綜放大跨度三心微拱形開切眼圍巖破壞機(jī)理與控制技術(shù)

王紅勝 趙楊陽 李磊 郭衛(wèi)彬 朱廣安 肖雙雙

摘?要：針對松軟厚煤層綜放大跨度開切眼圍巖控制難題，以魏家地煤礦2303工作面開切眼為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法，提出了三心微拱形開切眼斷面形狀，探討了三心微拱形開切眼圍巖應(yīng)力分布特征及破壞機(jī)理，并與矩形切眼對比分析。結(jié)果表明：三心微拱形開切眼的肩角和頂板受力均勻，能夠?qū)㈨敯宕怪睉?yīng)力傳遞到兩幫，肩部所受壓應(yīng)力明顯減小，未出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象;肩角附近圍巖主要受到壓剪破壞，破壞區(qū)域集中，呈“蝶形”分布;頂板圍巖受到拉剪破壞，破壞區(qū)域面積減小，圍巖相對穩(wěn)定;且弧形頂板、肩角有利于錨桿安裝?；谌奈⒐靶伍_切眼圍巖破壞特征，提出了錨桿-錨索-錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的圍巖控制技術(shù)，頂板下沉量減少50%，兩幫移近量減少55%;在2303工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)場實(shí)測頂板下沉量為170 mm，兩幫相對移近量為220 mm，圍巖控制效果良好。關(guān)鍵詞：三心微拱形;綜放開采;大跨度開切眼;軟厚煤層;破壞機(jī)理

中圖分類號：D 353.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）01-0049-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0107開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Failure mechanism and control technology of surrounding rock

of three-centered-micro-arched large span open-off cut

in fully-mechanized caving mining face

WANG Hong-sheng?1，2，ZHAO Yang-yang?1，LI Lei?1，2，GUO Wei-bin?1，2，

ZHU Guang-an?1，2，XIAO Shuang-shuang?1，2

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Institute of Rock Burst Prevention and Control，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：Aiming at the difficult controlling problem of the surrounding rock of large span Open-off Cut（OC）in soft and thick coal seam，the paper put forward three-centered-micro-arched（TCMA）OC，and discussed the stress distribution characteristics and failure mechanism of surrounding rock by numerical simulation and field practice under the engineering background of the NO.2303 working face in Weijiadi coal mine.Compared with rectangular OC，the results show that the stress of TCMAOC is well-distributed on shoulder and roof，which can transfer the vertical stress of the roof to both sides.The stress on the shoulder decreases obviously without causing marked stress concentration.There are compression-shear failure and tension-shear failure of the surrounding rock on shoulder and roof respectively.The failure area on shoulder is relatively concentrated，showing a butterfly-shaped distribution and the failure area on roof decreases.It is helpful for to the stability of surrounding rock of the OC and the installation of anchors.Based on failure characteristics of surrounding rock of the TCMAOC，the bolt-cable-anchor-mesh combined support is put forward to control surrounding rock.The numerical analysis show that the roof subsidence is reduced by 50%，and the approaching amount of the sidesby 55%.The industrial test was carried out at No.2303 working face in Weijiadi Coal Mine.The measurement results show that the roof subsidence is 170 mm，and the approaching amount of the sides is 220 mm，a good effect of surrounding rock control.Key words：TCMA;fully-mechanized caving mining;large span OC;soft and thick coal seam;failure mechanism

0?引?言

開切眼是煤礦采煤工作面設(shè)備安裝與開始回采場所，其支護(hù)安全穩(wěn)定性對于工作面設(shè)備安裝與順利回采起著至關(guān)重要作用。松軟厚煤層綜放開切眼一般采用矩形斷面，兩幫、頂板均為煤層，圍巖強(qiáng)度較低，開切眼跨度越大，圍巖主應(yīng)力差越大[1-2]，由此導(dǎo)致的巷道圍巖變形、裂隙貫通現(xiàn)象越顯著[3-4]，采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，圍巖控制困難[5]。針對大斷面開切眼受力及破壞特點(diǎn)，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究：何富連等提出了頂板控制要先保證幫三角區(qū)域穩(wěn)定的觀點(diǎn)[6];馬占元等針對大跨度開切眼圍巖穩(wěn)定性提出了頂板離層率、圍巖松動(dòng)系數(shù)和頂板裂隙發(fā)育度3個(gè)控制指標(biāo)，并將開切眼圍巖控制支護(hù)難度劃分為6級[7];賈尚昆等總結(jié)了厚煤層綜放大斷面開切眼圍巖破壞規(guī)律，分析了不同開切眼跨度對圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律[8];張鳳巖等分析了厚煤層大斷面開切眼圍巖破壞特征，認(rèn)為支護(hù)時(shí)要加強(qiáng)頂板控制[9];黃慶國等針對特厚煤層10 m大跨度開切眼支護(hù)難題，提出了大跨度開切眼支護(hù)要形成群錨封閉效應(yīng)更有利于圍巖穩(wěn)定[10];張理生等分析了大跨度開切眼在不穩(wěn)定厚層泥巖頂板下圍巖內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)控制機(jī)理，并提出“三高”支護(hù)技術(shù)[11]。針對大斷面開切眼圍巖控制的難題，國內(nèi)學(xué)者針對不同條件提出了對應(yīng)的圍巖控制技術(shù)：王紅衛(wèi)等分析了三軟厚煤層大跨度開切眼圍巖破壞特征[12]，并提出了高強(qiáng)穩(wěn)定性錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù);孫海良等針對三軟煤層大斷面開切眼，提出了高強(qiáng)度錨桿錨網(wǎng)帶+長短錨索托梁聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[13];高鴻宇等通過分析開切眼無支護(hù)下圍巖應(yīng)力和變形特征，提出了錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式[14];王紅勝等采用非線性數(shù)值分析軟件UDEC，系統(tǒng)地分析了跨采下山圍巖變形機(jī)理及支護(hù)物應(yīng)力、應(yīng)變變化特征，提出了對跨采下山以小孔徑錨索進(jìn)行“分區(qū)加固”的方案[15];蔣志剛等基于厚頂煤大跨度開切眼圍巖破裂發(fā)展規(guī)律，分析了高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)機(jī)理[16];曲建光等通過分析大斷面開切眼圍巖破壞誘因，提出了錨網(wǎng)索+桁架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[17]。

以上學(xué)者研究多集中于矩形開切眼破壞機(jī)理與圍巖控制等方面，較少涉及開切眼斷面優(yōu)化，三心拱斷面兼具矩形斷面和半圓拱斷面的優(yōu)點(diǎn)，能夠改善巷道的受力性能，減少巷道的二次維護(hù)，開切眼跨度增大時(shí)，其承載的優(yōu)點(diǎn)持續(xù)放大。因此，針對魏家地煤礦西二采區(qū)3#煤層具有松軟、強(qiáng)度低（f=0.5～0.8）等特點(diǎn)，采用矩形斷面掘進(jìn)時(shí)，導(dǎo)致開切眼易冒頂、成型差、支護(hù)困難，文中提出了“三心微拱形”開切眼斷面，分析了三心微拱形開切眼圍巖破壞機(jī)理，并提出了相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)，為松軟厚煤層大垮度開切眼斷面設(shè)計(jì)及支護(hù)提供借鑒。

1?三心微拱形斷面開切眼

1.1?工程概況

2303工作面位于西二采區(qū)3#煤層中，開采深度為452～536 m，工作面走向長度為998 m，傾斜長度為232.5 m;煤層厚度為5.92～7.6 m，平均為7.0 m;煤層傾角為19°～26°，平均為22°.煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂為粉砂巖，基本頂為粉砂巖，直接底為粉砂巖，基本底為粉砂巖和砂礫巖，巖性如圖1所示。2303工作面開切眼沿3#煤層底板掘進(jìn)，平均坡度為-19°40′13″，設(shè)計(jì)長度為232.5 m.開切眼斷面采用“三心微拱形”，凈寬為7 m，凈高為2.8 m，凈斷面積為19.6 m2;掘進(jìn)寬度為7.2 m，掘進(jìn)高度為2.9 m，掘進(jìn)斷面積為20.88 m2.

1.2?三心微拱形斷面

目前，當(dāng)煤層賦存條件較好時(shí)，開切眼多采用矩形斷面，成巷速度快，有利于減少工作面準(zhǔn)備時(shí)間。但矩形斷面開切眼肩角應(yīng)力集中程度高，圍巖控制相對困難，因此多數(shù)煤礦開切眼掘進(jìn)時(shí)多采用圓角矩形斷面（圖2（a）），較好地降低了開切眼肩角應(yīng)力集中程度，但由于切眼跨度大，頂板下沉量仍然較大。

針對2303綜放工作面松軟厚煤層賦存特點(diǎn)，采用一種新的斷面形狀，在保留圓角矩形斷面優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將頂板“直線型”區(qū)域優(yōu)化為“弧線形”（圖2（b）），使其頂板由三段圓弧組成，但此斷面形狀又區(qū)別于三心拱形，解除了邊弧和頂弧交點(diǎn)處切線必須重合的要求，該點(diǎn)處兩弧切線夾角為鈍角，邊弧參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況和設(shè)備要求自由選取，頂弧參數(shù)根據(jù)切眼頂高進(jìn)行設(shè)計(jì)，將此形狀稱為“三心微拱”（圖2（b））。

三心微拱形切眼斷面為軸對稱圖形，取對稱軸左側(cè)進(jìn)行分析。設(shè)開切眼高h(yuǎn)1（取2 900 mm），寬B（取7 200 mm），墻高h(yuǎn)3（取2 000 mm），邊圓半徑r（取500 mm，邊圓圓心位置，如圖3所示）（注：以上參數(shù)選取均依照煤層厚度、開采工藝、開采設(shè)備等因素）邊圓圓心角β（π/2>β>0，大于90°會(huì)在兩圓弧接觸位置產(chǎn)生明顯尖角），頂圓半徑R，頂圓圓心角α（π>α>0），其它相關(guān)參數(shù)如圖3所示，開切眼斷面面積S，斷面周長L.

綜上可知影響開切眼斷面面積與周長的主導(dǎo)因素為邊圓圓心角，根據(jù)式（1）（2），采用MATLAB軟件繪制邊圓圓心角對斷面面積、斷面周長的影響規(guī)律（圖4，5）。從圖4，5可知，開切眼斷面面積與邊圓圓心角呈二次分布規(guī)律，斷面周長與邊圓圓心角呈先增大后平穩(wěn)的規(guī)律。切眼設(shè)計(jì)遵循斷面最大利用且周長最小原則，故點(diǎn)M（77°，19.585 4 m?2）即為所求，圖2中邊圓半徑取500 mm，邊圓圓心角為77°.

2?圍巖破壞機(jī)理

2.1?模型建立

基于2303工作面地質(zhì)條件，根據(jù)工作面內(nèi)K94鉆孔建立模型（圖6），模型（長×寬×高）為115.0 m×100.0 m×90.0 m，劃分442 556個(gè)單元格，煤層厚度為7.50 m，傾角為19°，其中三心微拱形巷道由于形狀較為復(fù)雜，以FLAC?3D提供的基本形狀為基礎(chǔ)較難建立，故借助于Rhino軟件建立巷道模型。煤層及頂?shù)装鍘r層均采用Mohr-Coulumb本構(gòu)關(guān)系模型。對魏家地煤礦煤巖試樣進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)測試，所得煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1.模型側(cè)面和底部設(shè)置邊界條件，限制模型移動(dòng)，頂部施加上覆巖層壓力。為了便于對比分析，2303工作面開切眼斷面形狀分別為矩形、三心微拱形，其中矩形斷面（圖2（a））寬×高為7 200 mm×2 900 mm，三心微拱形斷面（圖2（b））寬×高為7 200 mm×2 900 mm.

2.2?應(yīng)力分布規(guī)律

開切眼巷道開挖后，在煤幫形成較大范圍的垂直應(yīng)力集中區(qū)域，如圖7所示。以開切眼右?guī)蜑槔?，對?cè)向支承壓力進(jìn)行監(jiān)測得出，矩形開切眼垂直應(yīng)力峰值為16.6 MPa，位于右?guī)?2.6 m處，垂直應(yīng)力集中系數(shù)為1.22，集中區(qū)域范圍寬約6.3 m;三心微拱形開切眼的垂直應(yīng)力峰值為16.3 MPa，位于右?guī)?6.3 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.19，集中區(qū)域范圍寬約4.5 m，采用三心微拱形斷面，開切眼巷道垂直應(yīng)力集中程度略有降低，垂直應(yīng)力顯著作用范圍減小20%，如圖7（c）所示。

2.3?變形特征

矩形開切眼和三心微拱形開切眼的頂板下沉最大部位均在頂板中部，前者頂板中部下沉量最大達(dá)420 mm，如圖8（a）所示，后者因頂板和尖角被圓弧化，頂板中部和兩端部位下沉被明顯抑制，中部的下沉量最大為280 mm，如圖8（b）所示;同樣，矩形開切眼和三心微拱形開切眼在巷幫中部的水平位移最大，前者兩幫移近量最大為200 mm，巷幫中部和幫頂幫角位置位移量相差為40～60 mm，如圖8（c）所示，后者兩幫移近量最大達(dá)170 mm，巷幫中部和幫頂幫角位置位移量相差為10～20 mm，降低了片幫發(fā)生的幾率，如圖8（d）所示。頂?shù)装逦灰谱兓勘O(jiān)測如圖9所示，三心微拱形斷面底鼓量峰值約比矩形斷面時(shí)提高了33.33%，但仍處于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。

2.4?破壞機(jī)理

根據(jù)FLAC?3D軟件模擬得出的塑性區(qū)分布圖，如圖10所示，開切眼圍巖破壞有以下規(guī)律。

1）在頂板以上區(qū)域，矩形開切眼和三心微拱形開切眼圍巖破壞主要以拉破壞和拉剪破壞為主，頂板以上破壞區(qū)域2種開切眼均呈現(xiàn)出“梯

形”分布，矩形開切眼頂板以上破壞區(qū)域最高點(diǎn)與開切眼頂板垂直距離約15.35 m，三心微拱形開切眼頂板以上破壞區(qū)域最高點(diǎn)與開切眼頂板垂直距離約13.46 m.

2）在肩角處，矩形開切眼和三心微拱形開切眼圍巖破壞主要以剪切破壞為主，矩形開切眼剪切破壞的區(qū)域較為分散，大致呈“矩形”分布，單側(cè)破壞面積約40.8 m?2;三心微拱形開切眼剪切破壞

的區(qū)域較為集中，呈“蝶形”分布，單側(cè)破壞面積約30.1 m?2.

3）在底板以下區(qū)域，矩形開切眼和三心微拱形開切眼圍巖破壞主要以拉破壞和拉剪破壞為主，頂板以上破壞區(qū)域2種斷面均呈現(xiàn)出“倒梯形”分布，破壞區(qū)域面積基本相同;在開切眼兩幫處，圍巖破壞主要以拉破壞和拉剪破壞為主，三心微拱形開切眼兩幫破壞區(qū)域面積比矩形開切眼兩幫破壞區(qū)域面積縮小30%.

綜上所述，采用三心微拱形開切眼斷面，圍巖垂直應(yīng)力集中程度與矩形斷面基本相同，但垂直應(yīng)力顯著作用范圍減小20%;三心微拱形切眼圍巖破壞區(qū)域明顯較小，其中，肩部減小25%，巷幫減小30%，頂板減小12%.因此，降低了切眼圍巖的控制難度。

3?圍巖控制技術(shù)

3.1?控制技術(shù)

較矩形開切眼而言，三心微拱形開切眼的受力環(huán)境明顯改善，但是由于切眼斷面的跨度較大，頂板依舊受到較大的垂直應(yīng)力，抑制頂板下沉仍然是支護(hù)技術(shù)的重點(diǎn)?；谌奈⒐靶伍_切眼圍巖破壞特征，提出錨桿-錨索-錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，具體支護(hù)斷面如圖11所示。

3.1.1?錨桿支護(hù)參數(shù)

采用錨網(wǎng)索噴加打木頂柱支護(hù)，幫頂均選用22 mm×2 600 mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿配件采用125 mm×125 mm×10 mm碟形鐵托板、加強(qiáng)鐵托板、200 mm×200 mm×60 mm木托板、半球墊、減磨墊圈及M24快裝螺母，采用Z2360，K2360樹脂錨固劑各1支加長錨固，間排距700 mm×700 mm，全斷面鋪單層網(wǎng)孔為30 mm×30 mm的12#菱形金屬網(wǎng)。

3.1.2?錨索支護(hù)參數(shù)

錨索加固采用17.8 mm×7 000 mm錨索，配300 mm×300 mm×80 mm木托板，200 mm×200 mm×16 mm鐵托板、鎖具，頂部沿拱頂布置4排錨索，錨索間排距1 400 mm×1 400 mm，噴厚100 mm，每根錨索采用一支K2360和2支Z2360樹脂藥卷錨固。

3.1.3?錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)

金屬網(wǎng)規(guī)格：使用800 mm×9 000 mm的12#金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔30 mm×30 mm.金屬網(wǎng)聯(lián)接采用網(wǎng)邊自聯(lián)自工藝，聯(lián)網(wǎng)扣數(shù)不少于10扣/m.

3.2?控制效果初步評價(jià)

3.2.1?切眼支護(hù)的數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

錨桿錨索通常用來加固巖石工程，其主要作用是借助樹脂藥卷沿其長度提供的抗剪能力，以產(chǎn)生局部阻力來抵抗巖塊裂縫的位移。在FLAC?3D中，通過采用cable單元并對其幾何參數(shù)、材料參數(shù)和樹脂藥卷特性進(jìn)行定義來模擬錨桿錨索。

3.2.2?圍巖應(yīng)力

采用錨桿-錨索-錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，提高了開切眼煤幫的承載能力，垂直應(yīng)力顯著作用范圍有所減小，且其峰值向淺部圍巖轉(zhuǎn)移，最大值為17.4 MPa，位于至右?guī)蛿嗝?.0 m處，應(yīng)力集中

系數(shù)為1.3，垂直應(yīng)力顯著作用區(qū)域范圍約2.46 m，比支護(hù)前減少了45%，如圖12（a）所示。

3.2.3?圍巖變形

采用錨桿-錨索-錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，頂板下沉量明顯減少50%，底鼓量基本不變。兩幫移近量減少55%，有效的控制了巷道變形，如圖13所示。

3.3.4?圍巖破壞

采用錨桿-錨索-錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，圍巖塑性區(qū)明顯減小，頂板和巷幫由過去的拉剪混合破壞變?yōu)榧羟衅茐模覊杭羝茐膮^(qū)域約減小50%，穩(wěn)定性有所增強(qiáng)，如圖14所示。

4?應(yīng)用效果

2303工作面開切眼采用三心微拱形斷面進(jìn)行開挖，采用上述支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，分別在距運(yùn)輸順槽50，100，150 m處，對開切眼頂板及兩幫變形進(jìn)行監(jiān)測，開切眼圍巖變形規(guī)律如圖15所示。開切眼掘進(jìn)后，原巖應(yīng)力狀態(tài)被破壞，開切眼圍巖開始變形，開挖后3 d的變形量較大，

約18 d后，頂板及兩幫變形趨于穩(wěn)定，頂板下沉量穩(wěn)定于160～180 mm范圍內(nèi)，兩幫移近量穩(wěn)定于210～230 mm之間。

5?結(jié)?論

1）針對松軟厚煤層開切眼的圍巖控制難題，提出了三心微拱形斷面，對比矩形斷面，開切眼采用三心微拱形斷面能夠降低肩角部位應(yīng)力集中程度，減小頂板和兩幫圍巖拉剪破壞區(qū)域，在肩角部位形成一個(gè)比較集中的剪切破壞區(qū)域，有利于開切眼圍巖穩(wěn)定。

2）基于三心微拱形開切眼圍巖破壞特征，并針對魏家地煤礦實(shí)際條件，采用錨桿-錨索-錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，長錨索深入到圍巖穩(wěn)定區(qū)域，抑制圍巖發(fā)生剪切滑移，有效減少了開切眼頂板和巷幫的應(yīng)力峰值區(qū)域范圍和壓剪破壞范圍，增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性，頂板下沉量減少50%，兩幫移近量減少55%，有效的控制了巷道變形。

3）巷道斷面形狀優(yōu)化是鞏固巷道圍巖穩(wěn)定的一個(gè)重要措施，文中提出的三心微拱形斷面在改善大跨度開切眼圍巖穩(wěn)定上發(fā)揮了積極作用，并成功應(yīng)用于魏家地煤礦2303開切眼設(shè)計(jì)，兩幫移近量為200 mm，底板下沉量為150 mm，穩(wěn)定在一個(gè)可控范圍內(nèi)，取得了較好的圍巖控制效果。

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