快速掘進巷道空頂與圍巖穩定數值模擬分析

雷衛鋒

（陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719300）

在礦井開拓開采過程中，不同工序所占的時間比重并不相同。掘進巷道是進行煤層開采的首要工藝過程，其工作效率的高低直接決定了整個開采過程的進度。相關統計結果表明，在巷道綜掘快速掘進過程中，煤巖體切割工序所消耗時間占據掘進過程的20%～25%；巷道圍巖的支護時間占據50%～60%；設備維修及各種準備工作占據的10%～15%。由于巷道掘進過程中巖層內部應力狀態不斷改變，在巷道支護工作完成前，頂板及兩幫巖層將較長時間處于無支護狀態，從而造成圍巖在應力擾動影響下出現變形。并且，隨著空頂距的增加，圍巖變形量也將不斷改變，從而給工作面帶來安全隱患。

目前，針對巷道快速掘進過程中相關問題的研究主要集中在支護參數以及施工組織管理等方面。比如，杜啟軍利用數值模擬的方法研究了錨桿錨索支護參數對巷道快速掘進的制約程度，并結合其結果指定了相應技術改進策略［1］；張征針對石嘴山煤礦公司的順槽巷道施工工藝采用組織管理分析方法解析了制約掘進速度的內外因素［2］。

盡管已有眾多學者針對煤巷快速掘進過程中相關問題進行了研究，但對于巷道快速掘進施工過程中巷道圍巖變形的研究仍未進行。為此，本文以數值模擬的方法，分析了煤層巷道快速掘進過程中空頂距與巷道圍巖的變形關系，可通過其模擬結果中圍巖的變形特征確定巷道快速掘進中科學合理的空頂距離，從而保證工作面的安全，實現科學支護以及各工序的高效實施。

1 工程背景

30110 工作面位于小保當礦業301 采區，上覆巖層標高為+720～+725 m，煤層傾角為5°左右，為近水平煤層。考慮到地質構造作用可能導致頂底板巖層破碎的程度較高，目前所采煤層為5 號煤層，厚度為6.24 m，上覆巖層自下而上依次為碳質泥巖厚度為2.06 m，砂質泥巖厚度為1.2 m，粉砂巖厚度為3.5 m，石灰巖厚度為0.74 m；底板巖層自上而下依次為粉砂巖，厚度0.23 m；石英砂巖厚度為0.3 m，粉砂巖厚度為6.6 m。目標掘進巷道為回風巷，長度約1 400 m，巷道采用矩形巷道形式，長×高為4 500 mm×3 300 mm，巷道凈面積為14.9 m2。巷道支護方式采用錨網索+鋼帶聯合支護形式進行支護。

2 模擬方案

為研究巷道開挖過程中空頂距對巷道圍巖穩定性的影響，依據經驗分別對不同錨桿排距下的巷道圍巖變形及塑性區改變進行了相應的數值模擬分析。依次模擬分析了空頂距從0.8 m 增加至5.6 m 時（梯度為0.8 m），巷道圍巖位移量及塑性區隨空頂距增加時的變化規律，建立模型尺寸為40 m×50 m×40 m。

邊界條件：考慮到巷道在掘進過程中兩幫僅能發生豎直方向位移，因此對模型采用前后左右四個側面進行水平方向位移約束，底板采用固定約束，頂板為上覆巖層重力，由于該巷道位于地下400 m 位置，取上部載荷大小為10 MPa的應力約束。其邊界條件見圖1（a）。

模擬過程中，首先對巷道開挖30 m 后采用錨桿＋錨索進行支護平衡后，進行巷道的快速掘進，從而計算空頂距對巷道圍巖穩定性的影響，巷道支護形式見圖1（b）。

圖1 邊界條件及支護參數

3 模擬分析

基于以上模擬方案，在利用Midas GTS NX 軟件針對不同空頂距離進行數值模擬后，得到了巷道頂板在豎直方向下沉量、水平方向位移量以及巷道圍巖內部塑性區范圍。受限于篇幅限制，本文中僅展示了空頂距為0.8 m 和5.6 m 時巷道頂板及兩幫水平方向以及豎直方向位移云圖，其它空頂距條件下位移量折線見圖3。圖2（a）～（b）分別為空頂距為0.8 m 和5.6 m 條件下巷道兩幫水平方向位移云圖，圖2（c）～（d）為空頂距0.8 m和5.6 m 時巷道頂板位移云圖。

圖2 不同空頂距巷道圍巖位移云圖

通過圖2（a）-（b）可以發現，隨著空頂距的增加，巷道兩幫的位移量也在不斷加大。在空頂距為0.8 m 時，在巷道兩幫的水平位移量相近，并且水平位移等高線的區域較大，表現出了明顯的協調變形現象；當空頂距增加至5.6 m 時，巷道兩側水平位移等高線區域明顯縮小，說明在與巷道不同距離的位置，水平位移梯度顯著加大，此時巷道圍巖的位移不協調現象加劇，不利于巷道圍巖的穩定。圖2（c）～（d）分別為空頂距為0.8 m 和5.6 m時，巷道頂板下沉位移云圖。可以看出，與巷道兩幫水平位移相似，隨著空頂距的不斷增加，頂板下沉量也在不斷增大。并且，在空頂距為0.8 m時，頂板巖層在同一高度下降量相同，而空頂距增加到5.6 m 時，在直接頂附近位移下沉量明顯高于深部巖層。說明此時頂板離層嚴重，不協調變形加劇。

圖3 為不同空頂距條件下，巷道圍巖水平以及垂直方向位移隨空頂距變化曲線圖。可以看出，隨著空頂距的不斷增加，巷道圍巖位移量的改變表現為兩個階段：在空頂距小于4 m 時，隨空頂距增加，巷道圍巖位移量緩慢增大；空頂距超過4 m后，隨著空頂距增加，圍巖位移量快速增大。由此可知，空頂距為4 m 時可視為圍巖變形發生轉變的門檻值，在快速掘進過程中，應使空頂距不大于4 m 才較為安全。

圖3 不同空頂距下巷道圍巖位移曲線

在巷道快速掘進過程中，空頂距的不斷增加，巷道頂板處失去圍巖的支撐，會導致巷道兩側應力增加。在頂板及兩幫發生變形過程中，勢必會伴隨著圍巖的破裂。通過Midas GTS NX得到了不同空頂距條件下巷道圍巖內部應變狀態，見圖4。

圖4 不同空頂距下巷道圍巖塑性區分布

圖4 為不同空頂距下圍巖力學性質狀態，其中紅色代表圍巖處于塑性狀態但仍具有承載力，而藍色代表圍巖處于塑性松動狀態。可以看出，在空頂距為0.8 m 時，巷道圍巖進入塑性區，但仍舊具有承載力，并未產生松動破壞；當空頂距增至3.2 m 時，兩幫塑性區范圍變大，此時頂板進入了塑性松動狀態。在空頂距達到4 m 時，塑形松動范圍開始由頂板向兩幫擴展。隨著空頂距進一步增加，兩幫塑性松動范圍也開始變大，但主要集中在直接頂以及兩幫深處位置。由此可見，當空頂距達到3.2 m 時，應注意頂板的破壞，可視為快速掘進過程中空頂距的警戒值。

4 結論

利用數值模擬的方法分析了巷道綜掘快速掘進過程中，不同空頂距對巷道圍巖穩定性的影響。通過對不同空頂距下巷道圍巖位移量及塑性區狀態分析，得到以下結論：

1）隨著空頂距的不斷增加，巷道圍巖變形量也不斷上升，當空頂距達4 m 后，圍巖變形量快速增加。此時，應加快圍巖支護，減緩煤巖體的切割進度；

2）空頂距在達到3.2 m 時，巷道頂板進入塑性松動狀態，失去承載力；隨著空頂距的不斷增加，巷道兩幫也會出現塑性松動圈，應著重加強頂板及兩幫支護。