大斷面煤巷快速掘進二次支護理論研究

大斷面煤巷快速掘進二次支護理論研究

李學(xué)彬

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

[摘要]在改進煤巷掘進工藝的基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地提出大斷面煤巷快速掘進二次支護理論(簡稱煤巷二次支護)，將煤巷一次成巷支護分為掘進安全支護和補強穩(wěn)定支護，并分析兩次支護的時空關(guān)系及應(yīng)用效果。通過理論分析可知，掘進安全支護施工后，煤巷支護為局部的低強度柔性支護，允許圍巖變形，保證煤巷掘進空間安全；補強穩(wěn)定支護施工后，煤巷支護是全面的高強度剛性支護，限制圍巖有害變形，維持巷道圍巖的長期穩(wěn)定。結(jié)合馬道頭5203回風(fēng)巷的工程地質(zhì)條件，通過數(shù)值分析和工業(yè)性試驗可知，煤巷二次支護技術(shù)能夠在保證煤巷掘進空間安全前提下，提高煤巷掘進速度。

[關(guān)鍵詞]大斷面煤巷；快速掘進；二次支護；數(shù)值模擬；工業(yè)性試驗

[中圖分類號]TD353[文獻標(biāo)識碼]A

[收稿日期]2014-06-23

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.016

[項目基金]國家自然科學(xué)基金重點項目(51134025)

[作者簡介]李學(xué)彬 (1981-)，男，山東濰坊人，助理研究員，主要從事巷道支護研究工作。

Secondary Supporting Theory of Fast Driving Large-section Coal Roadway

LI Xue-bin

(Beijing Zhongmei Mine Engineering Co., Ltd., 100013, China)

Abstract：On the basis of improving coal roadway driving technique, secondary supporting theory of fast driving large-section coal-roadway was put forward which divided one-time supporting into safe supporting in driving and reinforcement supporting.Time and space relation between the two supporting and application effect was analyzed.By theoretical analysis, it was known that after safe supporting in driving, the supporting was local flexible supporting with low strength and permit deformation.After reinforcement supporting, it became wholly-rigid supporting with high strength, control harmful deformation and keep long-term stability of surrounding rock.Industrial test in 5203 air-roadway of Madaotou Colliery showed that secondary supporting technology could improve driving speed of coal roadway on the premise of keeping safety of driving mining.

Keywords：large-section coal roadway；fast driving；secondary supporting；numerical simulation；industrial test

[引用格式]李學(xué)彬.大斷面煤巷快速掘進二次支護理論研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：51-55.

近幾年煤礦采掘的比例一直維持在1∶3.1左右，采掘比例失調(diào)，綜掘的發(fā)展遠滯后于綜采。而煤巷掘進是一個綜合的施工工藝，它不僅取決于掘進設(shè)備的現(xiàn)代化程度，而且與各施工工序緊密相連。大斷面煤巷快速掘進要求一次成巷，把煤巷掘進工作面的支護如錨桿和錨索完成后才進行下一個循環(huán)的煤巷掘進工作，而在目前每個煤巷掘進作業(yè)循環(huán)中，割煤時間占17%～34%，支護時間占50%～67%，含退機組、敲幫問頂、清理浮煤在內(nèi)的其他工序及影響時間僅占10%～30%，支護工序占用時間過長，成為制約提高煤巷掘進速度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。

目前在掘進工作面減少支護時間的解決辦法有2種：

(1)通過采用現(xiàn)代化的支護設(shè)備[5-7]，如錨桿鉆車、掘錨機等，提高打鉆效率，減少支護時間。這種方法主要依靠煤巷掘進機械化程度，而且對施工人員的素質(zhì)和現(xiàn)場設(shè)備提出較高的要求，主要在國內(nèi)大型礦井逐步推廣。

(2)改進煤巷掘進施工工序，實現(xiàn)割煤和支護的并行施工[8-10]，減少掘進工作面的支護時間。這種方法在原來生產(chǎn)條件基礎(chǔ)上，通過改進煤巷掘進工藝能夠提高煤巷掘進速度，適用國內(nèi)大部分礦井，但對于這種技術(shù)方法缺少系統(tǒng)深入的研究，還處于探索階段。

本文針對基于改進煤巷掘進工藝減少掘進工作面支護時間的理念，較為系統(tǒng)地提出大斷面煤巷快速掘進二次支護理論(以下簡稱煤巷二次支護)，將一次成巷永久支護分為兩次支護成巷——掘進安全支護和補強穩(wěn)定支護，減少掘進工作面的支護強度和支護時間，提高煤巷的掘進速度。在此基礎(chǔ)上分析煤巷二次支護的理論基礎(chǔ)，并結(jié)合馬道頭5203回風(fēng)巷的工程地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬和工業(yè)性試驗設(shè)計分析煤巷二次支護的支護方案和應(yīng)用效果，為煤巷二次支護理論的推廣提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1煤巷二次支護理論提出

在圍巖力學(xué)性質(zhì)較好的巷道，尤其是頂板圍巖強度較高的巷道，為了減少煤巷掘進工作面支護的施工時間，將煤巷一次成巷支護分為兩次完成巷道支護，如圖1所示。

圖1　煤巷二次支護流程

(1)第1次支護為掘進安全支護，緊跟掘進工作面，掘進支護強度較低，保證煤巷掘進空間安全，巷道主要支護方式是巷道圍巖變形較為劇烈區(qū)域的支護，如局部的錨桿和錨索支護。

(2)第2次支護為補強穩(wěn)定支護，在不影響煤巷掘進條件下施加補強穩(wěn)定支護，支護強度較高，維持巷道圍巖長期穩(wěn)定，主要支護方式是在掘進安全支護基礎(chǔ)上進一步補充和強化煤巷支護，如補打錨桿和錨索支護，并施加高預(yù)緊力，即實施巷道全斷面高強度剛性支護，限制圍巖變形。

1.1　煤巷掘進空間分析

1.2　煤巷支護時間關(guān)系

煤巷二次支護將煤巷永久支護分成掘進安全支護和補強穩(wěn)定支護，第1個工作面即掘進工作面的施工時間包括割煤時間T割、掘進安全支護施工時間Ta和其他工序時間T他；第2個工作面施工時間為補強穩(wěn)定支護施工時間Tw，煤巷二次支護中2個工作面是煤巷空間內(nèi)距離為L的串行工作面，相互獨立，互不影響，所以第1個工作面的施工時間必須等于第2個工作面的施工時間，即T割+Ta+T他=Tw，可以通過控制第2個工作面的施工人員或設(shè)備控制其施工時間，保證2個工作面的距離為L。

1.3　應(yīng)用效果分析

推導(dǎo)得：

(1)

2理論分析

根據(jù)巷道圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系及圖2可知[11-13]，巷道圍巖的變形與支護強度成反比關(guān)系，在初期階段不需要設(shè)置剛性支護，允許在巖體產(chǎn)生一定的位移后實施有效支護，要在巖體出現(xiàn)有害位移前有效支護以使圍巖支護壓力達到平衡。而煤巷一次支護和二次支護分別為ac段和abc段，煤巷一次支護為有效支護直線ac段，巷道支護強度介于低強度柔性支護和高強度剛性支護之間。而在煤巷二次支護中，施加掘進安全支護后，煤巷支護為ab段，為低強度的柔性支護，而施加補強穩(wěn)定支護后，煤巷支護為bc段，為高強度的剛性支護。柔性支護ab段與圍巖支護壓力曲線沒有交點，無法維持巷道圍巖的穩(wěn)定，必須在巷道圍巖變形發(fā)展有害變形之前實施高強度的剛性支護bc段，使巷道支護曲線與圍巖支護壓力曲線相交，維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖2　圍巖與支護共同作用原理

與煤巷一次支護理論相比，煤巷二次支護理論充分利用煤巷圍巖的自承能力，掘進安全支護為低強度的柔性支護，允許巷道圍巖變形，保證煤巷掘進空間的安全；補強穩(wěn)定支護為高強度的剛性支護，限制巷道圍巖出現(xiàn)有害變形，保持巷道圍巖的長期或永久穩(wěn)定。

由于第1次掘進安全支護時煤巷支護強度較低，掘進支護施工所占用工序時間將明顯減少，增加掘進工作面割煤時間，提高煤巷的掘進速度。

3數(shù)值分析

3.1　工程地質(zhì)概況

馬道頭礦5203回風(fēng)巷平均埋深353m，煤層平均厚度為21m，沿底掘巷，圍巖分布如表1所示。煤巷支護為錨網(wǎng)索支護，煤巷斷面為矩形斷面，寬×高=5.2m×3.5m，頂板錨桿采用φ20mm×2400mm左旋無縱筋錨桿，間排距為900mm×1000mm，頂板錨索采用φ17.8mm×8300mm錨索，間排距為2000mm×3000mm，煤幫錨桿采用φ20mm×2400mm左旋無縱筋錨桿，間排距為1000mm×1000mm，具體支護參數(shù)如圖3所示。

表1　巷道頂?shù)装鍘r層

圖3　煤巷支護斷面及參數(shù)

3.2　模型建立

結(jié)合巷道尺寸，采用FLAC3D建立巷道的三維立體力學(xué)模型，其幾何尺寸為50m×6m×45m，接近巷道區(qū)域和巷道開挖區(qū)域的尺寸為0.2m，遠離巷道區(qū)域的單元尺寸為1m，計算模型共67992單元和75478節(jié)點，見圖4。模型以y軸為法線的側(cè)面限制沿y方向水平移動，模型以x軸為法線的側(cè)面限制沿x方向水平移動，模型底面限制各個方向移動。模型上部為自由面并施加垂直載荷P0，模擬上覆巖層的壓強P0=9.0MPa。整個模型從上到下依次為覆巖、中砂巖、細砂巖、煤層、中細砂巖，巷道位于煤層底部。

圖4　煤巷模型與網(wǎng)格劃分

煤巷圍巖采用摩爾-庫倫模型(Mohr-Coulomb model)[14-16]，具體力學(xué)參數(shù)見表2。實施煤巷一次支護和掘進安全支護時錨桿錨索預(yù)緊力為其破斷力的40%，實施補強穩(wěn)定支護時錨桿錨索預(yù)緊力為其破斷力的60%，巷道支護參數(shù)如表3所示。

表2　煤巷圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3　錨桿支護參數(shù)

3.3　模擬結(jié)果分析

3.3.1煤巷二次支護方案確定

巷道開挖后，巷道圍巖最小主應(yīng)力如圖5所示，巷道兩幫和頂板中部淺部圍巖出現(xiàn)較為明顯拉應(yīng)力區(qū)，巷道表面巖體容易破壞剝落，造成片幫和冒頂。巷道頂板深度圍巖變形程度明顯大于巷道兩幫和底板，頂板圍巖位移極值出現(xiàn)在巷道頂板中部，為44.2mm，而兩幫圍巖位移極值出現(xiàn)在兩幫中部，為21.7mm。所以，巷道頂板和兩幫圍巖中部是支護的關(guān)鍵區(qū)域，及時施加錨桿和錨索支護，保證煤巷掘進空間的安全。

圖5　無支護煤巷道圍巖應(yīng)力位移云圖

結(jié)合前面煤巷二次支護的分析，掘進安全支護主要針對變形較大或容易破壞的關(guān)鍵區(qū)域，即主要頂板大部分區(qū)域和兩幫圍巖中部區(qū)域，考慮到允許巷道圍巖變形，所以掘進支護的錨桿和錨索不施加預(yù)應(yīng)力，防止局部荷載過大而破壞。補強穩(wěn)定支護在掘進安全支護的基礎(chǔ)上補充施加頂角和底角的支護，并對所有錨桿和錨索施加較高預(yù)應(yīng)力進一步強化支護。煤巷二次支護具體參數(shù)如圖6所示。

圖6　煤巷二次支護參數(shù)

3.3.2支護效果分析

從巷道表面收斂監(jiān)測曲線(圖7)可知，與煤巷一次支護相比，煤巷二次支護的頂板監(jiān)測點位移量略有增大，為62.7mm，而煤幫監(jiān)測點位移量幾乎相同。從圍巖應(yīng)力分布(圖8)可知，煤巷采用一次支護后巷道圍巖最大主應(yīng)力為15.09MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.68，采用二次支護后巷道圍巖最大主應(yīng)力極值為14.88MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.65，圍巖應(yīng)力集中程度略有降低，應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。

圖7　巷道表面收斂監(jiān)測曲線

圖8　巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖

圖9　巷道支護受力監(jiān)測曲線

從支護結(jié)構(gòu)受力分析(圖9)可知，隨著巷道變形的增加，巷道支護結(jié)構(gòu)受力先呈線性增加，之后趨于平緩。與煤巷一次支護相比，二次支護特別是實施補強穩(wěn)定支護后錨桿和錨索受力明顯增加，為85.9kN和291.2kN，迅速提高煤巷支護強度，限制煤巷圍巖變形，維持煤巷圍巖穩(wěn)定。

4現(xiàn)場應(yīng)用

結(jié)合馬道頭礦5203回風(fēng)巷的工程條件，煤巷掘進空間為10～15m，支護施工時間約占整個煤巷掘進施工時間的60%，煤巷二次支護方案如圖6所示，通過理論分析可知，采用煤巷二次掘進支護能夠節(jié)省掘進工作面的46%支護施工時間，代入公式(1)可得，煤巷掘進速度提高38.1%。通過半年現(xiàn)場施工對比，在正常地質(zhì)條件下，5203回風(fēng)巷掘進速度為13～14m/d，采用煤巷二次支護技術(shù)后掘進速度提高到17～18m/d，煤巷掘進速度提高了21.4%～38.5%。

5203回風(fēng)巷采用煤巷一次支護時，巷道圍巖變形量不足20mm，煤巷圍巖穩(wěn)定，在采用煤巷二次支護工藝后50m，設(shè)置礦壓監(jiān)測點，監(jiān)測煤巷圍巖變形和頂板離層情況，巷道圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示，兩幫移近量為57mm，而頂?shù)装逡平繛?3mm，頂板離層量為3mm，煤巷圍巖變形量和離層程度都在允許的范圍內(nèi)，煤巷圍巖維持穩(wěn)定。通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗可知，煤巷二次支護在保證煤礦安全掘進的基礎(chǔ)上，明顯提高了煤巷的掘進速度。

5結(jié)論

(1)本文基于改進煤巷掘進工藝減少掘進工作面支護時間的理念，較為系統(tǒng)地提出大斷面煤巷快速掘進二次支護理論，將煤巷掘進工作面一次成巷支護分為綜掘機前后兩個工作面完成——掘進安全支護和補強穩(wěn)定支護，進而減少掘進工作面的支護時間，提高煤巷掘進速度。

圖10　煤巷圍巖變形監(jiān)測曲線

(2)與煤巷一次支護理論相比，二次支護理論充分利用巷道圍巖的自承能力，減少了掘進工作面的支護施工時間，提高煤巷掘進速度。實施一次掘進安全支護后，煤巷支護為低強度柔性支護，允許圍巖變形，保證煤巷掘進空間的安全；實施二次補強穩(wěn)定支護后，煤巷支護為高強度剛性支護，限制圍巖有害變形，維持煤巷圍巖的長期穩(wěn)定。

(3)結(jié)合馬道頭5203回風(fēng)巷的工程地質(zhì)條件，通過數(shù)值分析確定煤巷二次支護方案，通過數(shù)值分析和現(xiàn)場工業(yè)性試驗證明煤巷二次支護技術(shù)保證了掘進空間安全，提高了煤巷掘進速度，維持了煤巷圍巖的長期穩(wěn)定。

(4)煤巷二次支護理論在原生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)上改進煤巷掘進工藝來提高煤巷掘進速度，主要適用于圍巖特別是頂板圍巖較好的煤巷，具有很大的推廣前景和應(yīng)用價值。

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[責(zé)任編輯：林健]

中國煤炭科工集團有限公司等15家單位共同完成項目獲國家科技進步一等獎

由中國煤炭科工集團有限公司、大同煤礦集團有限責(zé)任公司等15家單位共同完成的“特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備”科技成果獲國家科技進步一等獎。

項目針對我國14m以上特厚煤層資源豐富，但國內(nèi)外尚無安全、 高效開采方法的問題，開發(fā)出6項關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)立了3項新理論，取得了4項創(chuàng)新性研究成果：一是發(fā)明了14～20m特厚煤層大采高綜放開采技術(shù)，創(chuàng)立了大采高綜放開采圍巖控制與三維放煤理論；二是研發(fā)了世界首套年產(chǎn)千萬噸特厚煤層大采高綜放開采成套裝備；三是開發(fā)出特大斷面全煤巷道高強度錨桿錨索聯(lián)合支護技術(shù)；四是開發(fā)出大采高綜放工作面瓦斯治理與綜合防火安全保障技術(shù)。在大同、平朔、新疆等13個礦區(qū)32個煤礦得到推廣應(yīng)用。2011-2013年共采出煤炭400Mt，新增銷售額564億元，新增利稅221億元。隨著我國煤炭開發(fā)逐步向西部轉(zhuǎn)移，項目成果推廣前景非常廣闊。天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部巷道礦壓與支護技術(shù)研究所供稿