大斷面巷道快速綜掘技術(shù)研究

張勇+胡朋

摘 要：針對(duì)某煤礦具體地質(zhì)勘查資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)提出了兩種快速開(kāi)挖方案，并通過(guò)數(shù)值模擬手段，分析了兩種開(kāi)挖方式下的圍巖應(yīng)力變化情況，確定了方案二較方案一安全，指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，可為同類(lèi)工程提供借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大斷面；快速綜掘；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

0 引言

在我國(guó)，煤炭一直是一次能源結(jié)構(gòu)的主要部分，由于地下圍巖十分復(fù)雜，導(dǎo)致煤礦礦井建設(shè)機(jī)械化程度較低，在支護(hù)參數(shù)選取上大多數(shù)采用工程類(lèi)比的手段，支護(hù)效果不理想，在巷道掘進(jìn)與支護(hù)上耗費(fèi)大量人力物力。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)，我國(guó)現(xiàn)有煤礦巷道綜采程度為78.43%，綜掘機(jī)械化程度為29.55%，比例基本維持在2.6：1左右。我國(guó)是能源需求大國(guó)，現(xiàn)階段的綜掘情況已不能滿足綜采的需求。為此，全面提高巷道快速掘進(jìn)，降低綜掘所占比例，實(shí)現(xiàn)巷道高效建設(shè)、集約化生產(chǎn)對(duì)煤礦意義重大。張勇等針對(duì)榆樹(shù)灣煤礦某膠帶大巷給煤硐室煤巖體易發(fā)生塌落破壞、支護(hù)效果不理想、巷道斷面較大的特點(diǎn)，利用分部開(kāi)掘技術(shù)并結(jié)合錨桿、金屬網(wǎng)噴射混凝土及錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方法，有效加固了巷道圍巖，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化快速采掘；榆林市榆神煤炭建筑設(shè)計(jì)有限公司以某煤礦特軟頂板大斷面全煤巷道為依托工程，通過(guò)改進(jìn)錨桿、U型梁的具體參數(shù)，研究了支護(hù)效果的變化，有效控制了圍巖變形，同時(shí)節(jié)省了支護(hù)材料，對(duì)類(lèi)似工程具有重要借鑒價(jià)值。

1 巷道快速掘進(jìn)的重要性

巷道綜掘技術(shù)直接關(guān)系到巷道斷面成型的質(zhì)量，影響硐室后期支護(hù)效果，如果巷道開(kāi)挖斷面理想，可有效減少硐室應(yīng)力集中部位進(jìn)而減少支護(hù)工作量，加快開(kāi)挖速度。大斷面薄煤層巷道開(kāi)挖工程中難題較多，可大致從兩大方面分析：巷道因較大埋深造成的高地應(yīng)力易引發(fā)巷道失穩(wěn)，造成應(yīng)力集中，破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)。二是地質(zhì)情況復(fù)雜，巷道不是單一的巖石介質(zhì)，含有煤質(zhì)夾層，強(qiáng)度不一的介質(zhì)巖體使巷道產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)不可預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)。以下根據(jù)數(shù)值模擬，討論不同的開(kāi)挖順序?qū)τ趪鷰r穩(wěn)定性及圍巖應(yīng)力分布的影響，分析綜掘開(kāi)挖過(guò)程中巖體的應(yīng)力及其變形，從而選擇合理的機(jī)械開(kāi)采步序。

2 巷道快速掘進(jìn)研究

根據(jù)某煤礦具體地質(zhì)情況，為了研究巷道開(kāi)掘斷面形狀對(duì)綜掘速度的研究，結(jié)合此類(lèi)地區(qū)巷道掘進(jìn)的施工經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮掘進(jìn)機(jī)機(jī)械的施工特點(diǎn)，確定了將巷道大體分為兩部分進(jìn)行開(kāi)挖：首先對(duì)對(duì)硐室進(jìn)行掃底等前期工作，然后將巷道分為四塊進(jìn)行單獨(dú)切割，掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)尺2.0m，每次進(jìn)刀深度不得超過(guò)0.5m，逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)要求尺寸，故確定以下2種開(kāi)挖方案：綜掘方案一：將巷道按由左向右的順序大致分為四部分，先由左側(cè)幫底處由下到上開(kāi)挖第一部分，然后向下開(kāi)挖第二部分，以此完成巷道左半部分施工；然后由下到上開(kāi)挖第三部分，向下開(kāi)挖第四部分；綜掘方案二：從第一部分開(kāi)始開(kāi)挖（由左下幫起刀），再進(jìn)行第二部分，依次第三部分和第四部分（巷道右?guī)徒牵簿褪亲灾虚g進(jìn)刀，自右?guī)椭磷髱统省癝”型切割。

3 數(shù)值模擬分析

為了分析支護(hù)措施的加固，利用數(shù)值模擬的手段建立數(shù)值模型，按照實(shí)際施工步序全面模擬巷道的開(kāi)挖與支護(hù)。為了消除巷道開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r體的擾動(dòng)效應(yīng)，建立數(shù)值模型尺寸為：縱向×橫向×豎向?yàn)?5m×35m×45m。模型的頂部邊界條件為均布荷載，均布荷載是由上部巖層負(fù)重計(jì)算得到的；四周邊界條件為，可以限制巖體上下移動(dòng)而不能水平移動(dòng)的水平鏈桿；模型下部的邊界條件為限制模型各個(gè)方向移動(dòng)的固定端。巖體、煤層材料均服從摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。模型在研究范圍內(nèi)按照地質(zhì)勘擦資料概化為三層，并將地下水壓力換算為地層壓力施加于模型之上。首先在巖體及上部荷載作用下，使模型達(dá)到平衡，清零豎向位移及水平位移，然后進(jìn)行巷道開(kāi)挖。開(kāi)挖按照循環(huán)進(jìn)尺深度0.5m進(jìn)行，每開(kāi)挖0.5m便進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)采用上文提出的參數(shù)。

3.1 方案穩(wěn)定性分析

方案一開(kāi)挖之后，巷道周?chē)鷰r體的應(yīng)力位移云圖（見(jiàn)圖3）。

由應(yīng)力數(shù)值大小可知圍巖出現(xiàn)了拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。第一步開(kāi)挖時(shí)，巖體承受的最高垂直應(yīng)力為18.0MPa，隨著開(kāi)挖第二步，應(yīng)力峰值有所增加，且幅度較大，應(yīng)力峰值波及范圍大約4m。總得來(lái)看應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，在已切割完成的巷道上部及兩側(cè)出現(xiàn)了數(shù)值較大的壓應(yīng)力，應(yīng)力值最大值為19.3Mpa，超過(guò)了圍巖抗壓允許值，圍巖已發(fā)生破壞，此時(shí)應(yīng)盡快破除危險(xiǎn)巖壁。第三部分切割完成后，巷道頂部應(yīng)力集中范圍發(fā)展至巷道深部，巖體受擾動(dòng)范圍增加，圍巖應(yīng)力集中值達(dá)22.5Mpa；第四部分開(kāi)挖完成后，巷道頂板主要以受壓為主，但在巷道兩幫處出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為1.5kPa，壓應(yīng)力集中值為26.2Mpa。

方案二開(kāi)挖后，巷道圍巖應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖4）。

開(kāi)挖第一部分后，巷道頂部出現(xiàn)壓應(yīng)力，數(shù)值大小為2Mpa，并且向圍巖深部范圍內(nèi)應(yīng)力集中數(shù)值逐減小；第二部分開(kāi)挖后，圍巖擾動(dòng)范圍進(jìn)一步增大，在巷道兩側(cè)位置出現(xiàn)數(shù)值大小為18.4Mpa的應(yīng)力集中；第三部分開(kāi)挖后，在巷道右上部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中，集中值為20.9Mpa，圍巖易發(fā)生塌落，應(yīng)盡快切除此部分巖體；第四部分開(kāi)挖后，巷道垂直應(yīng)力狀態(tài)與方案一相似，但變化幅度有所降低，應(yīng)力峰值有向后移動(dòng)的趨勢(shì)，應(yīng)力值為22.7Mpa，小于方案一中的26.2Mpa，所以方案二相對(duì)安全一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某煤礦具體地質(zhì)勘查資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)提出了兩種快速開(kāi)挖方案，并通過(guò)數(shù)值模擬手段，分析了兩種開(kāi)挖方式下的圍巖應(yīng)力變化情況，發(fā)現(xiàn)方案一中每一步開(kāi)挖后的巷道圍巖應(yīng)力集中值比方案二中的應(yīng)力集中值都要高，因此方案二較方案一安全。利用本文成果，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，為同類(lèi)工程提供借鑒價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：張勇（1983-），湖南株洲人，本科，助理工程師，技術(shù)員，研究方向：煤礦開(kāi)采。endprint