煤巷掘進(jìn)合理空頂距留設(shè)及施工優(yōu)化

李小亮

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司二礦，山西 陽(yáng)泉045000）

1 工程概況

某礦3201回風(fēng)順槽布置于礦井井田3號(hào)煤層二采區(qū)南翼，服務(wù)于3201綜采工作面，巷道沿3號(hào)煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)長(zhǎng)度1 053 m，成巷斷面為矩形，斷面高度為3.9 m，寬度為5.2 m，掘進(jìn)方式為綜合機(jī)械化掘進(jìn)全斷面一次成巷。該巷所揭露3號(hào)煤層的厚度平均為3.9 m，煤層傾斜角度平均3°，屬近水平煤層。3號(hào)煤層頂?shù)装遒x存較為穩(wěn)定，賦存特征如表1所示。

表1 煤層頂板賦存特征

采用錨-網(wǎng)-索聯(lián)合支護(hù)的方式對(duì)3201回風(fēng)順槽進(jìn)行永久性支護(hù)。其中頂板采用Φ18.9 mm×L6 400 mm鋼絞線錨索協(xié)同Φ22 mm×L2 400 mm高強(qiáng)錨桿進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)配合W鋼帶疊加支護(hù)。頂錨桿每排布置7根，間排距為800 mm×1 000 mm，除最外側(cè)錨桿向外傾斜10°左右布置，其余均垂直于頂板布置；頂錨索布置方式為三四型布置，即第一排巷中布置一根，距巷中線1 500 mm兩側(cè)各布置一根，第二排距巷中線750 mm兩側(cè)各布置一根，再以1 500 mm間距向兩側(cè)各布置一根，錨索排距為1 000 mm。巷道兩幫采用Φ22 mm×L2 200 mm高強(qiáng)錨桿配合300 mm×280 mm×3mmW型護(hù)板豎放支護(hù)，每排布置4根錨桿，布置間排距為1 000 mm×1 000 mm。

2 合理空頂距的確定

3201回風(fēng)順槽掘進(jìn)過(guò)程中，原先采用2 m空頂距進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，巷道掘支作業(yè)交替頻繁且耗時(shí)較長(zhǎng)，空頂距的過(guò)于保守性留設(shè)是造成成巷速度較慢的重要原因之一，因此通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)空頂距的合理留設(shè)進(jìn)行分析。

2.1 模擬方案

結(jié)合實(shí)際巷道圍巖條件及巷道掘進(jìn)參數(shù)，利用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算軟件建立長(zhǎng)40 m×寬100 m×高30 m的彈性材料模型，模擬巷道寬度為5.2 m，高度為3.9 m，限制模型四周水平方向位移與底部邊界豎直位移，并在模型上邊界施加12.5 MPa均布載荷替代實(shí)際巷道上覆圍巖載荷（考慮到實(shí)際巷道地下埋藏深度約為450～500 m）。數(shù)值模型建立完成后，采用摩爾-庫(kù)倫（Mohr-coulomb）屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[1]，計(jì)算步驟如下：

1）圍巖初始應(yīng)力平衡時(shí)；

2）有支護(hù)條件下對(duì)巷道進(jìn)行一次開挖50 m時(shí)；

3）無(wú)支護(hù)條件下對(duì)巷道進(jìn)行二次開挖時(shí)。

本次模擬計(jì)算過(guò)程中，對(duì)巷道實(shí)行無(wú)支護(hù)二次開挖時(shí)，開挖長(zhǎng)度分別選取2 m、4 m、6 m、8 m、10 m五種方案，以分析不同掘進(jìn)空頂距離條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性情況，從而確定合理的掘進(jìn)巷道空頂距離。巷道二次開挖后，此時(shí)可據(jù)不同條件將巷道分為支護(hù)區(qū)、空頂區(qū)、實(shí)體煤區(qū)三個(gè)區(qū)段。

2.2 空頂區(qū)圍巖位移分析

下頁(yè)圖1所示為掘進(jìn)空頂距離為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m時(shí)的巷道空頂區(qū)頂板累積下沉量、底板累積鼓起量和兩幫累積收斂量變化曲線圖。由圖1可知：巷道掘進(jìn)留設(shè)空頂距大于6 m時(shí)圍巖變形位移量較空頂距小于6 m時(shí)明顯增加。其中當(dāng)留設(shè)空頂距為6 m時(shí)，空頂區(qū)頂板最大下沉量為41 mm，較空頂距2 m時(shí)（30 mm）增長(zhǎng)36.7%，底板最大鼓起量為31 mm較空頂距2 m時(shí)（22 mm）增長(zhǎng)40.9%，兩幫最大收斂量為65 mm空頂距2 m時(shí)（48 mm）增長(zhǎng)35.4%；當(dāng)留設(shè)空頂距為10 m時(shí)，空頂區(qū)頂板最大下沉量為74 mm較空頂距6 m時(shí)增長(zhǎng)80.5%，底板最大鼓起量為53 mm較空頂距6 m時(shí)增長(zhǎng)80.0%，兩幫最大收斂量為101mm空頂距6m時(shí)增長(zhǎng)55.4%，增長(zhǎng)幅度明顯。

圖1 不同空頂距時(shí)巷道圍巖位移量

2.3 空頂區(qū)圍巖塑性區(qū)分析

如圖2所示為不同掘進(jìn)空頂距時(shí)的巷道空頂區(qū)圍巖塑性破壞區(qū)分布云圖，可見，當(dāng)掘進(jìn)巷道空頂距不超過(guò)6 m時(shí)圍巖發(fā)生塑性破壞主要以剪切破壞為主，而當(dāng)空頂距超過(guò)6 m時(shí)圍巖發(fā)生塑性破壞體現(xiàn)為剪切、拉伸復(fù)合破壞特征，且隨掘進(jìn)留設(shè)空頂距離的增加，巷道空頂區(qū)圍巖塑性破壞深度和破壞范圍不斷加大。同時(shí)由塑性區(qū)分布情況可知，當(dāng)空頂距為6 m時(shí)塑性區(qū)網(wǎng)格數(shù)為88個(gè)，較空頂距2 m時(shí)（69個(gè)）增加了27.5%，當(dāng)空頂距為10 m時(shí)塑性區(qū)網(wǎng)格數(shù)為120個(gè)，較空頂距6 m時(shí)增加了50%。

圖2 不同空頂距時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

綜上研究所述，當(dāng)掘進(jìn)巷道空頂距不超過(guò)6 m時(shí)，巷道空頂區(qū)圍巖變形破壞不明顯、穩(wěn)定性良好；當(dāng)空頂距超出6 m后，巷道空頂區(qū)圍巖變形量較大且圍巖塑性破壞程度較高、穩(wěn)定性較差。因此，得知巷道合理的空頂距離應(yīng)保持在6 m以內(nèi)。

3 施工方案的優(yōu)化

3.1 支護(hù)優(yōu)化

在巷道掘-錨作業(yè)施工過(guò)程中，往往支護(hù)作業(yè)占用的工程量及作業(yè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出掘進(jìn)作業(yè)，合理的支護(hù)布置不僅是維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定的根本，同時(shí)也是掘進(jìn)工作的關(guān)鍵。在合理掘進(jìn)空頂距確定的前提下，以及保障巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，盡可能地減少支護(hù)單體數(shù)量、縮短支護(hù)時(shí)間，在降低支護(hù)成本的同時(shí)加快成巷效率[2-3]。

1）錨桿優(yōu)化。在其余布置參數(shù)不改變的情況下，將頂板錨桿布置間距由原先一排7根調(diào)整為一排6根，頂錨桿間距由800 mm放大至900 mm。

2）錨索優(yōu)化。將頂板錨索的布置方式由原先三四型布置調(diào)整為三三型布置，即巷道頂板每排布置三根錨索，其中巷中布置一根，距巷中線左右1 500 mm各布置一根。

3.2 工藝優(yōu)化

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，巷道在實(shí)際支護(hù)中采用風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行錨桿、錨索鉆孔施工，其過(guò)程不僅耗時(shí)長(zhǎng)，且施工難度較大、施工步驟較為繁瑣，是限制成巷速度的主要因素。因此，結(jié)合現(xiàn)代化快速掘巷技術(shù)，為提高錨桿、錨索成孔速度與成孔質(zhì)量，降低支護(hù)作業(yè)的耗時(shí)以及縮短掘錨交替延誤時(shí)間差，考慮采用改進(jìn)后的配備液壓鉆機(jī)的掘錨一體機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工。

同時(shí)，在巷道掘錨機(jī)械設(shè)備硬件更新的基礎(chǔ)上，對(duì)施工工藝進(jìn)行合理調(diào)整與優(yōu)化，具體如下：

1）巷道斷面揭露后對(duì)臨時(shí)支護(hù)工藝進(jìn)行調(diào)整，即在掘進(jìn)切割頭單個(gè)進(jìn)尺割煤完成后緊接著進(jìn)行頂板與兩幫金屬網(wǎng)的鋪設(shè)與搭接，同時(shí)開啟掘錨一體機(jī)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行圍巖表面的臨時(shí)支撐。

2）考慮到巷道支護(hù)構(gòu)件相互間的匹配適應(yīng)性，若按照以往鄰排支護(hù)的方式進(jìn)行支護(hù)巷道時(shí)，頂板錨索與錨桿的性能匹配相適程度較差，錨索易由于剛度大的原因發(fā)生錨固后失效拉斷；且結(jié)合實(shí)際巷道頂板較為堅(jiān)硬的原因，巷道新斷面掘出后及時(shí)安裝錨桿即可短時(shí)間內(nèi)保證頂板穩(wěn)定。因此，考慮將錨索的安裝作業(yè)適當(dāng)滯后于錨桿安裝，即通過(guò)檢修班進(jìn)行頂板錨索的補(bǔ)打，這樣一來(lái)，不僅提高了生產(chǎn)班的掘進(jìn)效率，且能更大程度地發(fā)揮錨索協(xié)同錨桿支護(hù)的作用。

4 應(yīng)用分析

據(jù)以上研究結(jié)果，在3201回風(fēng)巷道選取80 m長(zhǎng)度的試驗(yàn)斷段巷道進(jìn)行掘進(jìn)空頂距留設(shè)長(zhǎng)度的合理性驗(yàn)證分析以及優(yōu)化施工后的成巷時(shí)效性分析，考慮到安全生產(chǎn)的要求，在掘進(jìn)施工工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選取合理的試驗(yàn)空頂距為4 m。

如圖3所示，在確定合理空頂距的前提下以及對(duì)巷道掘進(jìn)施工優(yōu)化的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)段巷道頂板位移量基本符合常規(guī)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，其中監(jiān)測(cè)期間內(nèi)頂板最大累積下沉量為137 mm，且在距掘進(jìn)工作面30 m以后時(shí)頂板下沉速度明顯減緩，30 m時(shí)的頂板下沉速度約為1.6 mm/d，待掘進(jìn)迎頭超出位移測(cè)點(diǎn)80 m以后該處頂板已經(jīng)基本不再變形。因此可知，在留設(shè)空頂距為4 m、錨桿（索）布置密度優(yōu)化后，該巷道能夠在保證圍巖穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)快速安全掘進(jìn)。

圖3 試驗(yàn)段巷道頂板變形特征

5 結(jié)論

1）據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，空頂距大于6 m時(shí)巷道空頂區(qū)圍巖變形量較空頂距小于6 m時(shí)顯著增加，且空頂距大于6 m時(shí)空頂區(qū)圍巖塑性破壞范圍較空頂距小于6 m時(shí)明顯擴(kuò)大。

2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，確定合理的掘進(jìn)空頂距為4 m，同時(shí)對(duì)巷道支護(hù)及掘進(jìn)施工進(jìn)行了合理優(yōu)化。

3）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在空頂距調(diào)整及施工優(yōu)化的條件下，3201回風(fēng)順槽圍巖變形量較小、變形速度緩慢，圍巖整體穩(wěn)定性較好。