掘錨機在煤巷快速掘進中的應用

王 濤 石 虎 劉 雷

（山東能源重裝集團魯南裝備制造有限公司，山東 棗莊 277500）

0 引言

在現代深部資源逐步開采的背景條件下，資源開采的經濟性、勞動人員的安全性和救援的難易程度成為研究人員關注的重點問題，安全高效的開采方式成為資源開采技術發展的必然要求，智能化和機械化是時代發展的必然趨勢，因此大量的掘進設備被運用于地下深部的能源開采。在煤炭開采領域，由于掘錨機具有一體化的開挖支護方式，具備削切煤體、鉆孔和支錨功能，大大降低了人工勞動強度，提高了圍巖的預支護效果，達到了控制變形的目的，因此其成為巷道開挖、煤層開采的主要掘進錨固施工機械。盡管如此，煤層屬于軟弱的塑性圍巖體，在開挖作用下，圍巖的應力狀態和位移狀態發生不同程度的改變，使巷道圍巖出現松動和落煤，給煤層巷道的安全連續開采帶來巨大的挑戰。

1 掘錨機在快速掘進條件下煤層的應力和變形分析

在煤層中開挖巷道，煤層的力學特性將發生擾動和卸載效應，導致應力場和位移場發生變化，當采用掘錨機對煤層快速開挖時，這種繞能擾動效應和卸載效應有所減緩，但會產生另一種不利影響，即巷道煤層周圍容易產生“耳朵狀”的應力集中。在巖體力學中，認為煤層是一種黏彈性的圍巖體，其在受到削切和掘進作用力后，圍巖體的力學性質受到損傷，其應力應變模型可以應用煤層黏彈性Maxwell彈性模量和黏性系數串聯后與彈性模量并聯進行描述，應力應變關系如公式（1）和公式（2）所示。

式中：為Maxwell彈性模量；為黏性系數；為黏性系數與Maxwell彈性模量的比值；為剪切時間；為剪切應力；為煤層圍巖體的應變；為煤層彈性模量。

煤層的力學損傷過程如公式（3）所示。

式中：為煤層圍巖體的損傷程度；為煤層應變的分布系數；為煤層的初始應變。

綜合分析公式（1）～公式（3），假定煤層的應變隨時間的變化而線性變化，變化速率為恒定值，即（）=，聯立可以求得在煤層圍巖體的應力與時間（掘進速率）的相互關系，如公式（4）、公式（5）所示。

式中：、為恒定的常數；為頂部的煤層厚度；為支撐壓力與煤層壁的距離；為與形狀相關的系數。

類似地，由彈性力學可知，煤層巷道頂板在受到上部荷載作用后，其力學簡化模型為兩端固定的薄板模型，有虛共原理可以求得板上任意位置的位移，即撓度曲線，如公式（6）所示。

式中：為煤層開挖的橫截面寬度；為煤層頂板的均勻荷載；為煤層的泊松比；為計算的彎曲變形。

2 工程概況

煤炭是山東省儲量最豐富的礦產之一，其在省內的分布可以劃分為24個煤田，探明煤炭資源儲量約312.4億噸，含煤面積約16500萬km，其中兗州煤田為石炭-二疊紀煤田，設計的巷道為1600m，采用MB670掘錨機，掘錨機的質量約105t，尺寸為11200mm×4700mm×2800mm（機械長度×寬度×高度），總功率為510kW，額定電壓約為1140V，滾筒直徑約為1150mm，最大落煤能力約1260t/h，最大輸送能力約1500t/h，支護高度范圍為2.8m～4.2m，采煤高度范圍為3.0m～4.0m，最大調動速度為10m/min。兗州煤田巷道開挖形狀為矩形斷面，開挖尺寸為5.5m×3.6m（寬×高），巷道的頂板埋深約400m，開采人員60人，按三班倒的形式開挖，每班勞動力為20人。

為了更好地分析掘錨機在快速開挖過程中煤層航道的應力應變演變情況，采用有限元方法建立三維平面分析模型，巷道矩形斷面為5.5m×3.6m，整體模型尺寸為80m（方向，重力方向）×10m（方向，水平縱向）×80m（方向，水平橫向），網格尺寸為0.5m的矩形網格，邊界條件確定為頂部加載實際地應力均布荷載，整體模型的兩個豎向邊界加載實際水平應力，底部為固定邊界，位移為零。為了更好地分析掘錨機開挖速度對煤層圍巖的影響，建立3種開挖工況，所有開挖工況均采用全斷面開挖方法。工況1掘進長度為5m，模擬計算開挖步數為5步，每步開采長度為1.0m；工況2掘進長度為5m，模擬計算開挖步數為2步，每步開采長度為2.5m；工況3掘進長度為5m，模擬計算開挖步數為1步，每步開采長度為5.0m。

3 掘錨機掘進速度對煤層的應力場和位移場的影響

圖1為不同掘錨機開挖速度工況下，煤層巷道掌子面前方豎向應力分布情況。由圖1可知，在所有的工況條件下，隨著超前距離距巷道掌子面的距離增加，煤層豎向應力曲線均呈現先增長后迅速減少并不斷趨于收斂的非線性變化規律，在約1.0倍開挖寬度的位置處出現豎向應力峰值。隨著掘錨機開挖速度的提高，煤層的豎向應力峰值也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其豎向應力峰值約10.50MPa，最大應力峰值位置為超前距離6.0m；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其豎向應力峰值約10.60MPa，最大應力峰值位置為超前距離6.0m；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其豎向應力峰值約10.80MPa，最大應力峰值位置為超前距離5.5m。在所有工況條件下，超前距離大于8.0m后，豎向應力小于9.50MPa，并趨于一致，收斂的豎向應力值為9.2MPa。

圖1 煤層巷道豎向應力與掌子面超前距離的變化關系

圖2為在不同掘錨機開挖速度工況下，豎向應力與煤層巷道煤壁距離的變化情況。由圖2可知，在所有的工況條件下，隨著煤層巷道煤壁距離的增加，煤層豎向應力曲線均呈現先增長后迅速減少，并不斷趨于收斂的非線性變化規律，在約1.0倍開挖寬度的位置處（6.0m）出現豎向應力峰值。隨著掘錨機開挖速度的增加，煤層的豎向應力峰值也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其豎向應力峰值約10.50MPa，最大應力峰值位置為煤層巷道煤壁距離6.0m；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其豎向應力峰值約10.60MPa，最大應力峰值位置為煤層巷道煤壁距離6.0m；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其豎向應力峰值約10.80MPa，最大應力峰值位置為煤層巷道煤壁距離6.0m，由此表明，降低掘錨機的開挖速率可以減少豎向應力峰值。在所有工況條件下，煤層巷道煤壁距離大于6.5m后，豎向應力小于10.4MPa，且趨向于一致，收斂的豎向應力值為9.2MPa。

圖2 煤層巷道豎向應力隨煤壁距離的變化關系

圖3為在不同掘錨機開挖速度工況下，煤層巷道豎向位移與開挖進尺的關系曲線。由圖3可知，在所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進尺的增加，煤層豎向位移曲線均呈現不斷減少的非線性變化規律，煤層豎向位移初始下降速度較緩，后期下降速度大，在開挖進尺約3.5m的位置處不同工況的豎向位移一致，表明掘錨機的速度對煤層頂板的擾動范圍有限，影響范圍主要集中在60%的開挖寬度范圍內（3.5m）。隨著掘錨機開挖速度的提高，煤層的頂板初始豎向位移也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其頂板豎向位移約14.72mm；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其頂板豎向位移約14.30mm；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其頂板豎向位移約13.18mm，由此表明，降低掘錨機的開挖速率可以減少豎向應力峰值。在所有工況條件下，巷道開挖進尺大于3.5m后，頂板豎向位移趨向一致，在開挖進尺為5.0m時，頂板豎向位移約為7.0m，并且無收斂現象。由此表明，降低掘錨機的開挖速率可以減少煤層頂板豎向初始位移值，但對擾動范圍之外的頂板位移影響較小。

圖3 煤層巷道豎向位移與巷道開挖進尺的變化關系

圖4為不同掘錨機開挖速度工況下，煤層巷道側壁水平位移與開挖進尺的關系曲線。由圖4可知，在所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進尺的增加，煤層巷道側壁水平位移曲線均呈現不斷減少的非線性變化規律，煤層豎向位移初始下降速度較快，后期下降速度放緩，在開挖進尺約34.0m的位置處不同工況的豎向位移一致，表明掘錨機的速度對煤層頂板的擾動范圍有限，影響范圍主要集中在73%的開挖寬度范圍內（4.0m）。隨著掘錨機開挖速度的增加，煤層巷道側壁初始水平位移也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其煤層巷道側壁水平位移約14.70mm；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其煤層巷道側壁水平位移約14.25mm；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其煤層巷道側壁水平位移約13.20mm。在所有工況條件下，巷道開挖進尺大于4.0m后，煤層巷道側壁水平位移趨向于一致，存在位移收斂現象，當開挖進尺為5.0m時，煤層巷道側壁水平位移約為7.0m。由此表明，降低掘錨機的開挖速率可以減少煤層巷道側壁初始水平位移，但對擾動范圍之外的頂板位移影響較小。

圖4 煤層巷道側壁水平位移與巷道開挖進尺的變化關系

4 掘錨機掘進實際開挖應力應變監測結果與模擬結果對比

實際開挖掘進采用工況1的開挖方式，并在矩形開挖斷面的頂部、側墻的中部布置應力和應變監測點，監測時長為40d，以便與數值模擬進行對比。監測結果表明，頂板的現場監測應力從10.40MPa逐漸降低至5.70MPa，數值模擬的結果與現場監測值相近，偏差范圍為-0.26MPa～0.39MPa，側壁的現場監測應力從10.04MPa逐漸減少至5.12MPa，數值模擬的結果與現場監測值相近，偏差范圍為-0.30MPa～0.30MPa。由此表明，掘錨機開挖數值模擬的結果與實際相符，結果具有可靠性。

頂板的現場監測豎向位移從13.23mm逐漸減少至5.45mm，數值模擬的結果與現場監測值相近，偏差范圍為-0.86mm～0.32mm，側壁的現場監測水平位移從13.29mm逐漸減少至5.05mm，數值模擬的結果與現場監測值相近，偏差范圍為-0.18mm～0.99mm。由此表明，掘錨機開挖數值模擬的結果與實際相符，結果具有可靠性。

5 結論

以山東省兗州煤田為研究對象，運用數值模擬的手段研究掘錨機開挖煤層巷道的應力場和位移場的變化情況，同時應用現場監測的手段驗證數值模擬結果的可靠性，得到以下幾個結論：1）在所有的工況條件下，隨著超前距離距巷道掌子面的距離增加，煤層豎向應力曲線均呈現先增長后迅速減少并不斷趨于收斂的非線性變化規律，在約1.0倍開挖寬度的位置處出現豎向應力峰值；煤層豎向應力隨著煤層巷道煤壁距離增加變化，也有類似規律；隨著掘錨機開挖速度的提高，煤層的豎向應力峰值也不斷增加；2）所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進尺的增加，煤層豎向位移曲線均呈現不斷減少的非線性變化規律，并且無收斂現象；所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進尺的增加，煤層巷道側壁水平位移曲線均呈現不斷減少的非線性變化規律，煤層豎向位移初始下降速度較快，后期下降速度放緩，存在位移收斂現象；降低掘錨機的開挖速率可以減少煤層頂板豎向初始位移值和側壁的水平向初始位移值；3）將煤層巷道頂部應力、側壁應力現場實測結果與數值模擬結果進行對比，將頂部位移、側壁水平位移現場實測結果與數值模擬結果進行對比，結果表明，掘錨機開挖數值模擬的結果與實際相符，結果具有可靠性。