距為2000 mm×2000 mm。

（2）幫部支護(hù)

巷道主幫采用玻璃鋼錨桿加掛塑料網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為2000 mm×1000 mm，每排2 根，起錨高度為700 mm，最上排錨桿距頂板不大于500 mm，采用2 支樹脂錨固劑，錨桿錨固長(zhǎng)度為1208 mm，預(yù)緊力矩不小于60 N·m。靠近頂?shù)装邋^桿施工角度與水平成10°角，其余錨桿施工角度與巷幫垂直。

巷道副幫支護(hù)采用螺紋鋼樹脂錨桿加掛菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1000 mm×1000 mm，每排3 根，起錨高度為700 mm，最上一根錨桿距頂板不大于500 mm，采用2 支錨固劑，錨固長(zhǎng)度為1208 mm，錨桿錨固力不小于190 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m?？拷?shù)装邋^桿施工角度與水平成10°夾角，其余錨桿與巷幫垂直施工。

2.2 切眼刷大支護(hù)

采用“錨網(wǎng)+錨索+鋼筋梯”組合支護(hù)。

（1）頂板支護(hù)

頂錨桿采用螺紋鋼樹脂錨桿加掛菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，每排布置3 根錨桿，間排距為800 mm×1000 mm，距導(dǎo)硐側(cè)頂板最邊上一根錨桿0.8 m 開(kāi)始布置，錨固方式與導(dǎo)硐支護(hù)一致?？块_(kāi)采側(cè)最邊上一根頂錨桿與頂板法線成15°角，其余錨桿施工角度與頂板垂直，頂部加掛金屬菱形網(wǎng)和鋼筋梯。

頂錨索布置方式：頂錨索采用Φ22 mm、長(zhǎng)度7300 mm 的錨索，錨索錨固方式與導(dǎo)硐支護(hù)一致。每排1 根，距切眼中心線以北2000 mm 布置，排距為2000 mm。

（2）幫部支護(hù)

巷幫采用玻璃鋼錨桿加掛塑料網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，間排距為1000 mm×1000 mm，每排3 根，起錨高度為700 mm，最上一根錨桿距頂板不大于500 mm，錨桿錨固方式不變?？拷?shù)装邋^桿施工角度與水平成10°夾角，其余錨桿均垂直施工。

刷大施工時(shí)，在切眼正中采用單體柱對(duì)頂板支護(hù)，單體柱交替布置，每排布置1 根單體支柱，單體柱間距1 m，滯后刷大迎頭不大于50 m。1309 工作面切眼斷面支護(hù)如圖1。

圖1 1309 工作面切眼斷面支護(hù)圖（mm）

3 切眼支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.1 工作面切眼數(shù)值模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬有無(wú)支護(hù)兩種方案下1309 工作面切眼圍巖變形控制的效果，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的大斷面切眼支護(hù)方案的可靠性及適應(yīng)性。按照設(shè)計(jì)的工作面切眼支護(hù)形式進(jìn)行模擬，切眼斷面的錨桿（索）支護(hù)模擬示意如圖2。

圖2 切眼錨桿（索）支護(hù)模擬示意圖

3.2 切眼無(wú)支護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分析

圖3 為無(wú)支護(hù)情況下切眼圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布情況。

圖3 無(wú)支護(hù)切眼圍巖應(yīng)力分布圖

由3 圖可知，切眼開(kāi)挖后淺部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)和降低區(qū)。切眼圍巖垂直應(yīng)力升高區(qū)位于巷道兩幫，應(yīng)力峰值37.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.2；水平應(yīng)力升高區(qū)位于巷道四肩角，應(yīng)力峰值33.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.66。頂板垂直應(yīng)力降低區(qū)范圍達(dá)到5.1 m，兩幫水平應(yīng)力降低區(qū)范圍達(dá)到3.3 m。從總體上看，在無(wú)支護(hù)的情況下切眼圍巖應(yīng)力集中系數(shù)較大，應(yīng)力降低區(qū)范圍較大，而切眼的水平跨度達(dá)7 m，依靠圍巖自穩(wěn)定性很難控制切眼變形，最終可能造成切眼圍巖大面積破壞。

（2）位移分析

圖4 為無(wú)支護(hù)情況下切眼圍巖垂直位移和水平位移分布情況。

圖4 無(wú)支護(hù)切眼圍巖位移分布圖

由圖4 可知，切眼頂板最大下沉量525.3 mm，位移影響范圍6.3 m；最大底鼓量357.3 mm，位移影響范圍4.6 m；左幫最大水平位移403.6 mm，位移影響范圍3.2 m；右?guī)妥畲笏轿灰?03.5 mm，位移影響范圍3.2 m；切眼斷面收縮率為25.2%。切眼圍巖在無(wú)支護(hù)措施情況下變形量都較大。

（3）塑性區(qū)分析

圖5 為無(wú)支護(hù)情況下切眼圍巖塑性區(qū)分布情況。

圖5 無(wú)支護(hù)切眼圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖5 可知，無(wú)支護(hù)條件下的切眼圍巖塑性區(qū)較大，頂板剪切塑性區(qū)范圍可達(dá)3.3 m，底板剪切塑性區(qū)范圍可達(dá)2.9 m，兩幫的拉伸及剪切塑性區(qū)范圍可達(dá)2.2 m。切眼圍巖的塑性松動(dòng)圈平均達(dá)2.5 m，結(jié)合切眼圍巖應(yīng)力、位移分布情況，可以認(rèn)為在無(wú)支護(hù)措施的情況下切眼圍巖變形破壞嚴(yán)重。

3.3 切眼支護(hù)數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分析

圖6 為錨桿（索）支護(hù)情況下切眼圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布情況。

圖6 支護(hù)下切眼圍巖應(yīng)力分布圖

由圖6 可知，切眼兩幫應(yīng)力集中區(qū)域都分布于切眼肩角，應(yīng)力峰值23 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.35；水平應(yīng)力升高區(qū)位于巷道四肩角，應(yīng)力峰值20.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.06，應(yīng)力升高區(qū)明顯降低。切眼圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力降低區(qū)范圍均有明顯的縮小，頂板垂直應(yīng)力降低區(qū)范圍達(dá)到2.1 m，兩幫水平應(yīng)力降低區(qū)范圍達(dá)到0.8 m。分析可知，幫部錨桿能夠較好地改善錨固范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)比無(wú)支護(hù)條件下的切眼圍巖應(yīng)力分布情況，所采用的錨桿（索）支護(hù)形式對(duì)圍巖的控制作用效果良好。

（2）位移分析

圖7 為錨桿（索）支護(hù)情況下切眼圍巖垂直位移和水平位移分布情況。

圖7 支護(hù)下切眼圍巖位移分布圖

由圖7 可知，切眼開(kāi)挖支護(hù)后圍巖變形都大幅降低，頂板最大下沉量為10.5 mm，位移影響范圍2.1 m；最大底鼓量為8.8 mm，位移影響范圍2.1 m；左幫最大水平位移32.7 mm，位移影響范圍1.4 m；右?guī)妥畲笏轿灰?2.6 mm，位移影響范圍1.4 m；斷面收縮率為1.1%。對(duì)比無(wú)支護(hù)條件下的切眼圍巖位移分布情況，所采用的錨桿（索）支護(hù)形式對(duì)圍巖變形破壞效果很好。

（3）塑性區(qū)分析

圖8 為有支護(hù)情況下切眼圍巖塑性區(qū)分布情況。

圖8 支護(hù)下切眼圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖8 可知，在設(shè)計(jì)的支護(hù)形式下，切眼圍巖的塑性區(qū)明顯縮小，僅在圍巖表面存在較小的破壞。結(jié)合切眼圍巖應(yīng)力、位移分布情況，可認(rèn)為在設(shè)計(jì)的支護(hù)方案下，切眼表面破碎圍巖被有效保護(hù)，抑制了切眼的變形和進(jìn)一步破壞。

4 應(yīng)用效果分析

為分析支護(hù)方案的控制效果，在1309 工作面切眼內(nèi)布置位移監(jiān)測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，切眼第一次掘進(jìn)導(dǎo)硐后，圍巖的變形速度較快，平均變形速率為6 mm/d，于12 d 左右趨于平穩(wěn)；切眼第二次掘進(jìn)刷大擴(kuò)幫后，圍巖平均變形速率降低至3 mm/d，變形持續(xù)時(shí)長(zhǎng)也縮短至7 d。最終，開(kāi)切眼頂?shù)装逡七M(jìn)量為63 mm，兩幫移進(jìn)量為79 mm，圍巖變形較小，滿足生產(chǎn)需求，說(shuō)明該支護(hù)方案可以有效控制開(kāi)切眼巷道的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)1309 工作面開(kāi)切眼的實(shí)際條件，提出了“錨網(wǎng)+錨索+鋼筋梯”的組合支護(hù)形式，并設(shè)計(jì)了一次導(dǎo)硐支護(hù)和二次擴(kuò)幫支護(hù)的具體參數(shù)。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了開(kāi)切眼在有無(wú)支護(hù)兩種方案下的圍巖變形情況，得出在設(shè)計(jì)的支護(hù)方案下，切眼的變形和進(jìn)一步破壞受到了有效的控制。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，采用設(shè)計(jì)的支護(hù)方案后，開(kāi)切眼的頂?shù)装逡七M(jìn)量為63 mm，兩幫移進(jìn)量為79 mm，圍巖變形較小，控制效果顯著。