大斷面拱形巷道綜掘掘支作業(yè)合理空頂距探討

安 通

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷沿1#煤層底板掘進(jìn)，1#煤層均厚3 m，平均傾角4°。巷道為半圓拱形斷面，巷道墻高、拱高及凈寬分別為1.7 m、2.5 m和4.8 m，設(shè)計(jì)凈斷面積16.2 m2。巷道直接頂為厚11.7 m的砂質(zhì)泥巖，老頂為厚5.7 m的細(xì)粒砂巖，直接底為厚4.8 m的細(xì)粒砂巖，老底為厚6 m的泥巖。

三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷使用EBZ318型綜掘機(jī)掘進(jìn)，配套ZLJ-4型機(jī)載前探支架對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)作業(yè)。巷道綜掘成形后，操作液壓系統(tǒng)升移前探支架，進(jìn)行敲幫問頂，隨后降機(jī)載臨時(shí)支前；在永久支護(hù)下將網(wǎng)鋪在頂梁上并臨時(shí)固定，由帶班隊(duì)干確認(rèn)安全后，方可向前推動(dòng)支護(hù)主架和頂梁液控手柄，慢慢打開至所需角度和位置再升主架至巷道頂板，確認(rèn)安全后，便進(jìn)行錨網(wǎng)+錨梁+錨索+噴漿聯(lián)合支護(hù)的永久支護(hù)作業(yè)。

針對(duì)三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷，為了保證巷道圍巖得到有效控制，并提高掘、支效率，對(duì)該巷道掘進(jìn)過程中合理的空頂距進(jìn)行研究。

2 巷道掘進(jìn)空頂距的理論計(jì)算

2.1 掘進(jìn)巷道空頂區(qū)頂板力學(xué)模型的建立與分析

地下巖石處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，人為開挖后巷道圍巖會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮奢S應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)圍巖不能承受兩軸應(yīng)力下的載荷時(shí)，巷道表面巖石會(huì)由于進(jìn)入塑性狀態(tài)而不具備承載能力，應(yīng)力會(huì)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，即圍巖破壞是由淺至深的過程。臨時(shí)支護(hù)是為防止掘進(jìn)后空頂區(qū)冒頂或者頂板下沉所設(shè)，但臨時(shí)支護(hù)所需空間與掘進(jìn)機(jī)所占空間沖突，需找到與掘進(jìn)迎頭合理的間距進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，以達(dá)到保證安全的前提下的掘、支高效作業(yè)。

將巷道掘進(jìn)后直接頂視為矩形薄板，在確定掘進(jìn)巷道跨度的情況下，建立空頂區(qū)直接頂力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到掘進(jìn)后未控制直接頂?shù)淖铋L(zhǎng)穩(wěn)定長(zhǎng)度即為合理的最大空頂距［1］。

巷道掘進(jìn)后直接頂可視為雙向薄板［2］，三邊固支、一邊簡(jiǎn)支，所建頂板力學(xué)模型見圖1，模型中頂板厚度為h，a表示所掘巷道跨度，b為掘進(jìn)后未進(jìn)行支護(hù)的長(zhǎng)度。

圖1 掘進(jìn)巷道迎頭頂板力學(xué)模型

經(jīng)理論推算，得巷道最大空頂距b為：

式中：a為巷道跨度；b為巷道最大空頂距；h為頂板巖層厚度；q為載荷；σt為頂板巖層的極限抗拉強(qiáng)度。

2.2 三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷的掘進(jìn)巷道空頂距的確定

三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷埋深H 為500 m，寬度a=5 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，其抗拉強(qiáng)度為為3.028 MPa，取覆巖平均容重=27 kN/m3，故三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷覆巖載荷q=γH==27×500=13500 kPa=13.5 MPa。將上述參數(shù)代入式（1），即可求得b=6.74 m，即理論計(jì)算得巷道掘進(jìn)空頂距為6.74 m。

現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工中掘進(jìn)機(jī)截割頭對(duì)巷道兩幫和頂板的擾動(dòng)會(huì)影響兩幫煤壁的穩(wěn)定性，從而影響頂板的穩(wěn)定，因此為了充分保證空頂區(qū)內(nèi)作業(yè)人員的安全，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)根據(jù)煤壁的實(shí)際情況，確定合理的安全系數(shù)。根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)過程中煤壁的穩(wěn)定情況，確定1.4的安全系數(shù)，故結(jié)合安全系數(shù)確定空頂距長(zhǎng)度為4.8 m，后續(xù)施工中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)兩幫及頂板的穩(wěn)定程度進(jìn)行調(diào)整。

3 空頂距合理性分析

3.1 模型建立

以三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷覆巖的巖石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3～5倍巷道寬度的擾動(dòng)應(yīng)力范圍，建立長(zhǎng)40 m、寬29 m、高41.7 m的模型，見圖2。運(yùn)用FLAC3D軟件模擬研究4.8 m空頂距條件下巷道掘進(jìn)期間和掘進(jìn)穩(wěn)定后巷道圍巖的穩(wěn)定性，驗(yàn)證4.8 m空頂距的合理性。巷道周圍重點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格間距為0.2 m，較遠(yuǎn)處的網(wǎng)格間距設(shè)為1 m ，共劃分13萬個(gè)單元。模型建立后先將模型運(yùn)算至初始平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行巷道開挖、臨時(shí)支護(hù)、巷道開挖的循環(huán)作業(yè)［3-4］。

圖2 所建模型

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬巷道掘進(jìn)時(shí)圍巖垂直位移量見圖3（a），掘進(jìn)工作面迎頭頂板從中間至兩側(cè)的變形量逐漸降低，并且由于巖層具有一定傾角，導(dǎo)致左上幫頂板的下沉量偏大，由于巷道圍巖受到巷道掘進(jìn)作業(yè)影響，距掘進(jìn)迎頭0.8 m左右處的頂板位移量較大，約為43.6 mm，導(dǎo)致掘進(jìn)迎頭上方的頂板略微上翹。

模擬巷道掘進(jìn)時(shí)圍巖垂直應(yīng)力分布見圖3（b），圖中巷道在掘進(jìn)后，頂板中部承受著較高的拉應(yīng)力，且距掘進(jìn)迎頭0.8 m左右處的頂板破壞最為明顯，圍巖所受應(yīng)力從頂板中部至巷道兩側(cè)直至兩幫圍巖深處逐漸減小至原巖應(yīng)力。掘進(jìn)時(shí)迎頭前方產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域距掘進(jìn)迎頭3.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.23，垂直應(yīng)力的極值為11.78 MPa；巷幫圍巖深部約4 m位置處產(chǎn)生了應(yīng)力集中系數(shù)為1.3的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其所產(chǎn)生的極值應(yīng)力約12.19 MPa。

圖3 模擬巷道掘進(jìn)時(shí)頂板應(yīng)變應(yīng)力

模擬巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后圍巖垂直位移量見圖4（a），掘進(jìn)工作面迎頭頂板從兩側(cè)至中部的變形量逐漸升高，并且?guī)r層傾角導(dǎo)致頂板左側(cè)的下沉量大于右側(cè)頂板下沉量，受到巷道掘進(jìn)作業(yè)影響，頂板產(chǎn)生位移量較大的位置為距掘進(jìn)迎頭1 m處，下沉量為61.9 mm，未支護(hù)段至支護(hù)段頂板下沉量逐漸減小。

模擬巷道在掘進(jìn)穩(wěn)定后的圍巖應(yīng)力分布見圖4（b），掘進(jìn)穩(wěn)定后，頂板中部仍承受明顯的拉應(yīng)力，且在掘進(jìn)支護(hù)循環(huán)中均為距掘進(jìn)迎頭1 m左右處的頂板破壞最為明顯，巷道頂板至巷幫所受應(yīng)力逐漸減小；巷幫圍巖深部4.2 m產(chǎn)生集中系數(shù)為1.51的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其極值應(yīng)力為13.0 MPa，圍巖深部所受應(yīng)力減小至原巖應(yīng)力。

圖4 模擬巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后頂板應(yīng)變應(yīng)力

綜上三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷保持4.8 m的空頂距進(jìn)行掘支作業(yè)，巷道淺部圍巖雖有所破壞，但其破壞深度與圍巖承受應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)，可滿足巷道安全掘進(jìn)要求。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效果分析

現(xiàn)場(chǎng)施工，三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷保持4.8 m的空頂距進(jìn)行掘支作業(yè)時(shí)，在掘出新斷面后，距離掘進(jìn)迎頭5 m處布置圍巖變形監(jiān)測(cè)站。圖5為巷道掘出斷面30天內(nèi)的圍巖變形量曲線圖。

圖5 巷道新掘斷面圍巖變形量曲線

對(duì)圖5進(jìn)行分析可知：三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷掘支作業(yè)保持4.8 m空頂距時(shí)，新掘斷面穩(wěn)定后的兩幫位移量和頂?shù)装逦灰屏糠€(wěn)定在102 mm和77 mm，圍巖變形在允許范圍內(nèi)，說明4.8 m空頂距長(zhǎng)度合理，不會(huì)造成圍巖的破壞。

4 結(jié)語

通過建立掘進(jìn)巷道迎頭頂板力學(xué)模型進(jìn)行理論分析和計(jì)算得到三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷掘支作業(yè)時(shí)的合理空頂距為4.8 m，建立模型運(yùn)用FLAC3D軟件分析巷道保持4.8 m空頂距進(jìn)行掘支作業(yè)時(shí)和掘進(jìn)穩(wěn)定后的圍巖應(yīng)力，驗(yàn)證了4.8 m空頂距的合理性?，F(xiàn)場(chǎng)掘支作業(yè)后礦壓監(jiān)測(cè)表明，圍巖變形在允許范圍內(nèi)，可在保證安全的前提下提升掘支效率。