綜放工作面大跨度切眼支護參數(shù)優(yōu)化

要華偉

(西山煤電集團 黨政辦公室，山西 太原 030053)

近年來，隨著工作面回采機械化程度的逐漸提高，綜放工作面開切眼跨度也逐漸增大，大跨度巷道圍巖變形特征與裂隙擴展規(guī)律的復(fù)雜性給切眼支護增大了難度[1-3].切眼開挖后圍巖由三向應(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。因此，對圍巖支護提出了更高要求[4-5].切眼服務(wù)時間從開始掘進到工作面設(shè)備安裝調(diào)試成功開始回采時止，時間一般較短，如果為滿足對大斷面切眼圍巖變形控制起到良好效果而注重支護強度、密度，將會導(dǎo)致支護過度，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)時間短而降低支護強度、密度，將會導(dǎo)致支護不足，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重致使設(shè)備無法安裝，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，后擴刷到總寬度7.8 m,對該切眼支護參數(shù)進行分析，支護斷面見圖1.

圖1 3107綜放工作面切眼支護斷面圖

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

1#鉆孔位于3107切眼端頭向里30 m左右位置，實際窺視深度7.8 m.結(jié)合表1可以看出，鉆孔在開始階段 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展特征

采用二維離散元數(shù)值計算軟件UDEC 6.0模擬巷道圍巖裂隙演化以及計算圍巖應(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3107切眼進行三角形網(wǎng)格節(jié)理劃分。Voronoi網(wǎng)格塊體之間參數(shù)定義的靈活性，劃分方法的隨機性，對于模擬巖體裂隙發(fā)展具有獨特的優(yōu)勢，國內(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，有效提高了計算效率而且裂隙擴展與與試驗結(jié)果更加吻合。破壞準則[9]見圖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)變增加量；

sign—Fs遵循的數(shù)學(xué)函數(shù)。

數(shù)值模型計算過程為：建立UDEC數(shù)值模型→原巖應(yīng)力平衡→開挖切眼→運算平衡→輸出計算結(jié)果并分析。覆巖采動應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬過程中，導(dǎo)硐掘進，每500步保存一次直至平衡的過程中，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)見表2.數(shù)值模型見圖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支護條件下、原支護條件下、優(yōu)化支護條件下頂板破斷特征，剪切和拉伸裂隙分布規(guī)律分別見圖4，5，6.

圖4 無支護與原支護頂板破斷特征圖

無支護條件下，頂板剪切裂隙擴展高度為10.5 m，拉伸裂隙擴展高度為6.7 m；原支護條件下，頂板剪切裂隙擴展高度為8.0 m，拉伸裂隙擴展高度為4.0 m；通過對原支護方案中裂隙擴展規(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)育高度最大值達到了8.0 m，原支護方案中的加強錨索長度為6.3 m，為了有效控制頂板剪切裂隙的擴展，提高支護安全系數(shù)，提出了8.3 m高預(yù)緊力錨索配合工字鋼梁支護方案，見圖7.

圖5 無支護與原支護剪切裂隙分布規(guī)律圖

圖6 無支護與原支護拉伸裂隙分布規(guī)律圖

圖7 優(yōu)化支護參數(shù)圖

優(yōu)化后頂板裂隙發(fā)育規(guī)律見圖8，頂板剪切裂隙擴展高度從原支護參數(shù)的8.0 m降低到6.4 m，拉伸裂隙擴展高度從原支護參數(shù)的4.0 m降低到3.0 m，說明4.3 m的短錨索能夠有效控制淺部拉伸裂隙的擴展，而8.3 m的補強錨索能夠有效控制深部剪切裂隙的擴展，優(yōu)化后的支護參數(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參數(shù)

導(dǎo)硐側(cè)頂板支護采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護，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，鋼筋梯子梁采用d12 mm的鋼筋焊接而成。

擴刷側(cè)頂板支護采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護，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)硐與擴刷交接面處開始布置，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，距離擴刷交界線左側(cè)的距離為500 mm，間排距為1 400 mm×1 600 mm，錨索托盤配套采用規(guī)格為260 mm×260 mm×16 mm，拱高不低于60 mm托盤一個(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)一根加強錨索采用d18.9 mm，L6 300 mm，與長錨索的距離為1 400 mm，排距為1 600 mm.切眼支護參數(shù)斷面見圖9.

圖9 3107大跨度切眼支護參數(shù)斷面圖

擴刷側(cè)采煤幫采用d22 mm L 2 500 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，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)值計算模型，對比分析了無支護參數(shù)下，原支護參數(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)上提出了補強錨索控制深部剪切裂隙發(fā)育深度的優(yōu)化思想，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場應(yīng)用驗證了優(yōu)化支護參數(shù)的合理性。得出了以下結(jié)論：

1)無支護參數(shù)下大跨度切眼頂板剪切裂隙擴展深度為10.5 m，原支護參數(shù)下擴展深度降低到8.0 m，優(yōu)化后支護參數(shù)剪切裂隙擴展深度降低到6.4 m，拉伸裂隙擴展深度從原支護的4.0 m降低到3.0 m.補強錨索能夠有效控制深部剪切裂隙的擴展，而短錨索支護能夠有效控制淺部拉伸裂隙的擴展。

2)3107綜放工作面大跨度切眼使用補強錨索的優(yōu)化支護參數(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。