賈東秀 ，趙 軍 ，樊麗君 ，張 勇 ，陳緒剛 ，劉玉越

（1.山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251102；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590）

目前，煤炭作為我國(guó)能源的重要組成部分，對(duì)于保障國(guó)家能源安全具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁開(kāi)采需要留設(shè)煤柱，不僅會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)，且煤柱處會(huì)形成應(yīng)力集中，易導(dǎo)致煤柱破碎，存在安全隱患[2]；采用充填留巷，應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然存在，且巷旁充填體由于支撐滯后及強(qiáng)度低，易產(chǎn)生壓縮變形，導(dǎo)致留巷頂板發(fā)生斷裂[3]。切頂卸壓沿空留巷工法作為新興的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)[4]，不僅能降低開(kāi)采成本，提高資源回收率，還可以緩解采掘接替緊張，避免因留設(shè)煤柱產(chǎn)生的安全隱患，是我國(guó)煤炭綠色開(kāi)采的主要方向之一。

目前，切頂留巷技術(shù)應(yīng)用廣泛，矸石幫是否穩(wěn)定是評(píng)判留巷成功的重要標(biāo)志之一。如果擋矸結(jié)構(gòu)損壞，矸石幫鼓起變形，將縮小巷道凈空間尺寸，導(dǎo)致留巷失敗。因此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)擋矸支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)踐研究。針對(duì)深部圍巖大變形導(dǎo)致剛性擋矸結(jié)構(gòu)彎曲、折斷現(xiàn)象，何滿潮等[5-6]、陳上元等[7]設(shè)計(jì)了1 種新型可縮U型鋼柔性擋矸結(jié)構(gòu)，可有效抵御動(dòng)壓區(qū)采空區(qū)矸石的側(cè)向應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)擋矸結(jié)構(gòu)與頂板協(xié)調(diào)變形。針對(duì)厚煤層切頂成巷矸石幫控制難題，高玉兵等[8-9]采用力學(xué)分析、數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，提出了動(dòng)壓防沖、緩壓讓位和恒壓穩(wěn)控的多層次控制思路，并設(shè)計(jì)了滑移式讓位護(hù)幫結(jié)構(gòu)、自移式動(dòng)壓防沖結(jié)構(gòu)以及波式多阻護(hù)幫結(jié)構(gòu)。為解決無(wú)煤柱開(kāi)采過(guò)程中巷旁竄矸、難于維護(hù)及矸石幫變形量大等問(wèn)題，胡建平[10]提出了擋矸鋪網(wǎng)技術(shù)，有效限制矸石進(jìn)入巷道，保證了人員安全作業(yè)和成巷效果；吳松等[11]提出了36U 型鋼棚配合菱形網(wǎng)擋矸支護(hù)技術(shù)，同時(shí)也解決了回采過(guò)程中幫部二次擴(kuò)幫返修的問(wèn)題；伍永平等[12]為解決大傾角煤層開(kāi)采過(guò)程中的飛矸災(zāi)害，以擋矸網(wǎng)為控制元件，多手段綜合研究了矸石的沖擊損害機(jī)制及控制元件參數(shù)，提出了1 種控制矸石沖擊損害的方法。

但是，堅(jiān)硬頂板切頂后垮落矸石塊度大，切頂成巷過(guò)程中矸石沖壓特征明顯，常規(guī)的擋矸結(jié)構(gòu)抵抗動(dòng)壓能力不足，應(yīng)用于堅(jiān)硬頂板垮落矸石控制時(shí)有明顯的局限性。為此，采用理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐相結(jié)合的方式探究堅(jiān)硬頂板擋矸支護(hù)變形與破壞特征；將擋矸結(jié)構(gòu)視為整體，從矸石的運(yùn)動(dòng)特征入手，分析不同分區(qū)的擋矸結(jié)構(gòu)受力與變形特征，對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化；并提出1 種具有針對(duì)性地?fù)蹴仿?lián)合支護(hù)方案，從而提高擋矸結(jié)構(gòu)的承載能力，增強(qiáng)矸石幫的整體強(qiáng)度，維持巷道穩(wěn)定。

1 工程概況

邱集煤礦位于山東省德州市齊河縣馬集鎮(zhèn)，自一采區(qū)首采工作面開(kāi)始使用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采。11 煤1105 工作面埋深-337～-424 m，煤層平均厚度2.15 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層。留巷段直接頂為平均厚度2.01 m 的灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度95.42 MPa，平均密度2.63 g/cm3，屬于堅(jiān)硬頂板，切頂采用深孔預(yù)裂爆破，切頂高度為8.36 m。巷道幫部采用錨桿支護(hù)，頂板采用“錨索+錨桿+錨網(wǎng)+單元支架+單體支柱”的聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。留巷支護(hù)示意圖如圖1。

圖1 留巷段巷道支護(hù)示意圖Fig.1 Roadway support of retaining roadway section

擋矸支護(hù)過(guò)程中，一般頂板沉降量較小的時(shí)候使用工字鋼，頂板沉降量較大時(shí)使用U 型鋼，邱集煤礦11 煤頂板為堅(jiān)硬的灰?guī)r頂板，質(zhì)地堅(jiān)硬，強(qiáng)度大，根據(jù)過(guò)往的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)留巷周期內(nèi)，灰?guī)r頂板的整體沉降量約為150～300 mm，屬于較小沉降范圍，因此選用工字鋼作為主要擋矸支護(hù)材料。所以，邱集煤礦11 煤1105 工作面運(yùn)輸巷采用“單體支柱+單根工字鋼+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合擋矸支護(hù)，其中鋼筋網(wǎng)采用經(jīng)緯網(wǎng)，工字鋼臥底200 mm，1105 工作面擋矸方案示意圖如圖2。

圖2 1105 工作面擋矸方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of gangue retaining support scheme for 1105 working face

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，擋矸結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍損害，出現(xiàn)了工字鋼彎曲、鋼筋網(wǎng)網(wǎng)兜大變形等問(wèn)題，巷道凈空間縮小嚴(yán)重，且嚴(yán)重影響了回收利用效率?？梢?jiàn)，1105 工作面擋矸支護(hù)方案存在弊端，需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足現(xiàn)場(chǎng)留巷要求。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，1105 工作面擋矸壓力極值為3.0 MPa，沖擊擋矸結(jié)構(gòu)的矸石最大體積不超過(guò)500 mm×400 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

2 擋矸受力模型

2.1 留巷段分區(qū)

為探究留巷期間擋矸結(jié)構(gòu)變形破壞機(jī)制，對(duì)1105 工作面留巷段擋矸結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及矸石幫運(yùn)動(dòng)特征將留巷段分為沖擊區(qū)、壓實(shí)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)[9]。分區(qū)建立擋矸結(jié)構(gòu)受力模型。1105 工作面留巷段分區(qū)如圖3。

圖3 留巷段分區(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of roadway retaining section

滯后工作面5 m 范圍內(nèi)為矸石沖擊區(qū)，灰?guī)r頂板垮落時(shí)矸石塊度較大，受重力作用大，塊矸體直接垮落，其中較破碎的矸石沿斜坡向下彈跳、滾落，進(jìn)而對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)造成沖擊，因此該區(qū)域受沖擊較為嚴(yán)重，為主要防沖控制區(qū)，擋矸壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，壓力數(shù)值波動(dòng)較大。隨矸石垮落、壓實(shí)，從擋矸壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以看出，對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力隨時(shí)間先急劇增加，后緩慢增加，滯后工作面180 m 之內(nèi)，矸石的側(cè)向擠壓作用較為明顯，為矸石壓實(shí)區(qū)。直至達(dá)到新的平衡，壓力數(shù)值不變，為矸石幫穩(wěn)定區(qū)。

2.2 擋矸支護(hù)全過(guò)程計(jì)算模型

2.2.1 沖擊區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

工作面回采過(guò)后，采空區(qū)頂板垮落、矸石堆積，極易形成空區(qū)內(nèi)部高，擋矸結(jié)構(gòu)處低的斜坡結(jié)構(gòu)。當(dāng)頂板再次來(lái)壓時(shí)，垮落的矸石就會(huì)沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)造成沖擊[9]。由于堅(jiān)硬頂板垮落的矸石塊度較大，矸石沖壓特征明顯，有必要探究堅(jiān)硬頂板擋矸結(jié)構(gòu)沖擊變形與破壞特征，因此建立了沖擊區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受矸石沖擊的力學(xué)模型。矸石垮落沖擊模型如圖4。

圖4 矸石垮落沖擊模型Fig.4 Impact model of gangue caving

滾落、彈跳的矸石可簡(jiǎn)化成球體，考慮到工字鋼臥底，以及鉸接頂梁和單體支柱的側(cè)向約束作用，因此，擋矸結(jié)構(gòu)則可看成簡(jiǎn)支梁受圓球沖擊。矸石下落并沿著斜坡滾動(dòng)的過(guò)程可以簡(jiǎn)化成球體自由落體運(yùn)動(dòng)和騰躍運(yùn)動(dòng)[13]。

基于矸石運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)該力學(xué)模型做出如下假設(shè)：①模型中坡面是由已垮落矸石堆疊而成，坡度為 α；②矸體為質(zhì)量均勻分布的剛性球體；矸石下落為自由落體，于坡面上的運(yùn)動(dòng)抽象為騰躍運(yùn)動(dòng)，忽略矸體與坡面間的摩擦；③現(xiàn)場(chǎng)矸石多為塊狀，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)能增加很少，矸石沖擊擋矸結(jié)構(gòu)前的能量損失主要由坡面塑性變形引起；④落點(diǎn)A到落點(diǎn)C的路徑是固定的。

矸石下墜位置與堆疊坡體間的初始高度差為H1，則矸體與坡面接觸時(shí)的初速度可表示為：

式中：vBx、vBy為矸石撞擊B點(diǎn)前水平、豎直上的速度分量；H為采高；H2+H3為矸石堆積體的高度；H1=H-（H2+H3）。

由式（1）可得初速度是關(guān)于H1的函數(shù)。

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，矸石碰撞后會(huì)進(jìn)行彈跳。在B處彈跳后，速度可表示為：

式中：Rn為法向恢復(fù)系數(shù)；Rt為切向恢復(fù)系數(shù)；vBx′、vBy′分別為彈跳后矸石的速度在水平和豎直上的分量。

此后，矸石做騰躍運(yùn)動(dòng)，可近似描述為物理學(xué)中的斜拋運(yùn)動(dòng)，假設(shè)矸石沖擊在C處，則矸石對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)的沖擊速度vC為：

式中：m為矸石的質(zhì)量； α為矸石堆積角。

矸石堆積角和Rt、Rn與矸石材料屬性有關(guān)，確定采空區(qū)頂板巖性后可查到 α和Rt、Rn的數(shù)值。

由式（5）分析可知，沖擊能是關(guān)于質(zhì)量m和H1函數(shù)。沖擊能W與矸石質(zhì)量m呈線性關(guān)系。當(dāng)采高為定值時(shí)，相較于軟巖頂板、復(fù)合頂板，堅(jiān)硬頂板垮落矸石塊度大，沖擊能較大，但是，擋矸結(jié)構(gòu)變形能有限，過(guò)多的能量累積將導(dǎo)致?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)彎曲產(chǎn)生較大變形。同時(shí)，頂板壓力和矸石壓實(shí)的側(cè)向壓力作用也加速了擋矸結(jié)構(gòu)橫向彎曲，若不加以控制，最終將導(dǎo)致?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)彎曲破壞。

2.2.2 壓實(shí)區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

采空區(qū)矸石幫的壓實(shí)是1 個(gè)持續(xù)性的過(guò)程[6]，一方面隨工作面回采，直接頂將充分垮落，切頂范圍內(nèi)基本頂也將形成矸石垮落，矸石垮落堆疊作用產(chǎn)生的側(cè)向壓力隨著矸石堆積會(huì)增加；另一方面，未垮落的基本頂持續(xù)下沉，達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之后，破斷形成關(guān)鍵塊體，并回轉(zhuǎn)下沉，持續(xù)對(duì)下部垮落矸石進(jìn)行擠壓，從而擋矸結(jié)構(gòu)承受較大側(cè)向壓力。但由于不同高度處，垮落矸石壓實(shí)程度不同，考慮工字鋼臥底以及工字鋼頂部頂板下壓，因此可將壓實(shí)區(qū)內(nèi)的擋矸受力簡(jiǎn)化為受不均布荷載的簡(jiǎn)支梁模型，壓實(shí)區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化模型如圖5。

圖5 壓實(shí)區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化模型Fig.5 A simplified model for retaining gangue in compacted area

作用于擋矸結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力分為矸石垮落堆疊作用產(chǎn)生的側(cè)向壓力和由于采空區(qū)頂板下壓產(chǎn)生的側(cè)向壓力?？迓涠询B矸石作用于擋矸結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的側(cè)向壓力可以采用擋土墻理論[9]進(jìn)行計(jì)算。

矸石作用在擋矸結(jié)構(gòu)上的壓力Fy為：

式中： θ為矸石幫傾角； δ為矸體與擋矸結(jié)構(gòu)的摩擦角；h為矸體堆疊高度；ρ為矸石的密度；K0為靜止壓力系數(shù)；h0為基本頂下壓荷載換算矸石幫高度；L0為基本頂下壓荷載換算矸石幫寬度。

由式（6）可知，壓力Fy是關(guān)于矸體堆疊高度h的函數(shù)。

矸石幫側(cè)向壓力隨矸石垮落、堆積而增大，金屬網(wǎng)剛度相較于工字鋼剛度較低，先于工字鋼發(fā)生網(wǎng)兜大變形，并對(duì)相鄰工字鋼產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力作用。擋矸結(jié)構(gòu)橫向約束力作用較弱，將致使相鄰工字鋼移進(jìn)量增加，擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在頂板下壓和矸石側(cè)向擠壓的共同作用下造成工字鋼彎曲、鋼筋網(wǎng)網(wǎng)兜大變形，影響巷道正常使用。

2.2.3 穩(wěn)定區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

當(dāng)采空區(qū)矸石壓實(shí)，基本頂上部關(guān)鍵塊形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)達(dá)到平衡后，矸石幫壓力達(dá)到峰值，并均勻的作用在擋矸結(jié)構(gòu)上，因此擋矸受力也可看作受均布力作用下的簡(jiǎn)支梁模型，穩(wěn)定區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化模型如圖6。

圖6 穩(wěn)定區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化模型Fig.6 A simplified model for retaining gangue in stable area

3 擋矸結(jié)構(gòu)受力數(shù)值模擬

受矸石沖擊以及矸石幫擠壓作用的影響，擋矸結(jié)構(gòu)整體受力較大，為保證在整個(gè)擋矸支護(hù)期間，擋矸結(jié)構(gòu)能夠安全高效的運(yùn)行，關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)矸石沖擊和矸石幫擠壓作用的控制。

3.1 沖擊區(qū)擋矸工字鋼位移模擬

根據(jù)1105 工作面擋矸結(jié)構(gòu)破壞分析可知，在支設(shè)擋矸初期，受垮落矸石沖擊作用，單根工字鋼擋矸結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)彎折偏移等現(xiàn)象。因此針對(duì)1105 工作面擋矸支護(hù)提出1 種讓位滑移組合工字鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)卡蘭連接2 根搭接的工字鋼。當(dāng)工字鋼受矸石沖擊時(shí)，工字鋼搭接可以增強(qiáng)整體抗彎能力，控制彎曲變形，相對(duì)滑移可以顯著減小頂板下壓的影響，避免擋矸結(jié)構(gòu)進(jìn)一步彎曲變形，從而降低擋矸結(jié)構(gòu)損壞率。

為驗(yàn)證組合工字鋼的抗沖擊效果，采用ABAQUS 有限單元分析軟件，對(duì)比在相同條件下單根工字鋼與組合工字鋼的抗沖擊能力。圓球沖擊工字鋼模型示意圖如圖7。

圖7 圓球沖擊工字鋼模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of a ball impacting I-steel

以2.2.1 節(jié)擋矸力學(xué)模型為基礎(chǔ)，選取11#工字鋼作為模擬對(duì)象，工字鋼長(zhǎng)度分別為2 900 mm 和2 100 mm，組合工字鋼搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 300 mm，工字鋼結(jié)構(gòu)底端鉸支、頂端約束橫向位移。組合工字鋼模擬過(guò)程中將2 根工字鋼接觸面綁定。圓球采用點(diǎn)質(zhì)量，并施加1 個(gè)水平速度，對(duì)工字鋼進(jìn)行撞擊，

圓球點(diǎn)質(zhì)量設(shè)為100 kg，經(jīng)式（4）計(jì)算矸石的沖擊速度為4.81 m/s，本構(gòu)模型為等強(qiáng)硬化多線性彈塑性模型，采用非線性大變形動(dòng)力顯式方法。工字鋼參數(shù)為：彈性模量206 GPa，泊松比0.33，屈服強(qiáng)度335 MPa。

礦用工字鋼位移云圖如圖8。

圖8 11#礦用工字鋼位移云圖Fig.8 Displacement diagrams of mine-used I-steel

由圖8 可知，相較于單根工字鋼，組合工字鋼的5 個(gè)位置的沖擊變形分別降低了25%、7%、12%、24%、15%，說(shuō)明使用組合工字鋼結(jié)構(gòu)能降低擋矸結(jié)構(gòu)的彎曲變形，有利于擋矸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。受圓球沖擊的影響，工字鋼上端E位置處累計(jì)變形量最大，易先于其他部位發(fā)生變形破壞，后在頂板下壓與矸石橫向擠壓作用下導(dǎo)致工字鋼整體偏移量過(guò)大，因此，應(yīng)在工字鋼上端施加橫向的約束力，防止擋矸結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏斜。

為驗(yàn)證工字鋼上端施加約束力的支護(hù)效果，同時(shí)選擇合適的工字鋼型號(hào)，選取常用的9#、11#及12#礦用工字鋼作為模擬對(duì)象，模擬3 種工字鋼在單根工字鋼、組合工字鋼以及組合工字鋼上端施加約束后3 種情況下工字鋼上端的整體位移情況。工字鋼擋矸上端矸石沖擊處最大位移值如圖9。

圖9 工字鋼擋矸上端矸石沖擊處最大位移值Fig.9 Maximum displacement values of gangue impact at upper end of retaining gangue of mine I-steel

由圖9 分析可知：對(duì)比單根工字鋼結(jié)構(gòu)和組合工字鋼結(jié)構(gòu)，9#、11#及12#組合工字鋼結(jié)構(gòu)上端最大偏移量降低了26%、16%、11%，再一次說(shuō)明組合工字鋼結(jié)構(gòu)抗沖擊能力較好；對(duì)組合工字鋼結(jié)構(gòu)頂端施加橫向約束力后頂端位移分別為39、22、18 mm，降低幅度分別78.8%、86.2%、87.4%，說(shuō)明在工字鋼上端施加約束力后可有效控制擋矸結(jié)構(gòu)的整體偏移，且施加約束后擋矸結(jié)構(gòu)變形滿足留巷需求。因此，設(shè)計(jì)了1 種鋼筋頭，在頂板鉆孔后插入，并焊接在工字鋼上端，從而在矸石沖擊時(shí)對(duì)頂端提供橫向約束力。

為選擇合適的工字鋼型號(hào)，通過(guò)橫向比較不同型號(hào)工字鋼之間位移的差異，可知，11#工字鋼相對(duì)9#工字鋼頂端偏移量降低約43.5%，但使用12#工字鋼后，頂端位移僅降低4 mm，說(shuō)明11#工字鋼后，再提升工字鋼強(qiáng)度對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響不大。因此工字鋼選擇11#礦用工字鋼。

綜上所述，應(yīng)采用組合工字鋼結(jié)構(gòu)，配合使用單體支柱和鉸接頂梁，同時(shí)頂端焊接鋼筋頭提供側(cè)向約束力，限制上端橫向偏移，提高整體強(qiáng)度。

3.2 壓實(shí)區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬

擋矸結(jié)構(gòu)在壓實(shí)區(qū)內(nèi)主要受到采空區(qū)垮落矸石橫向擠壓作用的影響，此時(shí)影響擋矸結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的是鋼筋網(wǎng)上受到的整體均布?jí)簭?qiáng)，而非工字鋼受到的瞬時(shí)沖擊力，金屬網(wǎng)剛度相較于工字鋼剛度較低，先于工字鋼發(fā)生網(wǎng)兜大變形，并對(duì)相鄰工字鋼產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，擋矸結(jié)構(gòu)中工字鋼間距則是影響這一過(guò)程的重要因素。

為確定適宜的工字鋼間距，對(duì)常用工字鋼間距600、800、1 000 mm 進(jìn)行模擬。數(shù)值模型選擇尺寸為600 mm×2 700 mm、800 mm×2 700 mm、1 000 mm×2 700 mm，網(wǎng)孔40 mm×40 mm，鋼筋直徑6.5 mm 的鋼筋網(wǎng)片，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)綁扎情況，鋼筋網(wǎng)片除底邊其他三邊每100 mm 對(duì)鋼筋網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定。本構(gòu)模型選取等強(qiáng)硬化多線性彈塑性模型，并采用非線性大變形靜態(tài)法分析方法；在模擬中，將均布線荷載施加在鋼筋網(wǎng)片上模擬實(shí)際情況中鋼筋網(wǎng)片受矸石橫向擠壓作用[14]。鋼筋網(wǎng)材料系數(shù)為：鋼筋直徑6 mm，彈性模量200 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度500 MPa。

11 煤1105 工作面擋矸壓力極值為3.0 MPa，線荷載使用圣維南原理計(jì)算為1.59 N/mm。不同尺寸鋼筋網(wǎng)片的模擬結(jié)果如圖10。

圖10 不同尺寸鋼筋網(wǎng)片應(yīng)力及位移云圖Fig.10 Stress and displacement diagrams of steel mesh with different I-steel spacings

由圖10（a）可知，鋼筋網(wǎng)片節(jié)點(diǎn)固定處應(yīng)力集中程度較大，因此鋼筋網(wǎng)與工字鋼綁扎區(qū)域處屬于結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)，易先發(fā)生破斷。隨矸石側(cè)向壓力增大，鋼筋網(wǎng)對(duì)相鄰工字鋼呈拉應(yīng)力作用，受不斷增加的矸石壓力作用，鋼筋網(wǎng)逐漸發(fā)生網(wǎng)兜變形，并對(duì)相鄰工字鋼的拉力進(jìn)一步增大，若工字鋼間距過(guò)遠(yuǎn)，工字鋼約束力不足，造成相鄰工字鋼移近量較大，鋼筋網(wǎng)因工字鋼間距增大，發(fā)生進(jìn)一步大變形，惡性循環(huán)，直至擋矸結(jié)構(gòu)失效。因此，相鄰工字鋼之間用擋板約束，從控制工字鋼之間的距離出發(fā)，解決相鄰工字鋼移近量大引起的擋矸結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題，同時(shí)擋板能控制鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)兜變形，進(jìn)一步防止擋矸結(jié)構(gòu)失效。

由圖10（b）可知，鋼筋網(wǎng)片中心位置處位移值最大，且隨著鋼筋網(wǎng)片寬度的降低，位移值不斷減小，相較于寬度1 000 mm，寬度為800 mm 時(shí)變形減小75%，寬度為600 mm 變形減小77%?？紤]到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，選取工字鋼間距為800 mm 最為合理。

為了探究工字鋼間距為800 mm 時(shí)鋼筋網(wǎng)片的極限荷載，利用ABAQUS 軟件進(jìn)行模擬，線荷載每次增加0.1 N/mm，不同線荷載下鋼筋網(wǎng)的最大位移值如圖11。

圖11 不同線荷載下鋼筋網(wǎng)的最大位移值Fig.11 Maximum displacement of steel mesh under different linear loads

由圖11 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線荷載達(dá)到1.5 N/mm時(shí)，鋼筋網(wǎng)的最大位移值增大的幅度加大，加速失穩(wěn)破壞，此時(shí)鋼筋網(wǎng)最大位移量為116.1 mm，由此判斷當(dāng)工字鋼間距為800 mm 時(shí)鋼筋網(wǎng)所能承受的最大荷載范圍在1.4 N/mm 左右。

4 新型擋矸裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 擋矸支護(hù)方案

綜上，提出“組合工字鋼結(jié)構(gòu)+鋼筋頭+擋板+鋼筋網(wǎng)+鉸接頂梁+單體支柱”的聯(lián)合擋矸支護(hù)方案，擋矸支護(hù)方案示意圖如圖12。

圖12 擋矸支護(hù)方案示意圖Fig.12 Schematic diagrams of retaining and supporting scheme

由圖12 可見(jiàn)，工字長(zhǎng)度為2 100 mm，2 根工字鋼使用2 個(gè)卡蘭搭接組成一榀工型鋼架，搭接長(zhǎng)度為1 300 mm，組合后的工字鋼架高度為2 700 mm。卡蘭上下沿距工字鋼搭接端頭各150 mm，卡蘭寬度100 mm。工字鋼架的間距為800 mm，底部臥底200 mm，使用連板與擋板連接相鄰2 組工字鋼，擋矸結(jié)構(gòu)置于切頂孔正下方，頂部緊貼鉸接頂梁。

4.2 擋矸結(jié)構(gòu)受力位移監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證新?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)對(duì)巷道矸石幫的控制效果，在邱集煤礦1105 工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)矸石幫變形及擋矸結(jié)構(gòu)側(cè)向壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，在巷道距原始切眼距離0～120 m 范圍內(nèi)使用單根工字鋼的擋矸結(jié)構(gòu)作為對(duì)照組，在距原始切眼距離120～240 m 范圍內(nèi)使用新型滑移讓位擋矸支護(hù)方案作為試驗(yàn)組，在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)布置十字測(cè)點(diǎn)對(duì)矸石墻整體變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)在工字鋼中部位置放置矸石壓力計(jì)用于監(jiān)測(cè)垮落矸石的整體壓力情況，矸石壓力計(jì)是由普通壓力計(jì)進(jìn)行改造得到的。

測(cè)點(diǎn)共計(jì)布置3 組，其中，測(cè)點(diǎn)1 及測(cè)點(diǎn)2分別位于巷道距原始切眼距離30、90 m 位置處，對(duì)單根工字鋼擋矸支護(hù)方案的對(duì)照組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)3 和測(cè)點(diǎn)4 分別位于巷道距原始切眼距離150、210 m 位置處，對(duì)使用新型滑移讓位擋矸支護(hù)方案的試驗(yàn)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每組測(cè)點(diǎn)均對(duì)矸石幫位移和矸石壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖13。

圖13 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.13 Monitoring data statistic

由圖13（a）可知：受矸石沖擊影響，在擋矸支設(shè)后0～7 d 內(nèi)，屬于矸石沖擊區(qū)，矸石壓力會(huì)出現(xiàn)1 個(gè)小高峰，最大沖擊應(yīng)力為2.25 MPa；隨后隨矸石垮落完全，留巷巷道進(jìn)入壓實(shí)區(qū)，初期矸石壓力有所回落，但隨矸石逐漸壓實(shí)，對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)的壓力不斷上升，最終穩(wěn)定在3.0 MPa 附近，未超過(guò)鋼筋網(wǎng)最大荷載設(shè)計(jì)值，滿足留巷要求。

由圖13（b）可知：?jiǎn)胃ぷ咒摀蹴分ёo(hù)條件下，矸石幫最大變形量平均為347 mm；使用新方案的2 根工字鋼后，矸石幫最大變形量下降至176 mm，較常規(guī)支護(hù)下變形量降低49%，且在日常巡視過(guò)程中，并未發(fā)現(xiàn)新型擋矸支護(hù)區(qū)域出現(xiàn)破壞，留設(shè)巷道平整，滿足二次復(fù)用要求。可見(jiàn)，新的擋矸支護(hù)方案可有效控制矸石幫變形，保證采場(chǎng)安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）基于回采過(guò)程中矸石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及壓實(shí)程度不同，將架后擋矸支護(hù)區(qū)域分為沖擊區(qū)、壓實(shí)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，并據(jù)此建立擋矸受力分析模型，分析不同區(qū)域位置處擋矸結(jié)構(gòu)受力特征。其中在沖擊區(qū)，垮落頂板為大塊矸石，主要對(duì)擋矸結(jié)構(gòu)起到?jīng)_擊作用，在壓實(shí)區(qū)，隨垮落矸石逐漸被壓實(shí)，擋矸結(jié)構(gòu)受到的側(cè)向壓力逐漸增大，直至穩(wěn)定區(qū)達(dá)到平衡。

2）利用ABAQUS 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)比單根工字鋼和2 根工字鋼組合結(jié)構(gòu)在矸石沖擊下的橫向位移和應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)使用2 根工字鋼組合結(jié)構(gòu)作用下?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)最大位移有明顯下降，且對(duì)工字鋼頂端施加約束力后，下降幅度明顯，擋桿工字鋼間距為800 mm 時(shí)，鋼筋網(wǎng)變形量滿足要求，且滿足經(jīng)濟(jì)需求。

3）提出了一種新型滑移讓位組合字鋼結(jié)構(gòu)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：使用新型擋矸結(jié)構(gòu)后，擋矸最大壓力為3.0 MPa，小于鋼筋網(wǎng)最大荷載設(shè)計(jì)值；矸石幫最大側(cè)向位移量為176 mm，相較于傳統(tǒng)擋矸結(jié)構(gòu)降低49%，留設(shè)巷道平整豎直，滿足二次復(fù)用要求。