大斷面巷道快速綜掘技術研究

張勇+胡朋

摘 要：針對某煤礦具體地質勘查資料結合現場施工經驗提出了兩種快速開挖方案，并通過數值模擬手段，分析了兩種開挖方式下的圍巖應力變化情況，確定了方案二較方案一安全，指導了現場施工，可為同類工程提供借鑒價值。

關鍵詞：大斷面；快速綜掘；數值模擬；穩定性

0 引言

在我國，煤炭一直是一次能源結構的主要部分，由于地下圍巖十分復雜，導致煤礦礦井建設機械化程度較低，在支護參數選取上大多數采用工程類比的手段，支護效果不理想，在巷道掘進與支護上耗費大量人力物力。據相關資料數據，我國現有煤礦巷道綜采程度為78.43%，綜掘機械化程度為29.55%，比例基本維持在2.6：1左右。我國是能源需求大國，現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，降低綜掘所占比例，實現巷道高效建設、集約化生產對煤礦意義重大。張勇等針對榆樹灣煤礦某膠帶大巷給煤硐室煤巖體易發生塌落破壞、支護效果不理想、巷道斷面較大的特點，利用分部開掘技術并結合錨桿、金屬網噴射混凝土及錨索補強的支護方法，有效加固了巷道圍巖，實現了機械化快速采掘；榆林市榆神煤炭建筑設計有限公司以某煤礦特軟頂板大斷面全煤巷道為依托工程，通過改進錨桿、U型梁的具體參數，研究了支護效果的變化，有效控制了圍巖變形，同時節省了支護材料，對類似工程具有重要借鑒價值。

1 巷道快速掘進的重要性

巷道綜掘技術直接關系到巷道斷面成型的質量，影響硐室后期支護效果，如果巷道開挖斷面理想，可有效減少硐室應力集中部位進而減少支護工作量，加快開挖速度。大斷面薄煤層巷道開挖工程中難題較多，可大致從兩大方面分析：巷道因較大埋深造成的高地應力易引發巷道失穩，造成應力集中，破壞支護結構。二是地質情況復雜，巷道不是單一的巖石介質，含有煤質夾層，強度不一的介質巖體使巷道產生復雜的應力狀態，誘發不可預測的危險。以下根據數值模擬，討論不同的開挖順序對于圍巖穩定性及圍巖應力分布的影響，分析綜掘開挖過程中巖體的應力及其變形，從而選擇合理的機械開采步序。

2 巷道快速掘進研究

根據某煤礦具體地質情況，為了研究巷道開掘斷面形狀對綜掘速度的研究，結合此類地區巷道掘進的施工經驗，綜合考慮掘進機機械的施工特點，確定了將巷道大體分為兩部分進行開挖：首先對對硐室進行掃底等前期工作，然后將巷道分為四塊進行單獨切割，掘進機循環進尺2.0m，每次進刀深度不得超過0.5m，逐漸達到設計要求尺寸，故確定以下2種開挖方案：綜掘方案一：將巷道按由左向右的順序大致分為四部分，先由左側幫底處由下到上開挖第一部分，然后向下開挖第二部分，以此完成巷道左半部分施工；然后由下到上開挖第三部分，向下開挖第四部分；綜掘方案二：從第一部分開始開挖（由左下幫起刀），再進行第二部分，依次第三部分和第四部分（巷道右幫角），也就是自中間進刀，自右幫至左幫呈“S”型切割。

3 數值模擬分析

為了分析支護措施的加固，利用數值模擬的手段建立數值模型，按照實際施工步序全面模擬巷道的開挖與支護。為了消除巷道開挖對周圍巖體的擾動效應，建立數值模型尺寸為：縱向×橫向×豎向為35m×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重計算得到的；四周邊界條件為，可以限制巖體上下移動而不能水平移動的水平鏈桿；模型下部的邊界條件為限制模型各個方向移動的固定端。巖體、煤層材料均服從摩爾庫倫破壞準則。模型在研究范圍內按照地質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，使模型達到平衡，清零豎向位移及水平位移，然后進行巷道開挖。開挖按照循環進尺深度0.5m進行，每開挖0.5m便進行支護，支護參數采用上文提出的參數。

3.1 方案穩定性分析

方案一開挖之后，巷道周圍巖體的應力位移云圖（見圖3）。

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

方案二開挖后，巷道圍巖應力云圖（見圖4）。

開挖第一部分后，巷道頂部出現壓應力，數值大小為2Mpa，并且向圍巖深部范圍內應力集中數值逐減小；第二部分開挖后，圍巖擾動范圍進一步增大，在巷道兩側位置出現數值大小為18.4Mpa的應力集中；第三部分開挖后，在巷道右上部分出現了應力集中，集中值為20.9Mpa，圍巖易發生塌落，應盡快切除此部分巖體；第四部分開挖后，巷道垂直應力狀態與方案一相似，但變化幅度有所降低，應力峰值有向后移動的趨勢，應力值為22.7Mpa，小于方案一中的26.2Mpa，所以方案二相對安全一些。

4 結束語

針對某煤礦具體地質勘查資料結合現場施工經驗提出了兩種快速開挖方案，并通過數值模擬手段，分析了兩種開挖方式下的圍巖應力變化情況，發現方案一中每一步開挖后的巷道圍巖應力集中值比方案二中的應力集中值都要高，因此方案二較方案一安全。利用本文成果，可指導現場施工，為同類工程提供借鑒價值。

作者簡介：張勇（1983-），湖南株洲人，本科，助理工程師，技術員，研究方向：煤礦開采。endprint