大断面拱形巷道综掘掘支作业合理空顶距探讨.pdf

江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 大断面拱形巷道综掘掘支作业合理空顶距探讨 安 通 （山西霍宝干河煤矿有限公司，山西洪洞041600） 摘要为提高干河煤矿三采区辅助运输巷综掘机掘支作业效率，保证支护效果，通过建立巷道空顶区顶板力学模型，对合 理的空顶距进行理论分析，结合现场实际情况确定4.8 m的空顶距，并通过FLAC3D软件研究4.8 m空顶距条件下巷道掘进 期间和掘进稳定后围岩的稳定性。 发现该条件下巷道浅部围岩虽有所破坏， 但其破坏深度与围岩承受应力均在控制范围 内，可满足巷道安全掘进要求。 研究结果现场应用后该巷道从掘进至稳定围岩变形量均控制在有效范围内，即4.8 m空顶 区长度合理。 关键词大断面拱形巷道；巷道顶板力学模型；空顶区长度；应力应变；围岩变形量 中图分类号TD263.3文献标识码A文章编号1006-2572（2020）02-0028-03 Discussion on Reasonable Empty Roof Distance of Comprehensive Excavation and Supporting Operation in Large-scale Arched Roadway An Tong （Shanxi Hobao Ganhe Coal Mine Co., Ltd., Hongdong, Shanxi 041600） Abstract To improve the efficiency of excavation and support of roadheader of the auxiliary transportation roadway in the third mining area of Ganhe Colliery and ensure the support effect, by establishing mechanical model of roadway empty roof area, the paper determines the empty roof distance is 4.8m based on a theoretical analysis of reasonable empty roof distance, and studies the stability of the surrounding rock during roadheading under the condition of 4.8m empty roof distance by using FLAC3D software, which can meet the requirements of safe tunneling. Key words large-scale arched roadway; mechanical model of roadway roof; empty top zone length; stress strain; surrounding rock deation 山西霍宝干河煤矿三采区辅助运输巷沿1煤层 底板掘进，1煤层均厚3m，平均倾角4。 巷道为半 圆拱形断面，巷道墙高、拱高及净宽分别为1.7m、 2.5m和4.8m，设计净断面积16.2m2。巷道直接顶 为厚11.7m的砂质泥岩， 老顶为厚5.7m的细粒砂 岩，直接底为厚4.8m的细粒砂岩，老底为厚6m的 泥岩。 三采区辅助运输巷使用EBZ318型综掘机掘进， 配套ZLJ-4型机载前探支架对空顶区进行临时支护 作业。 巷道综掘成形后，操作液压系统升移前探支 架，进行敲帮问顶，随后降机载临时支前；在永久支 护下将网铺在顶梁上并临时固定，由带班队干确认 安全后， 方可向前推动支护主架和顶梁液控手柄， 慢慢打开至所需角度和位置再升主架至巷道顶板， 确认安全后， 便进行锚网锚梁锚索喷浆联合支 护的永久支护作业。 针对三采区辅助运输巷，为了保证巷道围岩得 到有效控制，并提高掘、支效率，对该巷道掘进过程 中合理的空顶距进行研究。 28 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 2.1掘进巷道空顶区顶板力学模型的建立与分析 地下岩石处于三轴应力状态，人为开挖后巷道 围岩会转变为两轴应力状态，当围岩不能承受两轴 应力下的载荷时，巷道表面岩石会由于进入塑性状 态而不具备承载能力， 应力会向围岩深部转移，即 围岩破坏是由浅至深的过程。 临时支护是为防止掘 进后空顶区冒顶或者顶板下沉所设，但临时支护所 需空间与掘进机所占空间冲突，需找到与掘进迎头 合理的间距进行临时支护，以达到保证安全的前提 下的掘、支高效作业。 将巷道掘进后直接顶视为矩形薄板，在确定掘 进巷道跨度的情况下，建立空顶区直接顶力学模型 进行计算，得到掘进后未控制直接顶的最长稳定长 度即为合理的最大空顶距［1］。 巷道掘进后直接顶可视为双向薄板［2］，三边固 支、一边简支，所建顶板力学模型见图1，模型中顶 板厚度为h，a表示所掘巷道跨度，b为掘进后未进行 支护的长度。 图1掘进巷道迎头顶板力学模型 经理论推算，得巷道最大空顶距b为 b a2h2π2σt（3a22b2） 12qa2-3h2π2σt姨 4 （1） 式中a为巷道跨度；b为巷道最大空顶距；h为顶板 岩层厚度；q为载荷；σt为顶板岩层的极限抗拉强度。 2.2三采区辅助运输巷的掘进巷道空顶距的确定 三采区辅助运输巷 埋 深H为500m，宽 度a 5m，直接顶为砂质泥岩，其抗拉强度为为3.028MPa， 取覆岩平均容重27kN/m3，故三采区辅助运输巷覆 岩载荷qγH2750013500kPa13.5MPa。 将 上述参数代入式（1），即可求得b6.74m，即理论计 算得巷道掘进空顶距为6.74m。 现场掘进施工中掘进机截割头对巷道两帮和 顶板的扰动会影响两帮煤壁的稳定性，从而影响顶 板的稳定，因此为了充分保证空顶区内作业人员的 安全，现场施工时应根据煤壁的实际情况，确定合 理的安全系数。 根据巷道现场掘进过程中煤壁的稳 定情况，确定1.4的安全系数，故结合安全系数确定 空顶距长度为4.8m， 后续施工中可根据现场两帮 及顶板的稳定程度进行调整。 3.1模型建立 以三采区辅助运输巷覆岩的岩石力学参数为 基础，结合3～5倍巷道宽度的扰动应力范围，建立 长40m、宽29m、高41.7m的模型，见图2。 运用 FLAC3D软件模拟研究4.8m空顶距条件下巷道掘进 期间和掘进稳定后巷道围岩的稳定性， 验证4.8m 空顶距的合理性。 巷道周围重点区域的网格间距为 0.2m，较远处的网格间距设为1m，共划分13万个单 元。 模型建立后先将模型运算至初始平衡状态，然后 进行巷道开挖、临时支护、巷道开挖的循环作业［3-4］。 图2所建模型 3.2模拟结果分析 模拟巷道掘进时围岩垂直位移量见图3（a），掘 进工作面迎头顶板从中间至两侧的变形量逐渐降 低，并且由于岩层具有一定倾角，导致左上帮顶板 的下沉量偏大，由于巷道围岩受到巷道掘进作业影 响，距掘进迎头0.8m左右处的顶板位移量较大，约 为43.6mm，导致掘进迎头上方的顶板略微上翘。 模拟巷道掘进时围岩垂直应力分布见图3（b）， 图中巷道在掘进后， 顶板中部承受着较高的拉应 力， 且距掘进迎头0.8m左右处的顶板破坏最为明 显，围岩所受应力从顶板中部至巷道两侧直至两帮 围岩深处逐渐减小至原岩应力。 掘进时迎头前方产 生应力集中的区域距掘进迎头3.5m， 应力集中系 数为1.23，垂直应力的极值为11.78MPa；巷帮围岩 深部约4m位置处产生了应力集中系数为1.3的应 力集中现象，其所产生的极值应力约12.19MPa。 （a）围岩垂直位移量 29 江西煤炭科技江西煤炭科技2020年第2期 （b）围岩垂直应力分布 图3模拟巷道掘进时顶板应变应力 模拟巷道掘进稳定后围岩垂直位移量见图4 （a）， 掘进工作面迎头顶板从两侧至中部的变形量 逐渐升高，并且岩层倾角导致顶板左侧的下沉量大 于右侧顶板下沉量，受到巷道掘进作业影响，顶板 产生位移量较大的位置为距掘进迎头1m处， 下沉 量为61.9mm， 未支护段至支护段顶板下沉量逐渐 减小。 模拟巷道在掘进稳定后的围岩应力分布见图4 （b），掘进稳定后，顶板中部仍承受明显的拉应力， 且在掘进支护循环中均为距掘进迎头1m左右处的 顶板破坏最为明显，巷道顶板至巷帮所受应力逐渐 减小； 巷帮围岩深部4.2m产生集中系数为1.51的 应力集中现象，其极值应力为13.0MPa，围岩深部 所受应力减小至原岩应力。 （a）围岩垂直位移量 （b）围岩垂直应力分布 图4模拟巷道掘进稳定后顶板应变应力 综上三采区辅助运输巷保持4.8m的空顶距进 行掘支作业，巷道浅部围岩虽有所破坏，但其破坏 深度与围岩承受应力均在控制范围内，可满足巷道 安全掘进要求。 3.3现场作业效果分析 现场施工， 三采区辅助运输巷保持4.8m的空 顶距进行掘支作业时，在掘出新断面后，距离掘进 迎头5m处布置围岩变形监测站。 图5为巷道掘出断 面30天内的围岩变形量曲线图。 图5巷道新掘断面围岩变形量曲线 对图5进行分析可知 三采区辅助运输巷掘支 作业保持4.8m空顶距时， 新掘断面稳定后的两帮 位移量和顶底板位移量稳定在102mm和77mm，围 岩变形在允许范围内，说明4.8m空顶距长度合理， 不会造成围岩的破坏。 通过建立掘进巷道迎头顶板力学模型进行理 论分析和计算得到三采区辅助运输巷掘支作业时 的合理空顶距为4.8m， 建立模型运用FLAC3D软件 分析巷道保持4.8m空顶距进行掘支作业时和掘进 稳定后的围岩应力，验证了4.8m空顶距的合理性。 现场掘支作业后矿压监测表明，围岩变形在允许范 围内，可在保证安全的前提下提升掘支效率。 参考文献 ［1］ 刘俊.基于板模型的顶板力学分析及应用［D］.中国 矿业大学,2008. ［2］ 王鲁瑀，臧传伟，梁爽，等.巷道顶板力学模型与围岩 失稳机理分析［J］.煤炭技术,2014,33（12）47-49. ［3］ 马睿.巷道快速掘进空顶区顶板破坏机理及稳定性 控制［D］.中国矿业大学,2016. ［4］ 朱海珍.煤巷快速掘进空顶距合理留设及施工优化 ［J］.煤炭与化工,2019,42（5）27-2934. 作者简介安通（1990-），男，山西芮城人，2013年7月毕 业于山西大同大学煤炭工程学院采矿工程专业， 助理工程 师，现任霍宝干河煤矿开拓一队技术员。 收稿日期2020-02-13编 辑彭呈喜 30