極近距離采空區(qū)下大斷面開(kāi)切眼支護(hù)工藝優(yōu)化研究

高士崗，陳蘇社 ，柴 敬，楊玉玉，杜文剛

(1.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開(kāi)采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

大柳塔礦活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)煤層厚度10 m左右，上分層回采時(shí)底板局部下凹或頂煤局部留設(shè)過(guò)厚，且未采取鋪網(wǎng)等人工制造假頂措施，可能對(duì)下分層開(kāi)采造成較大影響。關(guān)于大跨度開(kāi)切眼理論研究較為成熟，很多學(xué)者進(jìn)行了深入研究[1-3]，但在采空區(qū)下方施工寬9 m、高3.9 m的大斷面開(kāi)切眼及相關(guān)硐室在國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道[4-5]。

針對(duì)采空區(qū)下大斷面開(kāi)切眼支護(hù)工藝及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用，制定安全開(kāi)采保障措施，建立起一套開(kāi)切眼支護(hù)方案確定—合理性驗(yàn)證—支護(hù)效果評(píng)價(jià)—推廣應(yīng)用的系統(tǒng)性技術(shù)體系，不僅為后續(xù)工作面開(kāi)采提供參考依據(jù)，同時(shí)為類似條件煤炭資源的回收利用提供良好借鑒。國(guó)內(nèi)相似工程應(yīng)用案例主要集中在近距離煤層采空區(qū)下巷道掘進(jìn)及支護(hù)工藝方面。

安宏圖[6]對(duì)上層煤采后的堅(jiān)硬頂板巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定了“類砌體梁”結(jié)構(gòu)，提出下煤層回采巷道的支護(hù)方式為錨網(wǎng)加工字鋼棚，并給出了具體的支護(hù)參數(shù)，能夠確保巷道的穩(wěn)定與安全。王震等[7]研究了極近距離煤層采空區(qū)下工作面巷道位置及支護(hù)方式，與上部殘留煤柱合理錯(cuò)距9 m，有效避開(kāi)上部采空區(qū)殘留煤柱影響，提出了巷道支護(hù)對(duì)策及支護(hù)方案，工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采。部分學(xué)者研究了極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道支護(hù)技術(shù)及圍巖控制方法[8-10]。曹東升[11]通過(guò)理論分析給出極近距離煤層支護(hù)方案：以頂板厚度3 m 為分界線分段支護(hù)、提高錨桿強(qiáng)度及預(yù)緊力、高阻讓壓與護(hù)表。王龍飛等[12]為了解決深井近距離煤層群采空區(qū)下巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的難題，結(jié)合煤柱載荷在底板巖層傳遞特征分析了上煤層底板應(yīng)力分布規(guī)律，并通過(guò)FLAC3D模擬分析，提出了以錨桿錨索支護(hù)為主，U型棚支護(hù)為輔的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性。郭萌等[13]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬方法分析了不同支護(hù)方案下的圍巖屈服強(qiáng)度、垂直應(yīng)力以及頂板垂直位移變化情況。確定了以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)為基礎(chǔ)、輔以間距為2 m 的 “11號(hào)工字鋼 + 單體液壓支柱”鋼棚式主動(dòng)支護(hù)方案。解決了頂板下沉問(wèn)題，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。楊玉亮等[14]為了解決淺埋深薄基巖大采高綜采面開(kāi)切眼支護(hù)參數(shù)不合理，支護(hù)系統(tǒng)效能不足的問(wèn)題，以紅柳林礦 25206 工作面開(kāi)切眼為工程背景進(jìn)行研究，形成了一套較完善的支護(hù)體系，有效降低巷道支護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

相比較采空區(qū)下巷道支護(hù)問(wèn)題，采空區(qū)下大斷面開(kāi)切眼支護(hù)技術(shù)研究較少。石圪臺(tái)礦近距離煤層1-2上煤采空區(qū)下1-2煤大斷面開(kāi)切眼支護(hù)困難，通過(guò)鉆探得出層間距僅為0.74～2.98 m，開(kāi)切眼斷面尺寸為7.9 m×3.0 m，綜合開(kāi)切眼實(shí)際生產(chǎn)條件，采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)片+錨索+鋼梁棚+單體支柱”聯(lián)合支護(hù)方案，通過(guò)近40 d巷道表面位移觀測(cè)，頂?shù)装遄畲笠平?2 mm，兩幫最大移近量26 mm，可滿足工作面安裝及正?；夭梢骩15]。吳昕[16]理論分析了開(kāi)切眼頂板穩(wěn)定性，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)得出其圍巖類別，從多方面探討了開(kāi)切眼一次支護(hù)可行性，根據(jù)工程類比法確定了開(kāi)切眼一次成巷支護(hù)方案，并對(duì)圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，開(kāi)切眼頂板最大離層量 21 mm，頂?shù)装遄畲笠平?170 mm，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)下開(kāi)切眼一次成巷支護(hù)。現(xiàn)有研究主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法提出采空區(qū)下巷道支護(hù)方案，再通過(guò)數(shù)值模擬或現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)對(duì)支護(hù)方案有效性進(jìn)行驗(yàn)證[17-20]。基于此，通過(guò)薄板理論、FLAC3D及ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)下開(kāi)切眼掘進(jìn)過(guò)程圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)活雞兔井1-2下煤203工作面開(kāi)切眼開(kāi)掘過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證支護(hù)方案的合理性。針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用，不僅為后續(xù)工作面開(kāi)采提供參考依據(jù)，也為國(guó)內(nèi)外類似條件煤炭資源的回采提供良好借鑒。

1 開(kāi)切眼頂板破斷距理論分析

在1-2煤下分層已有的幾個(gè)工作面布置及開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)切眼均外錯(cuò)于上分層開(kāi)切眼位置，將下分層開(kāi)切眼布置于實(shí)體煤之下，因而開(kāi)切眼施工及支護(hù)技術(shù)與以往無(wú)異。然而由于1-2下煤203工作面受到2-2煤小煤窯越界開(kāi)采影響，若將開(kāi)切眼外錯(cuò)于1-2上煤203工作面開(kāi)切眼位置，則工作面需從小煤窯采空區(qū)上方經(jīng)過(guò)，最終將1-2下煤203工作面開(kāi)切眼布置于1-2上煤203工作面采空區(qū)下方。有必要對(duì)此類型開(kāi)采及地質(zhì)條件下開(kāi)切眼頂板及兩幫圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

現(xiàn)有支護(hù)方案根據(jù)以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要采用有腿棚、單體液壓支柱、鋼筋網(wǎng)、錨托梁、抬棚梁、托梁錨索、玻璃鋼錨桿、圓鋼錨桿、塑料網(wǎng)、冷拔絲網(wǎng)等常用支護(hù)手段進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。當(dāng)圍巖變形量較大，現(xiàn)有支護(hù)方案不能有效阻止圍巖變形時(shí)，則通過(guò)加密有腿棚、錨索、錨桿、單體支柱等來(lái)進(jìn)行改善。這種設(shè)計(jì)思路基于經(jīng)驗(yàn)主義，并沒(méi)有進(jìn)行科學(xué)的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)部分類似工程案例礦井開(kāi)切眼尺寸及支護(hù)方式見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)部分類似工程案例

薄板理論為垂直于板平面的載荷作用下，或垂直載荷與板平面內(nèi)載荷的共同作用下的彎曲變形和內(nèi)力的理論。薄板是指厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度的物體。選用薄板理論進(jìn)行開(kāi)切眼頂板極限破斷距計(jì)算依據(jù)，主要考慮到以下4點(diǎn)因素：①煤系地層本身屬于層狀結(jié)構(gòu)，屬于薄板理論范疇之內(nèi)；②開(kāi)切眼開(kāi)掘后懸空頂板為矩形斷面，符合矩形薄板結(jié)構(gòu)；③開(kāi)切眼頂板厚度僅為2 m，遠(yuǎn)小于開(kāi)切眼長(zhǎng)度及寬度方向，屬于薄板理論研究范疇；④頂板破斷過(guò)程與薄板理論相似。自開(kāi)切眼后至頂板初次破斷前，可將開(kāi)切眼頂板視為四邊固支的矩形薄板結(jié)構(gòu)，假設(shè)薄板長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)為2a，短邊邊長(zhǎng)為2b(圖1)，撓度為ω，四邊固支薄板結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足位移邊界條件：

圖1 開(kāi)切眼頂板破斷前力學(xué)模型

(1)

根據(jù)邊界條件可得開(kāi)切眼頂板撓度函數(shù)為

(2)

式中：c為常數(shù);a，b分別為薄板長(zhǎng)邊與短邊半長(zhǎng)。

開(kāi)切眼懸空頂板初次破斷距為

(3)

式中：Mmax為巖層內(nèi)最大彎矩；h為巖層厚度；στ為巖層抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)條件，開(kāi)切眼跨度為9 m，頂板所受垂直載荷為0.427 MPa，巖層抗拉強(qiáng)度為1.06 MPa，間隔層厚度為2 m，可求得開(kāi)切眼頂板初次破斷距為17.85 m，周期破斷距為7.38 m?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工流程為先開(kāi)掘開(kāi)切眼寬度5.4 m，后擴(kuò)幫至9 m。若按照開(kāi)切眼跨度5.4 m計(jì)算，則初次破斷距為19.6 m，周期破斷距為8 m。該理論計(jì)算值可為開(kāi)切眼架棚支護(hù)最大滯后距離提供借鑒。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度校核模擬

開(kāi)切眼、端頭架窩、采煤機(jī)機(jī)窩斷面形狀均選擇矩形，所有巷道及硐室高度均為3.9 m，可滿足工作面設(shè)備運(yùn)輸及安裝。 選用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)用金屬梁為11號(hào)工字鋼，高度為(90±2)mm，腿寬(76±2)mm，腰厚(8±2)mm，模擬金屬棚梁及棚腿彈性模量為210 GPa，密度為7 800 kg/m3，抗拉強(qiáng)度510 MPa，屈服強(qiáng)度345 MPa。

設(shè)計(jì)支護(hù)方案中主要支護(hù)結(jié)構(gòu)包括錨桿、錨索、金屬有腿棚、單體支柱。為分析支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖變形后變形及受力特征，通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬對(duì)不同支護(hù)方案支護(hù)效果進(jìn)行模擬驗(yàn)證。共提出3種支護(hù)方案：方案1為金屬有腿棚+中部1根單體支柱；方案2為金屬無(wú)腿棚梁+3根單體支柱；方案3為金屬有腿棚+3根單體支柱。3種支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 3種模擬支護(hù)方案

頂梁及柱腿強(qiáng)度校核：

(4)

式中：σa、σb分別為頂梁、棚腿所承受的最大應(yīng)力；M1max、M2max分別為頂梁及柱腿所受最大彎矩；F為斷面積；R1、R2分別為頂梁、棚腿軸力；σ為頂梁及柱腿最大應(yīng)力；fσ為鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

對(duì)于一架跨長(zhǎng)為9.0 m的11號(hào)工字鋼頂梁，頂梁達(dá)到屈服極限時(shí)的均布載荷約為18.6 kN/m，整架棚的使用載荷QS為167.2 kN，頂梁最大彎曲下沉量達(dá)到87.0 mm時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)屈服變形。頂梁破壞時(shí)的均布載荷為26.7 kN/m，整架棚的破壞載荷QB為240.2 kN，頂梁最大彎曲下沉量為132.6 mm，此時(shí)頂梁發(fā)生破壞。當(dāng)取頂梁均布載荷集度q為7.2 kN/m時(shí)，頂梁及棚腿強(qiáng)度符合條件，對(duì)應(yīng)的頂梁最大彎曲下沉量為33.91 mm。

頂梁最大彎曲量：方案1為16.2 mm；方案2為12.4 mm；方案3為10.7 mm。3種方案中頂梁及棚腿強(qiáng)度均符合條件。在頂梁與棚腿連接處形成應(yīng)力集中，棚腿部位遭受很大的側(cè)向壓力，在兩側(cè)發(fā)生彎曲變形，部分棚腿向巷道內(nèi)移動(dòng)，工字鋼棚架支護(hù)易產(chǎn)生局部扭曲破壞、棚腿折腿破壞、屈曲破壞和肩角部位側(cè)拱的局部壓折破壞，不易發(fā)揮承載能力。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，方案1最大撓度理論解16.2 mm，最大撓度數(shù)值解20.3 mm；方案2最大撓度理論解12.4 mm，最大撓度數(shù)值解19.5 mm；方案3最大撓度理論解10.7 mm，最大撓度數(shù)值解15.3 mm。

如圖3所示，從頂梁彎曲量對(duì)比曲線可以看出，方案3較方案1、2頂梁彎曲量明顯降低。大跨度巷道支護(hù)共同點(diǎn)是釆用可縮裝置或讓壓結(jié)構(gòu)，允許支架或支護(hù)系統(tǒng)有一定的變形，以適應(yīng)大跨度巷道壓力與變形量大的特點(diǎn)。通過(guò)ANSYS計(jì)算有腿棚及單體支柱滿足強(qiáng)度極限要求，增加3排單體支柱后的方案頂梁彎曲下沉量顯著降低。

圖3 頂梁彎曲量計(jì)算值

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般進(jìn)行巷道、硐室等關(guān)鍵地下巖體工程的模擬均使用大比例尺模型，即僅模擬巷道或硐室一定尺寸范圍內(nèi)的圍巖，鮮見(jiàn)將頂板巖層模擬至地表，然后通過(guò)加載的方式模擬真實(shí)圍巖應(yīng)力條件。這樣可以將重點(diǎn)研究區(qū)域突出，有利于分析圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)如錨桿、錨索、梁、支柱等的變形及應(yīng)力分布。

原設(shè)計(jì)模擬方案共模擬地層數(shù)19層，其中模擬底板3層，累積厚度為13.64 m；模擬煤層厚度9.96 m，取近似值10 m；模擬基巖厚度為81.06 m，模擬松散層厚度7.16 m。當(dāng)上分層工作面開(kāi)挖后進(jìn)行下分層開(kāi)切眼掘進(jìn)。由于處于上工作面采空區(qū)之下，開(kāi)切眼圍巖變形量相比上部工作面開(kāi)采引起的圍巖變形而言微不足道，由于顯示比例問(wèn)題，不能直觀、準(zhǔn)確地反映開(kāi)切眼開(kāi)掘后圍巖的變形及應(yīng)力分布狀況。即便是將上工作面開(kāi)采后位移清零，計(jì)算后上部采空區(qū)上方覆巖會(huì)繼續(xù)向下運(yùn)移，依然導(dǎo)致開(kāi)切眼圍巖變形規(guī)律不明顯。現(xiàn)將方案調(diào)整為：通過(guò)上部工作面開(kāi)挖計(jì)算出開(kāi)切眼上部頂板應(yīng)力，重新建立大比例模型將開(kāi)切眼顯示比例放大，將以上計(jì)算得出的頂板應(yīng)力通過(guò)等效直接頂?shù)姆绞绞┘又灵_(kāi)切眼頂板巖層。通過(guò)調(diào)整應(yīng)力邊界條件，讓開(kāi)切眼開(kāi)挖前的原始地應(yīng)力場(chǎng)與上煤層開(kāi)采過(guò)后的應(yīng)力場(chǎng)條件相近，從而得出與真實(shí)條件下相似度較高的模擬計(jì)算結(jié)果。

設(shè)計(jì)模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=30 m×50 m×19.52 m，共包含底板粉砂巖、1-2煤層下分層、1-2煤上分層采空區(qū)矸石、粉砂巖頂板矸石4種巖性。通過(guò)多次調(diào)整實(shí)際載荷，最終得到當(dāng)施加垂直載荷為6 MPa時(shí)，初始平衡后模型地應(yīng)力場(chǎng)與之前計(jì)算結(jié)果較為一致。開(kāi)切眼尺寸為長(zhǎng)×寬×高=9 m×50 m×3.9 m，左側(cè)邊界煤柱寬10 m，右側(cè)邊界煤柱寬11 m。模型將分別在無(wú)支護(hù)條件下與支護(hù)條件下進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析得出支護(hù)系統(tǒng)在頂板減沉、阻止煤壁片幫鼓出、減緩應(yīng)力集中程度等方面的效應(yīng)。

為真實(shí)模擬開(kāi)切眼頂板上方遺留采空區(qū)，采用物理、力學(xué)參數(shù)弱化方法，對(duì)已建立模型開(kāi)切眼上方頂煤與直接頂進(jìn)行弱化。12煤頂板在上工作面開(kāi)采后已垮落成為矸石，弱化系數(shù)取0.5，間隔層(2 m煤層)處于下“三帶”影響區(qū)，弱化系數(shù)取0.7。

3.1 支護(hù)排距優(yōu)化分析

受限于開(kāi)切眼掘進(jìn)工程地質(zhì)條件、現(xiàn)有支護(hù)條件、前期工作面液壓支架無(wú)法利用等，目前能夠選擇的支護(hù)方案即通過(guò)錨網(wǎng)索等主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)與有腿棚、單體支柱等被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。若遇圍巖變形過(guò)大而不能滿足支護(hù)要求時(shí)，可通過(guò)加密現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定圍巖變形的目的。頂板錨桿間距為900、900、1 200、600、900、900、1 200、900、900 mm，3排單體支柱緊挨左右煤壁各1排，巷道5.4 m 與3.6 m分界線位置布置1排，錨索、金屬梁、單體支柱排距均為1 m?，F(xiàn)將排距由1 m改為0.5 m進(jìn)行加密支護(hù)驗(yàn)證。上述試驗(yàn)中錨桿及金屬梁間排距完全按照現(xiàn)有支護(hù)方案進(jìn)行。

圖4分別為錨索+金屬梁+單體支柱排距0.5 m、排距1 m及無(wú)支護(hù)條件下圍巖垂直位移分布情況。加密支護(hù)后頂板下沉得到明顯減弱，以中部單體支柱為界形成一大一小2個(gè)下沉區(qū)域，右側(cè)3.6 m區(qū)域頂板下沉運(yùn)動(dòng)幾乎被完全阻止，且與左側(cè)下沉區(qū)中間形成寬度近1 m的無(wú)沉降區(qū)。左側(cè)沉降區(qū)呈現(xiàn)一定非對(duì)稱性，核心沉降區(qū)靠近左側(cè)煤壁，底鼓也同樣被中部單體支柱分為左右2個(gè)區(qū)域。頂板錨索最大軸力達(dá)到0.82 GPa，位于錨索下部端頭位置，錨索上端頭錨固段處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為3 kPa，錨索自由段主要由頂板下沉而產(chǎn)生的拉應(yīng)力；煤壁錨桿主要應(yīng)力狀態(tài)為自由段受拉，錨固段與外露段受壓。

圖4 頂板下沉情況

圖5a—圖5c為加密支護(hù)與未支護(hù)條件下頂板下沉量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及頂板減沉率(測(cè)線位于開(kāi)切眼上方0.2 m處，測(cè)線1、測(cè)線2為沿開(kāi)切眼寬度方向布置的位移測(cè)線；測(cè)線12為沿開(kāi)切眼寬度方向布置的應(yīng)力測(cè)線；測(cè)線13、測(cè)線14為沿開(kāi)切眼掘進(jìn)方向布置的應(yīng)力測(cè)線)。由圖5得加密支護(hù)后頂板減沉效果顯著提高，開(kāi)切眼中部頂板減沉率達(dá)60%以上，加密支護(hù)后中部頂板下沉量降至2 cm以內(nèi)，滿足支護(hù)要求。

加密支護(hù)后底鼓得到有效抑制，加密支護(hù)段底鼓降低率達(dá)到57%，靠近右側(cè)煤壁位置降低率最高達(dá)到90%。加密支護(hù)與未支護(hù)條件下煤壁幫鼓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及幫鼓量降低率。相比于頂板下沉與底鼓，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)煤壁橫向位移的抑制效果較弱，加密支護(hù)后煤壁橫向位移降低率最高僅為17%左右。圖5d—圖5f為加密支護(hù)與未支護(hù)條件下頂板垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及垂直應(yīng)力變化率。加密支護(hù)后開(kāi)切眼上方頂板應(yīng)力恢復(fù)程度相比未加密時(shí)更加顯著，頂板應(yīng)力峰值由1 MPa增加至4.5 MPa。兩側(cè)煤壁應(yīng)力有所下降，表明支護(hù)強(qiáng)度越大，開(kāi)切眼頂板壓力越大，兩側(cè)煤壁壓力越小。

圖5 加密支護(hù)排距與未加密頂板下沉及垂直應(yīng)力對(duì)比

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

優(yōu)化前支護(hù)方案如圖6a所示，其支護(hù)方式為頂板錨索+有腿棚+單體支柱+托梁錨索+鋼筋網(wǎng)+冷拔絲網(wǎng)+圓鋼錨桿+玻璃鋼錨桿。單體支柱僅在巷道中部距左側(cè)巷壁5.4 m處布置1排。為了提高開(kāi)切眼巷道整體支護(hù)能力，將上述支護(hù)方案優(yōu)化為在巷道兩側(cè)煤壁及中部布置3排單體支柱，如圖6b所示。

圖6 增加2排單體支柱優(yōu)化方案

開(kāi)切眼兩側(cè)煤壁處用礦用11號(hào)工字鋼加工棚腿，腿窩深度為10 cm，開(kāi)切眼寬度5.4 m與3.6 m分界線位置布置1排單體液壓支柱，液壓支柱上端頂在縱向鋼梁上。為了保證開(kāi)切眼掘進(jìn)過(guò)程頂板安全，考慮到工字鋼棚腿容易在較大載荷下發(fā)生彎曲變形，不利于整體支護(hù)效果的提升?，F(xiàn)將已有支護(hù)方案優(yōu)化為在兩側(cè)煤壁處補(bǔ)打2排單體液壓支柱，液壓支柱可在頂板大變形下通過(guò)壓縮立柱的方式吸收頂板變形能，一般不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，大幅提升整體支護(hù)效果。將優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比分析優(yōu)化前與優(yōu)化后支護(hù)效果差異，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供借鑒。

先前方案計(jì)算中，棚腿采用“beam”結(jié)構(gòu)單元模擬工字鋼梁，現(xiàn)在原有棚腿旁邊通過(guò)“pile”樁單元模擬單體液壓支柱。樁結(jié)構(gòu)單元要通過(guò)幾何參數(shù)、材料參數(shù)和耦合彈簧參數(shù)來(lái)定義。樁構(gòu)件的剛度矩陣與梁構(gòu)件的剛度矩陣是相同的。除了提供梁的構(gòu)造特性外，樁還提供了與實(shí)體單元法線方向和剪切方向發(fā)生的相互摩擦作用。在這點(diǎn)上，樁實(shí)際上是組合了梁和錨索的作用，適合于模擬法向和軸向都有摩擦作用的樁基。

優(yōu)化支護(hù)方案后頂板下沉量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。從頂板下沉量監(jiān)測(cè)曲線可以看出，優(yōu)化后的方案較優(yōu)化前方案頂板位移明顯降低，開(kāi)切眼中部頂板最大下沉量?jī)H為20 mm，相比未支護(hù)情況下頂板減沉率最高達(dá)到65%，且開(kāi)切眼中部單體支柱左側(cè)5.4 m區(qū)域減沉效果高于右側(cè)3.6 m區(qū)域。相比于未優(yōu)化前的支護(hù)方案，優(yōu)化后的支護(hù)方案頂板減沉率提高了10個(gè)百分點(diǎn)。

圖7 優(yōu)化方案頂板下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

優(yōu)化前與優(yōu)化后底鼓量差別不大，而且優(yōu)化后底鼓量反而略大于優(yōu)化前，但差別僅在1 cm左右，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)不會(huì)造成影響。巷道兩側(cè)增加單體支柱后，單體支護(hù)壓力會(huì)加劇底鼓。

優(yōu)化方案對(duì)煤壁橫向位移影響幾乎為0。同樣，優(yōu)化方案對(duì)頂板垂直應(yīng)力分布影響也不大，優(yōu)化后0.5 m支護(hù)排距與優(yōu)化前基本一致，優(yōu)化后1 m支護(hù)排距在開(kāi)切眼上方頂板垂直應(yīng)力有所降低，從優(yōu)化前峰值4.47 MPa降低至優(yōu)化后3.66 MPa，峰值位置距離左側(cè)煤壁3 m，基本處于中部單體支柱左側(cè)5.4 m區(qū)域中部頂板位置。優(yōu)化后的方案在頂板下沉量控制與頂板垂直應(yīng)力減壓方面具有顯著效果。

4 工程應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 表面位移監(jiān)測(cè)

為采空區(qū)下大斷面開(kāi)切眼在服務(wù)周期內(nèi)安全穩(wěn)定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟班，跟蹤開(kāi)切眼施工情況，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍巖穩(wěn)定性、記錄巷道出現(xiàn)的異常情況。

在開(kāi)切眼內(nèi)設(shè)置測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)(位移測(cè)點(diǎn)1、2、3、4位于開(kāi)切眼頂板表面，測(cè)站布置如圖8所示)，結(jié)果如下：根據(jù)表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，除1號(hào)測(cè)站(機(jī)頭架窩)外，開(kāi)切眼內(nèi)其他區(qū)域頂板完整性較好。監(jiān)測(cè)初期，頂板下沉量出現(xiàn)增加趨勢(shì)，在掘進(jìn)開(kāi)切眼貫通20 d后，頂板下沉量達(dá)到最大12 mm，此后頂板基本不再下沉(圖9)。

圖8 測(cè)站布置

圖9 測(cè)站頂板下沉量

4.2 深部位移監(jiān)測(cè)

在距離機(jī)頭架窩117 m處的5號(hào)測(cè)站出現(xiàn)3 mm 離層；開(kāi)切眼內(nèi)頂板離層最大位置為6號(hào)測(cè)站，距離開(kāi)切眼173 m左右，最大離層量為6 mm；其余測(cè)站離層值均≤3 mm(圖10)。據(jù)鉆孔窺視確定離層范圍，選取位于同一軸向位置，距離層儀3 m的621號(hào)鉆孔進(jìn)行分析，孔內(nèi)未見(jiàn)明顯水平裂隙，無(wú)離層現(xiàn)象，可確定離層儀深淺基點(diǎn)發(fā)生位移是局部現(xiàn)象，兩點(diǎn)范圍內(nèi)巖層出現(xiàn)破碎，產(chǎn)生較小裂紋，引起深部位移。

圖10 測(cè)站頂板深部位移

5 結(jié) 論

1)通過(guò)理論計(jì)算無(wú)支護(hù)條件下頂板周期破斷距離8 m，為開(kāi)切眼架棚支護(hù)最大空頂距提供借鑒。

2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元軟件分析有腿棚及單體支柱滿足強(qiáng)度極限要求，且增加3排單體的頂梁彎曲下沉量明顯降低。

3)數(shù)值模擬優(yōu)化支柱排距與支護(hù)結(jié)構(gòu)，頂板最大下沉量為20 mm，應(yīng)力降低0.81 MPa。優(yōu)化后方案在頂板下沉量控制與頂板垂直應(yīng)力減壓方面具有顯著效果。

4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，開(kāi)切眼內(nèi)頂板最大下沉量為12 mm，最大離層量6 mm，且為局部區(qū)域位移，開(kāi)切眼整體完成性較好，優(yōu)化后方案效果良好。對(duì)同類型采空區(qū)下大斷面開(kāi)切眼支護(hù)設(shè)計(jì)有很好的借鑒作用。