大斷面半煤巖巷道掘進方案研究與優(yōu)化

尉成云

(霍州煤電集團 李雅莊煤礦，山西 臨汾 031400)

·技術經(jīng)驗·

大斷面半煤巖巷道掘進方案研究與優(yōu)化

尉成云

(霍州煤電集團 李雅莊煤礦，山西 臨汾 031400)

霍州煤電集團李雅莊煤礦大斷面半煤巖巷道掘進存在一定難度，本文在綜合考慮半煤巖巷道圍巖特點和懸臂式掘進機作業(yè)方式的基礎上，提出兩種常規(guī)掘進方案，并使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同方案在開挖過程中的主應力狀態(tài)、塑性特征及圍巖位移變化等特性，對比分析結(jié)果證明了方案二適合于該礦大斷面半煤巖巷道的掘進施工。同時，現(xiàn)場實踐表明，方案二所示掘進工藝可有效降低生產(chǎn)安全風險和支護投入，為企業(yè)帶來較大經(jīng)濟效益。

大斷面半煤巖巷道；掘進；FLAC3D數(shù)值模擬

隨著我國供給側(cè)結(jié)構改革政策的深入實施，煤礦企業(yè)正逐漸轉(zhuǎn)入去產(chǎn)能、提效率、降能耗的新發(fā)展階段。煤礦井下巷道的掘進施工，也正從施工工程量較少的巖巷開挖，向綜合效能更高的煤巖或半煤巖巷道開挖的方向發(fā)展。目前，我國企業(yè)采用的主要掘進設備為懸臂式掘進機，具體采掘工藝與巷道斷面形狀、圍巖特性、地質(zhì)結(jié)構等有關。巷道掘進技術和方案的優(yōu)劣，直接關系到巷道斷面的成型質(zhì)量和后期支護成本，合理的采掘工藝可有效降低巷道周邊圍巖的應力集中，減少支護設備和時間投入，提高開挖效率。

李雅莊煤礦位于霍州市北東15°，直距6.6 km處，開采標高+100～+520 m，許可生產(chǎn)能力240萬t/a. 井田內(nèi)基巖大面積隱伏于新生界地層之下，其頂板埋深在224.16 m以下，煤層埋藏較大，且四周以斷層阻隔。采用綜掘作業(yè)線進行掘進，破、裝、運機械化，采用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護，人工配合錨桿打眼機施工。目前，部分硐室具備大采高掘進條件，大采高掘進的難點主要包括兩方面：1) 巷道斷面面積大，受地應力影響明顯，容易出現(xiàn)局部應力集中，導致開挖過程中出現(xiàn)頂板坍塌、片幫等。2) 巷道周邊含煤質(zhì)夾層，而巖性不同的巖體在巷道掘進時受力狀態(tài)復雜，安全風險增加。對此，本文將利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對大斷面半煤巖巷道的不同掘進方案進行模擬分析和優(yōu)化。

1 大斷面半煤巖巷道掘進方案

結(jié)合以往煤礦巷道的掘進施工經(jīng)驗，在綜合考慮半煤巖巷道圍巖特點和懸臂式掘進機作業(yè)方式的基礎上，初步確定巷道截面的兩種開挖方案，見圖1. 另外，掘進機循環(huán)進尺2.0 m，每刀深度控制在0.5 m左右，按圖示順序依次截割，有序推進。

圖1 兩種掘進方案示意圖

1) 方案一。

如圖1所示，首先從左側(cè)幫下部開始切割，S形運動前進，隨后完成相鄰第二部分切割，再轉(zhuǎn)移切割上部第三、第四部分。

2) 方案二。

如圖1所示，將巷道截面從左往右分為寬度大致相等的4部分，從左側(cè)幫底部位置起刀向上切割，到頂部后，按S形從上往下切割第二部分，其余部分依次完成。

2 掘進方案數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立與邊界條件

巷道尺寸為4.6 m×4.8 m，煤層平均厚度為2.2 m，直接頂厚度3.2 m，巖質(zhì)為細砂巖，基本頂厚度14 m，巖質(zhì)為中砂巖，基本頂與地平面的平均距離為746 m，簡化為均布載荷14.2 MPa.

模型尺寸為高35 m×寬40 m×長20 m，隧道局部網(wǎng)格加密。模型頂部施加換算后的地應力載荷14.2 MPa，其余周邊各面施加限制位移邊界條件。

模擬過程中，首先取得未開挖狀態(tài)下的平衡狀態(tài)，然后按每步2 m深度進行開挖，直至貫通。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

1) 主應力狀態(tài)對比。

查看隧道截面開挖過程中主應力狀態(tài)變化，可較好地了解巷道圍巖的受力變化過程。通過對兩種方案對應開挖過程的模擬，可知方案一的壓應力值在-14.4～-14.6 MPa，拉應力為0.35～1.5 MPa. 由于第三步開挖后，第四部分存在兩個自由面，因此該處的拉應力值達到最大，容易出現(xiàn)垮落，見圖2.

圖2 方案一在第三步開挖后主應力云圖

方案二的壓應力值在-14.4～-14.5 MPa波動，拉應力為0.37～1.1 MPa. 分析發(fā)現(xiàn)，該種掘進方法的最大拉應力出現(xiàn)在第一步開挖后的側(cè)幫，見圖3，隨后逐漸減小。

由以上對比可知，兩種方案開挖過程中，巷道的最大壓應力基本一致，且變化較??；而最大拉應力出現(xiàn)時間不同，且第二種方案的數(shù)值較小，危害較輕。

2) 塑性破壞特征對比。

圖4，5分別為方案一、二對應開挖過程中，巷道周邊圍巖的塑性破壞區(qū)域變化。

圖4 方案一掘進過程中圍巖塑性破壞變化圖

圖5 方案二掘進過程中圍巖塑性破壞變化圖

由圖4c)可以看出，方案一第三步開挖后，右上角未開挖部分處于剪切和拉伸塑性狀態(tài)。第四步開挖后，除頂部外，周邊圍巖均處于塑性狀態(tài)。

方案二中，由圖5a)可以看出，僅在第一步開挖后，右側(cè)壁煤巖處于剪切和拉伸塑性狀態(tài)。第四步開挖后，巷道底部并未進入塑性狀態(tài)。

上述分析結(jié)果與之前的主應力分析結(jié)果相對應，說明第二種方案更優(yōu)。

3) 位移特征對比。

對于所開挖巷道，豎直Z向位移可反映頂板下沉和底板鼓起趨勢，而寬度X向位移可顯示巷道片幫傾向。

圖6，7分別為方案一開挖后，巷道周邊圍巖在Z和X向的位移分布情況。可以看出，方案一對應頂板下沉量為9.9 mm，底鼓量為5.1 mm，側(cè)幫位移量為18.9～19.7 mm，可見其片幫傾向明顯，需重點支護加固。

圖6 方案一開挖完成后豎直Z向位移分布圖

圖7 方案一開挖完成后寬度X向位移分布圖

方案二對應位移云圖與方案一相似，其頂板下沉9.9 mm，底鼓5.0 mm，但側(cè)幫位移量僅為14 mm，相對方案一減輕約25%.

由上可知，從巷道變形和支護角度，也應優(yōu)先選擇方案二。

2.3 掘進開挖方案優(yōu)化選擇

由模擬對比結(jié)果可知，方案二在主應力狀態(tài)、塑性區(qū)域分布、巷道位移量等方面均更為優(yōu)異，因此，適合于一定地質(zhì)條件下的大斷面半煤巖巷道開挖。

同時，在實際生產(chǎn)中，第二種方案可保證掘進機截割頭在巷道斷面上呈不間斷的“S”形連續(xù)切割狀態(tài)，減少了自由面的停留時間，降低了在自重和地應力作用下近巷道煤壁內(nèi)裂隙的延伸和發(fā)展。另外，由于第二種方案開挖后，巷道圍巖塑性變形小，圍巖拉應力低，因此后期支護投入較小，方便施工。綜上可知，本文所述第二種掘進方案可有效保證圍巖穩(wěn)定性和現(xiàn)場施工安全性。

3 實踐與應用

李雅莊煤礦礦井底部深度685 m半煤巖巷道在開挖過程中使用了方案二所示掘進方案，掘進完成后，現(xiàn)場實測最大主應力為13.5 MPa，使用錨桿、錨索、注漿聯(lián)合支護后，圍巖變形得以較好控制，側(cè)幫最大位移僅為3.5 mm，同比下降15%左右。

使用方案二所示掘進方案可有效降低頂板下沉、片幫等造成的安全風險和支護成本投入，為企業(yè)帶來較大經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

本文針對兩種常規(guī)巷道掘進方案的選擇和優(yōu)化問題，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同方案在開挖過程中的主應力狀態(tài)、塑性特征及圍巖位移變化等特性，從多個角度證明了方案二適合于大斷面半煤巖巷道的掘進施工。同時，井下實踐證明方案二所示掘進方案可有效降低生產(chǎn)安全風險和支護投入，經(jīng)濟效益顯著。

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Research and Optimization of Tunneling Scheme for Coal-rock Roadway with Large Section

WEI Chengyun

There is a certain difficulty of large section coal-rock roadway advancing in Huozhou coal electricity group. On the basis of considering the surrounding rock characteristics and cantilever machine operation, puts forward two conventional excavation schemes, and uses FLAC3D numerical simulation software to analyze the different excavation process. The stress and plastic and the displacement of surrounding rock are analyzed. The results of the comparison show that the scheme II is suitable for the tunnel construction in the semi-coal and rock roadway with large section. Field practice shows that the scheme II works better, which can effectively reduce the safety risk in production as well as the support cost, bring greater economic benefits for the enterprise.

Large section coal-rock roadway; Tunneling; FLAC3D numerical simulation

2016-07-16

尉成云(1987—)，男，山西鄉(xiāng)寧人，2012年畢業(yè)于太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦開采方面的工作

(E-mail)592652621@qq.com

TD263.4

A

1672-0652(2016)09-0036-04