綜放工作面大跨度切眼支護參數優化

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律的復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力變為二向應力狀態，塑性區深度增大，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].切眼服務時間從開始掘進到工作面設備安裝調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，將會導致支護過度，不僅增加成本，而且還將導致綜放工作面首次放煤困難、增加工作面頂板管理難度等。若考慮到其服務時間短而降低支護強度、密度，將會導致支護不足，不僅容易產生頂板冒落事故，威脅工人生命安全，而且圍巖變形破壞嚴重致使設備無法安裝，須再次刷頂或臥底等，影響礦井安全高效生產[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育規律，并提出更合理的優化支護參數以控制大跨度切眼圍巖穩定。

1 工程地質概況

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備，產品集鉆孔拍照、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#鉆孔頂板裂隙發育情況進行觀測并統計分析，頂板裂隙擴展規律見表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 內頂板裂隙發育，出現不同程度的縱向裂隙和斜向裂隙，5.5 m 附近頂板出現明顯離層。

表1 頂板1#鉆孔窺視結果表

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力、應變和位移。利用UDEC 6.0中的泰森多邊形Voronoi網格Trigon命令對3107切眼進行三角形網格節理劃分。Voronoi網格塊體之間參數定義的靈活性，劃分方法的隨機性，對于模擬巖體裂隙發展具有獨特的優勢，國內外眾多學者已經用此方法模擬巖體裂隙的產生、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性，能直觀地表達介質體內部的受力行為。

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—接觸面內聚力；

φ—接觸面內摩擦角；

Fn—接觸面正應力；

Fs—接觸面切應力；

Δus—總的剪切總應變增加量；

sign—Fs遵循的數學函數。

數值模型計算過程為：建立UDEC數值模型→原巖應力平衡→開挖切眼→運算平衡→輸出計算結果并分析。覆巖采動應力演化規律數值模擬過程中，導硐掘進，每500步保存一次直至平衡的過程中，頂板出現巖層破斷、回轉、彎曲下沉。在模型中煤巖層塊體力學參數見表2.數值模型見圖3.

表2 模型各分層巖體微觀力學參數表

3107綜放工作面切眼在無支護條件下、原支護條件下、優化支護條件下頂板破斷特征，剪切和拉伸裂隙分布規律分別見圖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律的分析發現，頂板拉伸裂隙發育高度最大值為4.0 m，頂板短錨索基本支護形成的預應力承載結構能夠有效控制頂板，但是剪切裂隙發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，提出了8.3 m高預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律圖

圖6 無支護與原支護拉伸裂隙分布規律圖

圖7 優化支護參數圖

優化后頂板裂隙發育規律見圖8，頂板剪切裂隙擴展高度從原支護參數的8.0 m降低到6.4 m，拉伸裂隙擴展高度從原支護參數的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，優化后的支護參數能夠有效控制大跨度斷面切眼圍巖穩定。

圖8 優化后頂板裂隙發育規律圖

3 綜放工作面大跨度切眼支護參數

導硐側頂板支護采用錨索網聯合支護，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。

擴刷側頂板支護采用錨索網聯合支護，短錨索選用d18.9 mm，L4 300 mm規格錨索4根，間排距為900 mm×800 mm，短錨索依次從導硐與擴刷交接面處開始布置，靠近導硐側的短錨索側斜15°與巷頂呈75°夾角；加強錨索靠近導硐側兩根錨索采用d21.8 mm，L8 300 mm高預緊力錨索，距離擴刷交界線左側的距離為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.切眼支護參數斷面見圖9.

圖9 3107大跨度切眼支護參數斷面圖

擴刷側采煤幫采用d22 mm L 2 500 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，數值錨固劑選用1支K2350+1支Z2350，錨桿間排距900 mm×800 mm.

4 結 論

從綜放工作面大跨度切眼圍巖穩定控制出發，建立了UDEC Trigon數值計算模型，對比分析了無支護參數下，原支護參數下大跨度切眼頂板破斷情況，剪切和拉伸裂隙發育規律，在此基礎上提出了補強錨索控制深部剪切裂隙發育深度的優化思想，通過數值模擬及現場應用驗證了優化支護參數的合理性。得出了以下結論：

1)無支護參數下大跨度切眼頂板剪切裂隙擴展深度為10.5 m，原支護參數下擴展深度降低到8.0 m，優化后支護參數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化支護參數后，有效控制了頂板裂隙向深部發育，大跨度切眼能夠保持圍巖穩定。