大斷面拱形巷道綜掘掘支作業合理空頂距探討

安 通

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦三采區輔助運輸巷沿1#煤層底板掘進，1#煤層均厚3 m，平均傾角4°。巷道為半圓拱形斷面，巷道墻高、拱高及凈寬分別為1.7 m、2.5 m和4.8 m，設計凈斷面積16.2 m2。巷道直接頂為厚11.7 m的砂質泥巖，老頂為厚5.7 m的細粒砂巖，直接底為厚4.8 m的細粒砂巖，老底為厚6 m的泥巖。

三采區輔助運輸巷使用EBZ318型綜掘機掘進，配套ZLJ-4型機載前探支架對空頂區進行臨時支護作業。巷道綜掘成形后，操作液壓系統升移前探支架，進行敲幫問頂，隨后降機載臨時支前；在永久支護下將網鋪在頂梁上并臨時固定，由帶班隊干確認安全后，方可向前推動支護主架和頂梁液控手柄，慢慢打開至所需角度和位置再升主架至巷道頂板，確認安全后，便進行錨網+錨梁+錨索+噴漿聯合支護的永久支護作業。

針對三采區輔助運輸巷，為了保證巷道圍巖得到有效控制，并提高掘、支效率，對該巷道掘進過程中合理的空頂距進行研究。

2 巷道掘進空頂距的理論計算

2.1 掘進巷道空頂區頂板力學模型的建立與分析

地下巖石處于三軸應力狀態，人為開挖后巷道圍巖會轉變為兩軸應力狀態，當圍巖不能承受兩軸應力下的載荷時，巷道表面巖石會由于進入塑性狀態而不具備承載能力，應力會向圍巖深部轉移，即圍巖破壞是由淺至深的過程。臨時支護是為防止掘進后空頂區冒頂或者頂板下沉所設，但臨時支護所需空間與掘進機所占空間沖突，需找到與掘進迎頭合理的間距進行臨時支護，以達到保證安全的前提下的掘、支高效作業。

將巷道掘進后直接頂視為矩形薄板，在確定掘進巷道跨度的情況下，建立空頂區直接頂力學模型進行計算，得到掘進后未控制直接頂的最長穩定長度即為合理的最大空頂距［1］。

巷道掘進后直接頂可視為雙向薄板［2］，三邊固支、一邊簡支，所建頂板力學模型見圖1，模型中頂板厚度為h，a表示所掘巷道跨度，b為掘進后未進行支護的長度。

圖1 掘進巷道迎頭頂板力學模型

經理論推算，得巷道最大空頂距b為：

式中：a為巷道跨度；b為巷道最大空頂距；h為頂板巖層厚度；q為載荷；σt為頂板巖層的極限抗拉強度。

2.2 三采區輔助運輸巷的掘進巷道空頂距的確定

三采區輔助運輸巷埋深H 為500 m，寬度a=5 m，直接頂為砂質泥巖，其抗拉強度為為3.028 MPa，取覆巖平均容重=27 kN/m3，故三采區輔助運輸巷覆巖載荷q=γH==27×500=13500 kPa=13.5 MPa。將上述參數代入式（1），即可求得b=6.74 m，即理論計算得巷道掘進空頂距為6.74 m。

現場掘進施工中掘進機截割頭對巷道兩幫和頂板的擾動會影響兩幫煤壁的穩定性，從而影響頂板的穩定，因此為了充分保證空頂區內作業人員的安全，現場施工時應根據煤壁的實際情況，確定合理的安全系數。根據巷道現場掘進過程中煤壁的穩定情況，確定1.4的安全系數，故結合安全系數確定空頂距長度為4.8 m，后續施工中可根據現場兩幫及頂板的穩定程度進行調整。

3 空頂距合理性分析

3.1 模型建立

以三采區輔助運輸巷覆巖的巖石力學參數為基礎，結合3～5倍巷道寬度的擾動應力范圍，建立長40 m、寬29 m、高41.7 m的模型，見圖2。運用FLAC3D軟件模擬研究4.8 m空頂距條件下巷道掘進期間和掘進穩定后巷道圍巖的穩定性，驗證4.8 m空頂距的合理性。巷道周圍重點區域的網格間距為0.2 m，較遠處的網格間距設為1 m ，共劃分13萬個單元。模型建立后先將模型運算至初始平衡狀態，然后進行巷道開挖、臨時支護、巷道開挖的循環作業［3-4］。

圖2 所建模型

3.2 模擬結果分析

模擬巷道掘進時圍巖垂直位移量見圖3（a），掘進工作面迎頭頂板從中間至兩側的變形量逐漸降低，并且由于巖層具有一定傾角，導致左上幫頂板的下沉量偏大，由于巷道圍巖受到巷道掘進作業影響，距掘進迎頭0.8 m左右處的頂板位移量較大，約為43.6 mm，導致掘進迎頭上方的頂板略微上翹。

模擬巷道掘進時圍巖垂直應力分布見圖3（b），圖中巷道在掘進后，頂板中部承受著較高的拉應力，且距掘進迎頭0.8 m左右處的頂板破壞最為明顯，圍巖所受應力從頂板中部至巷道兩側直至兩幫圍巖深處逐漸減小至原巖應力。掘進時迎頭前方產生應力集中的區域距掘進迎頭3.5 m，應力集中系數為1.23，垂直應力的極值為11.78 MPa；巷幫圍巖深部約4 m位置處產生了應力集中系數為1.3的應力集中現象，其所產生的極值應力約12.19 MPa。

圖3 模擬巷道掘進時頂板應變應力

模擬巷道掘進穩定后圍巖垂直位移量見圖4（a），掘進工作面迎頭頂板從兩側至中部的變形量逐漸升高，并且巖層傾角導致頂板左側的下沉量大于右側頂板下沉量，受到巷道掘進作業影響，頂板產生位移量較大的位置為距掘進迎頭1 m處，下沉量為61.9 mm，未支護段至支護段頂板下沉量逐漸減小。

模擬巷道在掘進穩定后的圍巖應力分布見圖4（b），掘進穩定后，頂板中部仍承受明顯的拉應力，且在掘進支護循環中均為距掘進迎頭1 m左右處的頂板破壞最為明顯，巷道頂板至巷幫所受應力逐漸減小；巷幫圍巖深部4.2 m產生集中系數為1.51的應力集中現象，其極值應力為13.0 MPa，圍巖深部所受應力減小至原巖應力。

圖4 模擬巷道掘進穩定后頂板應變應力

綜上三采區輔助運輸巷保持4.8 m的空頂距進行掘支作業，巷道淺部圍巖雖有所破壞，但其破壞深度與圍巖承受應力均在控制范圍內，可滿足巷道安全掘進要求。

3.3 現場作業效果分析

現場施工，三采區輔助運輸巷保持4.8 m的空頂距進行掘支作業時，在掘出新斷面后，距離掘進迎頭5 m處布置圍巖變形監測站。圖5為巷道掘出斷面30天內的圍巖變形量曲線圖。

圖5 巷道新掘斷面圍巖變形量曲線

對圖5進行分析可知：三采區輔助運輸巷掘支作業保持4.8 m空頂距時，新掘斷面穩定后的兩幫位移量和頂底板位移量穩定在102 mm和77 mm，圍巖變形在允許范圍內，說明4.8 m空頂距長度合理，不會造成圍巖的破壞。

4 結語

通過建立掘進巷道迎頭頂板力學模型進行理論分析和計算得到三采區輔助運輸巷掘支作業時的合理空頂距為4.8 m，建立模型運用FLAC3D軟件分析巷道保持4.8 m空頂距進行掘支作業時和掘進穩定后的圍巖應力，驗證了4.8 m空頂距的合理性。現場掘支作業后礦壓監測表明，圍巖變形在允許范圍內，可在保證安全的前提下提升掘支效率。