堅硬頂板切頂成巷擋矸結(jié)構(gòu)變形與破壞機理研究

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 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590）

目前，煤炭作為我國能源的重要組成部分，對于保障國家能源安全具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的長壁開采需要留設(shè)煤柱，不僅會造成資源的大量浪費，且煤柱處會形成應力集中，易導致煤柱破碎，存在安全隱患[2]；采用充填留巷，應力集中現(xiàn)象仍然存在，且巷旁充填體由于支撐滯后及強度低，易產(chǎn)生壓縮變形，導致留巷頂板發(fā)生斷裂[3]。切頂卸壓沿空留巷工法作為新興的無煤柱開采技術(shù)[4]，不僅能降低開采成本，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，是我國煤炭綠色開采的主要方向之一。

目前，切頂留巷技術(shù)應用廣泛，矸石幫是否穩(wěn)定是評判留巷成功的重要標志之一。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，導致留巷失敗。因此，國內(nèi)外專家學者對擋矸支護技術(shù)進行了一系列的理論和實踐研究。針對深部圍巖大變形導致剛性擋矸結(jié)構(gòu)彎曲、折斷現(xiàn)象，何滿潮等[5-6]、陳上元等[7]設(shè)計了1 種新型可縮U型鋼柔性擋矸結(jié)構(gòu)，可有效抵御動壓區(qū)采空區(qū)矸石的側(cè)向應力，實現(xiàn)擋矸結(jié)構(gòu)與頂板協(xié)調(diào)變形。針對厚煤層切頂成巷矸石幫控制難題，高玉兵等[8-9]采用力學分析、數(shù)值模擬和工程試驗相結(jié)合的研究方法，提出了動壓防沖、緩壓讓位和恒壓穩(wěn)控的多層次控制思路，并設(shè)計了滑移式讓位護幫結(jié)構(gòu)、自移式動壓防沖結(jié)構(gòu)以及波式多阻護幫結(jié)構(gòu)。為解決無煤柱開采過程中巷旁竄矸、難于維護及矸石幫變形量大等問題，胡建平[10]提出了擋矸鋪網(wǎng)技術(shù)，有效限制矸石進入巷道，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)擋矸支護技術(shù)，同時也解決了回采過程中幫部二次擴幫返修的問題；伍永平等[12]為解決大傾角煤層開采過程中的飛矸災害，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，堅硬頂板切頂后垮落矸石塊度大，切頂成巷過程中矸石沖壓特征明顯，常規(guī)的擋矸結(jié)構(gòu)抵抗動壓能力不足，應用于堅硬頂板垮落矸石控制時有明顯的局限性。為此，采用理論分析、數(shù)值模擬和工程實踐相結(jié)合的方式探究堅硬頂板擋矸支護變形與破壞特征；將擋矸結(jié)構(gòu)視為整體，從矸石的運動特征入手，分析不同分區(qū)的擋矸結(jié)構(gòu)受力與變形特征，對擋矸結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行優(yōu)化；并提出1 種具有針對性地擋矸聯(lián)合支護方案，從而提高擋矸結(jié)構(gòu)的承載能力，增強矸石幫的整體強度，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)首采工作面開始使用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進行開采。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，抗壓強度95.42 MPa，平均密度2.63 g/cm3，屬于堅硬頂板，切頂采用深孔預裂爆破，切頂高度為8.36 m。巷道幫部采用錨桿支護，頂板采用“錨索+錨桿+錨網(wǎng)+單元支架+單體支柱”的聯(lián)合補強支護。留巷支護示意圖如圖1。

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

擋矸支護過程中，一般頂板沉降量較小的時候使用工字鋼，頂板沉降量較大時使用U 型鋼，邱集煤礦11 煤頂板為堅硬的灰?guī)r頂板，質(zhì)地堅硬，強度大，根據(jù)過往的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在整個留巷周期內(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材料。所以，邱集煤礦11 煤1105 工作面運輸巷采用“單體支柱+單根工字鋼+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合擋矸支護，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)場應用后，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)兜大變形等問題，巷道凈空間縮小嚴重，且嚴重影響了回收利用效率?？梢?，1105 工作面擋矸支護方案存在弊端，需要進一步優(yōu)化，以滿足現(xiàn)場留巷要求。

通過現(xiàn)場觀測，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500 mm×400 mm×400 mm(長×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)變形破壞機制，對1105 工作面留巷段擋矸結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)以及矸石幫運動特征將留巷段分為沖擊區(qū)、壓實區(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，進而對擋矸結(jié)構(gòu)造成沖擊，因此該區(qū)域受沖擊較為嚴重，為主要防沖控制區(qū)，擋矸壓力監(jiān)測結(jié)果顯示，壓力數(shù)值波動較大。隨矸石垮落、壓實，從擋矸壓力監(jiān)測結(jié)果中可以看出，對擋矸結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力隨時間先急劇增加，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，為矸石壓實區(qū)。直至達到新的平衡，壓力數(shù)值不變，為矸石幫穩(wěn)定區(qū)。

2.2 擋矸支護全過程計算模型

2.2.1 沖擊區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)力學模型

工作面回采過后，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)。當頂板再次來壓時，垮落的矸石就會沿斜坡向下運動，對擋矸結(jié)構(gòu)造成沖擊[9]。由于堅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)則可看成簡支梁受圓球沖擊。矸石下落并沿著斜坡滾動的過程可以簡化成球體自由落體運動和騰躍運動[13]。

基于矸石運動過程，對該力學模型做出如下假設(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，于坡面上的運動抽象為騰躍運動，忽略矸體與坡面間的摩擦；③現(xiàn)場矸石多為塊狀，運動過程中的轉(zhuǎn)動能增加很少，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A到落點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的初速度可表示為：

式中：vBx、vBy為矸石撞擊B點前水平、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)。

在運動過程中，矸石碰撞后會進行彈跳。在B處彈跳后，速度可表示為：

式中：Rn為法向恢復系數(shù)；Rt為切向恢復系數(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，矸石做騰躍運動，可近似描述為物理學中的斜拋運動，假設(shè)矸石沖擊在C處，則矸石對擋矸結(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。當采高為定值時，相較于軟巖頂板、復合頂板，堅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，過多的能量累積將導致?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)彎曲產(chǎn)生較大變形。同時，頂板壓力和矸石壓實的側(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，最終將導致?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)彎曲破壞。

2.2.2 壓實區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)力學模型

采空區(qū)矸石幫的壓實是1 個持續(xù)性的過程[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增加；另一方面，未垮落的基本頂持續(xù)下沉，達到極限抗拉強度之后，破斷形成關(guān)鍵塊體，并回轉(zhuǎn)下沉，持續(xù)對下部垮落矸石進行擠壓，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，因此可將壓實區(qū)內(nèi)的擋矸受力簡化為受不均布荷載的簡支梁模型，壓實區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡化模型如圖5。

圖5 壓實區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡化模型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]進行計算。

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，并對相鄰工字鋼產(chǎn)生較大的拉應力作用。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量增加，擋矸支護結(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)力學模型

當采空區(qū)矸石壓實，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)達到平衡后，矸石幫壓力達到峰值，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支梁模型，穩(wěn)定區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡化模型如圖6。

圖6 穩(wěn)定區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)受力簡化模型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，為保證在整個擋矸支護期間，擋矸結(jié)構(gòu)能夠安全高效的運行，關(guān)鍵點在于對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1105 工作面擋矸支護提出1 種讓位滑移組合工字鋼結(jié)構(gòu)，通過卡蘭連接2 根搭接的工字鋼。當工字鋼受矸石沖擊時，工字鋼搭接可以增強整體抗彎能力，控制彎曲變形，相對滑移可以顯著減小頂板下壓的影響，避免擋矸結(jié)構(gòu)進一步彎曲變形，從而降低擋矸結(jié)構(gòu)損壞率。

為驗證組合工字鋼的抗沖擊效果，采用ABAQUS 有限單元分析軟件，對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)擋矸力學模型為基礎(chǔ)，選取11#工字鋼作為模擬對象，工字鋼長度分別為2 900 mm 和2 100 mm，組合工字鋼搭接長度設(shè)計為1 300 mm，工字鋼結(jié)構(gòu)底端鉸支、頂端約束橫向位移。組合工字鋼模擬過程中將2 根工字鋼接觸面綁定。圓球采用點質(zhì)量，并施加1 個水平速度，對工字鋼進行撞擊，

圓球點質(zhì)量設(shè)為100 kg，經(jīng)式（4）計算矸石的沖擊速度為4.81 m/s，本構(gòu)模型為等強硬化多線性彈塑性模型，采用非線性大變形動力顯式方法。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 個位置的沖擊變形分別降低了25%、7%、12%、24%、15%，說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致工字鋼整體偏移量過大，因此，應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。

為驗證工字鋼上端施加約束力的支護效果，同時選擇合適的工字鋼型號，選取常用的9#、11#及12#礦用工字鋼作為模擬對象，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%，再一次說明組合工字鋼結(jié)構(gòu)抗沖擊能力較好；對組合工字鋼結(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，從而在矸石沖擊時對頂端提供橫向約束力。

為選擇合適的工字鋼型號，通過橫向比較不同型號工字鋼之間位移的差異，可知，11#工字鋼相對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，說明11#工字鋼后，再提升工字鋼強度對擋矸結(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，提高整體強度。

3.2 壓實區(qū)擋矸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬

擋矸結(jié)構(gòu)在壓實區(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)上受到的整體均布壓強，而非工字鋼受到的瞬時沖擊力，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，并對相鄰工字鋼產(chǎn)生拉應力作用，擋矸結(jié)構(gòu)中工字鋼間距則是影響這一過程的重要因素。

為確定適宜的工字鋼間距，對常用工字鋼間距600、800、1 000 mm 進行模擬。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)場綁扎情況，鋼筋網(wǎng)片除底邊其他三邊每100 mm 對鋼筋網(wǎng)節(jié)點進行固定。本構(gòu)模型選取等強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)點固定處應力集中程度較大，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)對相鄰工字鋼呈拉應力作用，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，并對相鄰工字鋼的拉力進一步增大，若工字鋼間距過遠，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)失效問題，同時擋板能控制鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)兜變形，進一步防止擋矸結(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 時變形減小75%，寬度為600 mm 變形減小77%?？紤]到經(jīng)濟效應，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 時鋼筋網(wǎng)片的極限荷載，利用ABAQUS 軟件進行模擬，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)，當線荷載達到1.5 N/mm時，鋼筋網(wǎng)的最大位移值增大的幅度加大，加速失穩(wěn)破壞，此時鋼筋網(wǎng)最大位移量為116.1 mm，由此判斷當工字鋼間距為800 mm 時鋼筋網(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)場試驗

4.1 擋矸支護方案

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)合擋矸支護方案，擋矸支護方案示意圖如圖12。

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

由圖12 可見，工字長度為2 100 mm，2 根工字鋼使用2 個卡蘭搭接組成一榀工型鋼架，搭接長度為1 300 mm，組合后的工字鋼架高度為2 700 mm?？ㄌm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

為驗證新?lián)蹴方Y(jié)構(gòu)對巷道矸石幫的控制效果，在邱集煤礦1105 工作面運輸巷進行現(xiàn)場試驗，并對矸石幫變形及擋矸結(jié)構(gòu)側(cè)向壓力進行監(jiān)測。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方案作為試驗組，在進行試驗過程中，通過布置十字測點對矸石墻整體變形量進行監(jiān)測，同時在工字鋼中部位置放置矸石壓力計用于監(jiān)測垮落矸石的整體壓力情況，矸石壓力計是由普通壓力計進行改造得到的。

測點共計布置3 組，其中，測點1 及測點2分別位于巷道距原始切眼距離30、90 m 位置處，對單根工字鋼擋矸支護方案的對照組進行監(jiān)測，測點3 和測點4 分別位于巷道距原始切眼距離150、210 m 位置處，對使用新型滑移讓位擋矸支護方案的試驗組進行監(jiān)測，每組測點均對矸石幫位移和矸石壓力進行監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖13。

圖13 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計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)，矸石壓力會出現(xiàn)1 個小高峰，最大沖擊應力為2.25 MPa；隨后隨矸石垮落完全，留巷巷道進入壓實區(qū)，初期矸石壓力有所回落，但隨矸石逐漸壓實，對擋矸結(jié)構(gòu)的壓力不斷上升，最終穩(wěn)定在3.0 MPa 附近，未超過鋼筋網(wǎng)最大荷載設(shè)計值，滿足留巷要求。

由圖13（b）可知：單根工字鋼擋矸支護條件下，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)支護下變形量降低49%，且在日常巡視過程中，并未發(fā)現(xiàn)新型擋矸支護區(qū)域出現(xiàn)破壞，留設(shè)巷道平整，滿足二次復用要求。可見，新的擋矸支護方案可有效控制矸石幫變形，保證采場安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

1）基于回采過程中矸石運動狀態(tài)及壓實程度不同，將架后擋矸支護區(qū)域分為沖擊區(qū)、壓實區(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，主要對擋矸結(jié)構(gòu)起到?jīng)_擊作用，在壓實區(qū)，隨垮落矸石逐漸被壓實，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)達到平衡。

2）利用ABAQUS 數(shù)值模擬軟件構(gòu)建數(shù)值計算模型，通過對比單根工字鋼和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，鋼筋網(wǎng)變形量滿足要求，且滿足經(jīng)濟需求。

3）提出了一種新型滑移讓位組合字鋼結(jié)構(gòu)并進行現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗結(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，滿足二次復用要求。