综放工作面大跨度切眼支护参数优化

要华伟

(西山煤电集团 党政办公室，山西 太原 030053)

近年来，随着工作面回采机械化程度的逐渐提高，综放工作面开切眼跨度也逐渐增大，大跨度巷道围岩变形特征与裂隙扩展规律的复杂性给切眼支护增大了难度[1-3].切眼开挖后围岩由三向应力变为二向应力状态，塑性区深度增大，不但增大了围岩潜在破坏范围，还给围岩支护增加了难度，在大跨度的条件下，切眼中部更易产生拉破坏，顶板悬露面积较大，煤岩重量作用至帮部，增加帮部围岩破坏危险。因此，对围岩支护提出了更高要求[4-5].切眼服务时间从开始掘进到工作面设备安装调试成功开始回采时止，时间一般较短，如果为满足对大断面切眼围岩变形控制起到良好效果而注重支护强度、密度，将会导致支护过度，不仅增加成本，而且还将导致综放工作面首次放煤困难、增加工作面顶板管理难度等。若考虑到其服务时间短而降低支护强度、密度，将会导致支护不足，不仅容易产生顶板冒落事故，威胁工人生命安全，而且围岩变形破坏严重致使设备无法安装，须再次刷顶或卧底等，影响矿井安全高效生产[6-7].以某矿3107综放工作面为研究对象，分析切眼顶板破断情况及裂隙发育规律，并提出更合理的优化支护参数以控制大跨度切眼围岩稳定。

1 工程地质概况

某矿3107综放工作面切眼宽度为7.8 m，高度为3.2 m，为保证施工的安全性，切眼需要分次施工，即先掘出宽度为4.8 m的断面，后扩刷到总宽度7.8 m,对该切眼支护参数进行分析，支护断面见图1.

图1 3107综放工作面切眼支护断面图

TS-C1201 钻孔多功能成像分析仪是一款对钻孔进行全面检测的高科技设备，产品集钻孔拍照、窥视(录像)、成像和轨迹测量等功能于一体，一次测试，完成以前多次测试的工作量，同时可以获取钻孔动态录像视频、局部高清照片、全孔壁展开平面图和钻孔空间轨迹，高效快捷。借助钻孔窥视仪对1#钻孔顶板裂隙发育情况进行观测并统计分析，顶板裂隙扩展规律见表1.

1#钻孔位于3107切眼端头向里30 m左右位置，实际窥视深度7.8 m.结合表1可以看出，钻孔在开始阶段 1～2 m 处有明显碎裂，2～3 m 内顶板裂隙发育，出现不同程度的纵向裂隙和斜向裂隙，5.5 m 附近顶板出现明显离层。

表1 顶板1#钻孔窥视结果表

2 综放工作面大跨度切眼围岩裂隙扩展特征

采用二维离散元数值计算软件UDEC 6.0模拟巷道围岩裂隙演化以及计算围岩应力、应变和位移。利用UDEC 6.0中的泰森多边形Voronoi网格Trigon命令对3107切眼进行三角形网格节理划分。Voronoi网格块体之间参数定义的灵活性，划分方法的随机性，对于模拟岩体裂隙发展具有独特的优势，国内外众多学者已经用此方法模拟岩体裂隙的产生、拓展、闭合等过程，并取得了良好的效果[8-9].Trigon模型将Voronoi模型中的六边形网格再次划分为三角形，有效提高了计算效率而且裂隙扩展与与试验结果更加吻合。破坏准则[9]见图2.Trigon模型采用了离散元方法，充分考虑了岩体的不连续性，能直观地表达介质体内部的受力行为。

图2 UDEC 6.0多边形模型破坏准则图

ΔFn=-knΔun

式中：

ΔFn—接触面有效法向应力增量；

Δun—接触面有效法向位移增量；

kn—接触面有效法向刚度。

在切向上，如果：

式中：

c—接触面内聚力；

φ—接触面内摩擦角；

Fn—接触面正应力；

Fs—接触面切应力；

Δus—总的剪切总应变增加量；

sign—Fs遵循的数学函数。

数值模型计算过程为：建立UDEC数值模型→原岩应力平衡→开挖切眼→运算平衡→输出计算结果并分析。覆岩采动应力演化规律数值模拟过程中，导硐掘进，每500步保存一次直至平衡的过程中，顶板出现岩层破断、回转、弯曲下沉。在模型中煤岩层块体力学参数见表2.数值模型见图3.

表2 模型各分层岩体微观力学参数表

3107综放工作面切眼在无支护条件下、原支护条件下、优化支护条件下顶板破断特征，剪切和拉伸裂隙分布规律分别见图4，5，6.

图4 无支护与原支护顶板破断特征图

无支护条件下，顶板剪切裂隙扩展高度为10.5 m，拉伸裂隙扩展高度为6.7 m；原支护条件下，顶板剪切裂隙扩展高度为8.0 m，拉伸裂隙扩展高度为4.0 m；通过对原支护方案中裂隙扩展规律的分析发现，顶板拉伸裂隙发育高度最大值为4.0 m，顶板短锚索基本支护形成的预应力承载结构能够有效控制顶板，但是剪切裂隙发育高度最大值达到了8.0 m，原支护方案中的加强锚索长度为6.3 m，为了有效控制顶板剪切裂隙的扩展，提高支护安全系数，提出了8.3 m高预紧力锚索配合工字钢梁支护方案，见图7.

图5 无支护与原支护剪切裂隙分布规律图

图6 无支护与原支护拉伸裂隙分布规律图

图7 优化支护参数图

优化后顶板裂隙发育规律见图8，顶板剪切裂隙扩展高度从原支护参数的8.0 m降低到6.4 m，拉伸裂隙扩展高度从原支护参数的4.0 m降低到3.0 m，说明4.3 m的短锚索能够有效控制浅部拉伸裂隙的扩展，而8.3 m的补强锚索能够有效控制深部剪切裂隙的扩展，优化后的支护参数能够有效控制大跨度断面切眼围岩稳定。

图8 优化后顶板裂隙发育规律图

3 综放工作面大跨度切眼支护参数

导硐侧顶板支护采用锚索网联合支护，选用d18.9 mm，L4 300 mm短锚索7根，间排距为800 mm×800 mm，肩窝短锚索向巷帮侧斜15°与巷顶呈75°夹角，选用d18.9 mm L6 300 mm加强锚索，间排距1 600 mm×800 mm，使用18#槽钢加工的180 mm×300 mm锚索托盘，钢筋梯子梁采用d12 mm的钢筋焊接而成。

扩刷侧顶板支护采用锚索网联合支护，短锚索选用d18.9 mm，L4 300 mm规格锚索4根，间排距为900 mm×800 mm，短锚索依次从导硐与扩刷交接面处开始布置，靠近导硐侧的短锚索侧斜15°与巷顶呈75°夹角；加强锚索靠近导硐侧两根锚索采用d21.8 mm，L8 300 mm高预紧力锚索，距离扩刷交界线左侧的距离为500 mm，间排距为1 400 mm×1 600 mm，锚索托盘配套采用规格为260 mm×260 mm×16 mm，拱高不低于60 mm托盘一个(配合使用梯子梁)，配套锁具；每隔 3 200 mm两根8 300 mm锚索采用长度不低于1 800 mm的工字钢梁连接；靠近采煤帮侧一根加强锚索采用d18.9 mm，L6 300 mm，与长锚索的距离为1 400 mm，排距为1 600 mm.切眼支护参数断面见图9.

图9 3107大跨度切眼支护参数断面图

扩刷侧采煤帮采用d22 mm L 2 500 mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，数值锚固剂选用1支K2350+1支Z2350，锚杆间排距900 mm×800 mm.

4 结 论

从综放工作面大跨度切眼围岩稳定控制出发，建立了UDEC Trigon数值计算模型，对比分析了无支护参数下，原支护参数下大跨度切眼顶板破断情况，剪切和拉伸裂隙发育规律，在此基础上提出了补强锚索控制深部剪切裂隙发育深度的优化思想，通过数值模拟及现场应用验证了优化支护参数的合理性。得出了以下结论：

1)无支护参数下大跨度切眼顶板剪切裂隙扩展深度为10.5 m，原支护参数下扩展深度降低到8.0 m，优化后支护参数剪切裂隙扩展深度降低到6.4 m，拉伸裂隙扩展深度从原支护的4.0 m降低到3.0 m.补强锚索能够有效控制深部剪切裂隙的扩展，而短锚索支护能够有效控制浅部拉伸裂隙的扩展。

2)3107综放工作面大跨度切眼使用补强锚索的优化支护参数后，有效控制了顶板裂隙向深部发育，大跨度切眼能够保持围岩稳定。