煤巷掘進合理空頂距留設及施工優(yōu)化

李小亮

（陽泉煤業(yè)集團股份有限公司二礦，山西 陽泉045000）

1 工程概況

某礦3201回風順槽布置于礦井井田3號煤層二采區(qū)南翼，服務于3201綜采工作面，巷道沿3號煤層底板掘進，掘進長度1 053 m，成巷斷面為矩形，斷面高度為3.9 m，寬度為5.2 m，掘進方式為綜合機械化掘進全斷面一次成巷。該巷所揭露3號煤層的厚度平均為3.9 m，煤層傾斜角度平均3°，屬近水平煤層。3號煤層頂?shù)装遒x存較為穩(wěn)定，賦存特征如表1所示。

表1 煤層頂板賦存特征

采用錨-網(wǎng)-索聯(lián)合支護的方式對3201回風順槽進行永久性支護。其中頂板采用Φ18.9 mm×L6 400 mm鋼絞線錨索協(xié)同Φ22 mm×L2 400 mm高強錨桿進行支護，同時配合W鋼帶疊加支護。頂錨桿每排布置7根，間排距為800 mm×1 000 mm，除最外側(cè)錨桿向外傾斜10°左右布置，其余均垂直于頂板布置；頂錨索布置方式為三四型布置，即第一排巷中布置一根，距巷中線1 500 mm兩側(cè)各布置一根，第二排距巷中線750 mm兩側(cè)各布置一根，再以1 500 mm間距向兩側(cè)各布置一根，錨索排距為1 000 mm。巷道兩幫采用Φ22 mm×L2 200 mm高強錨桿配合300 mm×280 mm×3mmW型護板豎放支護，每排布置4根錨桿，布置間排距為1 000 mm×1 000 mm。

2 合理空頂距的確定

3201回風順槽掘進過程中，原先采用2 m空頂距進行掘進時，巷道掘支作業(yè)交替頻繁且耗時較長，空頂距的過于保守性留設是造成成巷速度較慢的重要原因之一，因此通過數(shù)值模擬的方法對空頂距的合理留設進行分析。

2.1 模擬方案

結(jié)合實際巷道圍巖條件及巷道掘進參數(shù)，利用FLAC3D數(shù)值模擬計算軟件建立長40 m×寬100 m×高30 m的彈性材料模型，模擬巷道寬度為5.2 m，高度為3.9 m，限制模型四周水平方向位移與底部邊界豎直位移，并在模型上邊界施加12.5 MPa均布載荷替代實際巷道上覆圍巖載荷（考慮到實際巷道地下埋藏深度約為450～500 m）。數(shù)值模型建立完成后，采用摩爾-庫倫（Mohr-coulomb）屈服強度準則進行計算[1]，計算步驟如下：

1）圍巖初始應力平衡時；

2）有支護條件下對巷道進行一次開挖50 m時；

3）無支護條件下對巷道進行二次開挖時。

本次模擬計算過程中，對巷道實行無支護二次開挖時，開挖長度分別選取2 m、4 m、6 m、8 m、10 m五種方案，以分析不同掘進空頂距離條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性情況，從而確定合理的掘進巷道空頂距離。巷道二次開挖后，此時可據(jù)不同條件將巷道分為支護區(qū)、空頂區(qū)、實體煤區(qū)三個區(qū)段。

2.2 空頂區(qū)圍巖位移分析

下頁圖1所示為掘進空頂距離為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m時的巷道空頂區(qū)頂板累積下沉量、底板累積鼓起量和兩幫累積收斂量變化曲線圖。由圖1可知：巷道掘進留設空頂距大于6 m時圍巖變形位移量較空頂距小于6 m時明顯增加。其中當留設空頂距為6 m時，空頂區(qū)頂板最大下沉量為41 mm，較空頂距2 m時（30 mm）增長36.7%，底板最大鼓起量為31 mm較空頂距2 m時（22 mm）增長40.9%，兩幫最大收斂量為65 mm空頂距2 m時（48 mm）增長35.4%；當留設空頂距為10 m時，空頂區(qū)頂板最大下沉量為74 mm較空頂距6 m時增長80.5%，底板最大鼓起量為53 mm較空頂距6 m時增長80.0%，兩幫最大收斂量為101mm空頂距6m時增長55.4%，增長幅度明顯。

圖1 不同空頂距時巷道圍巖位移量

2.3 空頂區(qū)圍巖塑性區(qū)分析

如圖2所示為不同掘進空頂距時的巷道空頂區(qū)圍巖塑性破壞區(qū)分布云圖，可見，當掘進巷道空頂距不超過6 m時圍巖發(fā)生塑性破壞主要以剪切破壞為主，而當空頂距超過6 m時圍巖發(fā)生塑性破壞體現(xiàn)為剪切、拉伸復合破壞特征，且隨掘進留設空頂距離的增加，巷道空頂區(qū)圍巖塑性破壞深度和破壞范圍不斷加大。同時由塑性區(qū)分布情況可知，當空頂距為6 m時塑性區(qū)網(wǎng)格數(shù)為88個，較空頂距2 m時（69個）增加了27.5%，當空頂距為10 m時塑性區(qū)網(wǎng)格數(shù)為120個，較空頂距6 m時增加了50%。

圖2 不同空頂距時巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

綜上研究所述，當掘進巷道空頂距不超過6 m時，巷道空頂區(qū)圍巖變形破壞不明顯、穩(wěn)定性良好；當空頂距超出6 m后，巷道空頂區(qū)圍巖變形量較大且圍巖塑性破壞程度較高、穩(wěn)定性較差。因此，得知巷道合理的空頂距離應保持在6 m以內(nèi)。

3 施工方案的優(yōu)化

3.1 支護優(yōu)化

在巷道掘-錨作業(yè)施工過程中，往往支護作業(yè)占用的工程量及作業(yè)時間遠遠超出掘進作業(yè)，合理的支護布置不僅是維護巷道圍巖穩(wěn)定的根本，同時也是掘進工作的關鍵。在合理掘進空頂距確定的前提下，以及保障巷道圍巖穩(wěn)定的基礎上，盡可能地減少支護單體數(shù)量、縮短支護時間，在降低支護成本的同時加快成巷效率[2-3]。

1）錨桿優(yōu)化。在其余布置參數(shù)不改變的情況下，將頂板錨桿布置間距由原先一排7根調(diào)整為一排6根，頂錨桿間距由800 mm放大至900 mm。

2）錨索優(yōu)化。將頂板錨索的布置方式由原先三四型布置調(diào)整為三三型布置，即巷道頂板每排布置三根錨索，其中巷中布置一根，距巷中線左右1 500 mm各布置一根。

3.2 工藝優(yōu)化

據(jù)現(xiàn)場調(diào)研可知，巷道在實際支護中采用風動鉆機進行錨桿、錨索鉆孔施工，其過程不僅耗時長，且施工難度較大、施工步驟較為繁瑣，是限制成巷速度的主要因素。因此，結(jié)合現(xiàn)代化快速掘巷技術(shù)，為提高錨桿、錨索成孔速度與成孔質(zhì)量，降低支護作業(yè)的耗時以及縮短掘錨交替延誤時間差，考慮采用改進后的配備液壓鉆機的掘錨一體機進行巷道掘進施工。

同時，在巷道掘錨機械設備硬件更新的基礎上，對施工工藝進行合理調(diào)整與優(yōu)化，具體如下：

1）巷道斷面揭露后對臨時支護工藝進行調(diào)整，即在掘進切割頭單個進尺割煤完成后緊接著進行頂板與兩幫金屬網(wǎng)的鋪設與搭接，同時開啟掘錨一體機臨時支護設備進行圍巖表面的臨時支撐。

2）考慮到巷道支護構(gòu)件相互間的匹配適應性，若按照以往鄰排支護的方式進行支護巷道時，頂板錨索與錨桿的性能匹配相適程度較差，錨索易由于剛度大的原因發(fā)生錨固后失效拉斷；且結(jié)合實際巷道頂板較為堅硬的原因，巷道新斷面掘出后及時安裝錨桿即可短時間內(nèi)保證頂板穩(wěn)定。因此，考慮將錨索的安裝作業(yè)適當滯后于錨桿安裝，即通過檢修班進行頂板錨索的補打，這樣一來，不僅提高了生產(chǎn)班的掘進效率，且能更大程度地發(fā)揮錨索協(xié)同錨桿支護的作用。

4 應用分析

據(jù)以上研究結(jié)果，在3201回風巷道選取80 m長度的試驗斷段巷道進行掘進空頂距留設長度的合理性驗證分析以及優(yōu)化施工后的成巷時效性分析，考慮到安全生產(chǎn)的要求，在掘進施工工藝優(yōu)化的基礎上，選取合理的試驗空頂距為4 m。

如圖3所示，在確定合理空頂距的前提下以及對巷道掘進施工優(yōu)化的基礎上，試驗段巷道頂板位移量基本符合常規(guī)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，其中監(jiān)測期間內(nèi)頂板最大累積下沉量為137 mm，且在距掘進工作面30 m以后時頂板下沉速度明顯減緩，30 m時的頂板下沉速度約為1.6 mm/d，待掘進迎頭超出位移測點80 m以后該處頂板已經(jīng)基本不再變形。因此可知，在留設空頂距為4 m、錨桿（索）布置密度優(yōu)化后，該巷道能夠在保證圍巖穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)快速安全掘進。

圖3 試驗段巷道頂板變形特征

5 結(jié)論

1）據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，空頂距大于6 m時巷道空頂區(qū)圍巖變形量較空頂距小于6 m時顯著增加，且空頂距大于6 m時空頂區(qū)圍巖塑性破壞范圍較空頂距小于6 m時明顯擴大。

2）結(jié)合現(xiàn)場條件，確定合理的掘進空頂距為4 m，同時對巷道支護及掘進施工進行了合理優(yōu)化。

3）經(jīng)現(xiàn)場應用，在空頂距調(diào)整及施工優(yōu)化的條件下，3201回風順槽圍巖變形量較小、變形速度緩慢，圍巖整體穩(wěn)定性較好。