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綜掘面合理巷道斷面形狀及尺寸的確定

趙龍

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西霍州031400)

摘要由于瓦斯涌出量增大，為了使回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确厦旱V安全規(guī)程規(guī)定，實(shí)現(xiàn)方法之一是在保持風(fēng)速不變的基礎(chǔ)上增大巷道斷面，而隨著巷道斷面尺寸的增大，會(huì)導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性變差。因此，為了確定合理的巷道斷面尺寸，本文以通風(fēng)理論、圍巖穩(wěn)定理論等為指導(dǎo)，在同時(shí)滿足圍巖穩(wěn)定及通風(fēng)系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬分析，尋求合理的巷道斷面形狀及尺寸，從而為試驗(yàn)礦井綜掘面合理巷道斷面尺寸的確定奠定基礎(chǔ)。研究表明：相同條件下，拱形巷道更利于穩(wěn)定；巷道高度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響要大于巷道寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響；隨著截面積的增大，無(wú)論是塑性區(qū)，還是最大應(yīng)力均有增大，但是拱形巷道的幅度要相對(duì)小些，最終確定擴(kuò)挖為拱形巷道，巷道高度為2.5 m，巷道寬度為3.225 m，該案例可對(duì)類似條件下的巷道尺寸的選取提供參考。

關(guān)鍵詞綜掘面；巷道斷面;形狀尺寸；數(shù)值模擬

收稿日期：2014-11-02

作者簡(jiǎn)介：趙龍(1976—)，男，山西侯馬人，1998年畢業(yè)于山西煤炭工業(yè)學(xué)校，工程師，主要從事煤礦技術(shù)工作

中圖分類號(hào)：TD263

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0010-05

AbstractIn order to determine the reasonable size of roadway section, the ventilation theory and surrounding rock stabilization theory are as the guidance, at the same time on the basis of meeting the requirements of surrounding rock stability and ventilation system, the reasonable roadway section shape and size is determined through the numerical simulation, thus it lays the foundation for determining the reasonable roadway section size in test coal mine fully mechanized face. The research shows that under the same conditions, the arched roadway is more stable, the influence of roadway height on surrouding rock stability is greater than roadway width. With the increase of cross-sectional area, plastic zone and maximum stress both increase. The extent of these in arched roadway is relatively little. Finally chooses to excavate for arched roadway. Roadway height is 2.5 m, width is 3.225 m. The case can provide reference for roadway dimension selection under the similar conditions.

巷道的斷面尺寸是根據(jù)設(shè)備、運(yùn)輸、通風(fēng)、行人及管線敷設(shè)等要求設(shè)計(jì)，需要滿足多個(gè)系統(tǒng)的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，預(yù)先設(shè)計(jì)的巷道斷面尺寸往往由于現(xiàn)場(chǎng)條件的改變而不能滿足要求，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作出調(diào)整[1-3]。如某礦由于回采深度增加，瓦斯涌出量增大，為了滿足通風(fēng)系統(tǒng)的要求，決定增大巷道斷面，但是巷道斷面的尺寸同時(shí)也受到圍巖穩(wěn)定的約束，若巷道斷面過(guò)小，不能滿足通風(fēng)系統(tǒng)的要求；若巷道斷面過(guò)大，不能滿足圍巖穩(wěn)定，因此，為了確定合理的巷道斷面尺寸，本文以通風(fēng)理論、圍巖穩(wěn)定理論等為指導(dǎo)，在同時(shí)滿足圍巖穩(wěn)定及通風(fēng)系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬分析，尋求合理的巷道斷面形狀及尺寸，從而為試驗(yàn)礦井綜掘面巷道合理斷面尺寸的確定奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)工作面基本條件

某礦主要可采煤層為9#煤層，位于太原組下部，上距2#煤層約100 m，煤層厚度為0～2.00 m，平均厚度為1.32 m，根據(jù)井田內(nèi)施工鉆孔資料，煤層厚度為1.06～2.0 m，含0～1層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂板巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和石灰?guī)r，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，屬全區(qū)大部可采煤層。煤的自燃傾向?yàn)棰蝾?，屬自燃煤層，煤塵有爆炸危險(xiǎn)。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件屬中等類型。

根據(jù)煤層厚度，該工作面采煤機(jī)選用現(xiàn)有的MG-160/375采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)利用現(xiàn)有的SGB-630/180，工作面液壓支架型號(hào)為ZZ4800/15/32液壓支架，工作面采用全部跨落法管理頂板，帶式輸送機(jī)巷(上下山)、軌道運(yùn)輸巷(上下山)為煤巷，回風(fēng)巷(上下山)為半煤巖巷，均采用矩形斷面，錨網(wǎng)噴索聯(lián)合支護(hù)，鋼帶補(bǔ)強(qiáng)；工作面順槽為矩形斷面，錨桿或者錨網(wǎng)帶索聯(lián)合支護(hù)。

根據(jù)對(duì)9#煤層所做的相關(guān)測(cè)試得出的有害氣體預(yù)測(cè)結(jié)果：最大相對(duì)瓦斯涌出量為6.16 m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為12.89 m3/min；二氧化碳最大絕對(duì)涌出量17.83 m3/min,相對(duì)涌出量5.39 m3/t，該礦井為低瓦斯礦井。在實(shí)際開(kāi)采中，當(dāng)開(kāi)采至224 m時(shí)，瓦斯涌出量增大，最大可達(dá)20.12 m3/min，接近高瓦斯礦的判斷標(biāo)準(zhǔn)。為了使得回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确厦旱V安全規(guī)程規(guī)定，需要增大通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)方法之一是在保持風(fēng)速不變的基礎(chǔ)上增大巷道斷面，同時(shí)，隨著巷道斷面尺寸的增大，會(huì)導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性變差，因此，必須確定既能滿足圍巖穩(wěn)定，又能滿足通風(fēng)系統(tǒng)要求的巷道斷面尺寸。

2滿足通風(fēng)系統(tǒng)要求的巷道斷面尺寸

目前，瓦斯涌出量最大可達(dá)22.12 m3/min，根據(jù)規(guī)程規(guī)定，按照回采工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中甲烷(或二氧化碳)的濃度不得超過(guò)1%的要求計(jì)算，則回采工作面所需風(fēng)量為：

Qai=100qgaiKai

(1)

式中：

Qai—第i個(gè)回采工作面實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min；

qgai—該回采工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中甲烷(或二氧化碳)的平均絕對(duì)涌出量，m3/min，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取20.12；

Kai—該回采工作面的瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.2.

則Qai=100×20.12×1.2=2 414.4 m3/min

因?yàn)槊合锘虬朊簬r巷最高風(fēng)速為4 m/s，那么巷道斷面應(yīng)當(dāng)滿足：

Sai>Qai/(60×V最大)

(2)

式中：

Sai—第i個(gè)巷道斷面積，m2；

V最大—規(guī)定回采工作面的最大風(fēng)速，m/s.

Sai>2 414.4/(60×4)=10.06 m2

同時(shí)，風(fēng)機(jī)可提供工作面的最大風(fēng)量為3 000 m3/min，則巷道斷面同時(shí)應(yīng)滿足：

Sai<3 000/(60×4)=12.5 m2

綜上所述，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)理論分析，巷道斷面面積應(yīng)滿足10.06 m2

3合理巷道斷面尺寸的數(shù)值模擬研究

3.1數(shù)值模擬方案

井下巷道斷面尺寸以能夠滿足開(kāi)采、運(yùn)輸、通風(fēng)、行人、管線敷設(shè)等生產(chǎn)、安全要求為前提而確定。由于目前主要考慮擴(kuò)大巷道斷面，因此，開(kāi)采、運(yùn)輸、行人等條件都可以滿足，評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣主要從圍巖穩(wěn)定性方面來(lái)考慮。

目前，巷道形狀主要有矩形、梯形、拱形，其截面積計(jì)算公式分別為：

梯形巷道截面計(jì)算公式：

(3)

式中：

S凈—巷道斷面的凈截面積，m2；

L1—巷道斷面的上部寬度，m；

L2—巷道斷面的下部寬度，m；

h—巷道斷面的高度，m.

需要注意的是，當(dāng)時(shí)L1=L2時(shí) ，即為矩形巷道的計(jì)算公式。

拱形巷道截面計(jì)算公式：

S凈=B (h1+0.39B)

(4)

式中：

B—巷道斷面的寬度，m；

h—巷道斷面的墻高度，m.

經(jīng)過(guò)前面的理論計(jì)算，初步得到了巷道截面積的范圍。為了給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)提供更加全面可靠的依據(jù)，以理論巷道截面積范圍為基礎(chǔ)，提出不同的巷道形狀、巷道高度、巷道寬度等，采用計(jì)算機(jī)模擬分析的方法，對(duì)比分析不同寬度的煤柱經(jīng)歷采動(dòng)階段的圍巖應(yīng)力分布特征，確定煤柱的合理留寬。

針對(duì)不同的巷道形狀、不同的巷道尺寸，設(shè)計(jì)模擬方案見(jiàn)表1.通過(guò)該方案可以比較：1) 相同的截面積，不同的巷道形狀對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。2) 相同的巷道寬度，相同的巷道形狀，不同巷道高度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。3) 相同的巷道高度，相同的巷道形狀，不同巷道寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響。4) 相同形狀，不同巷道截面積對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定的影響。通過(guò)這些計(jì)算及比較，可以清楚該條件下影響巷道圍巖穩(wěn)定的因素，從而選出最優(yōu)方案。

表1　數(shù)值模擬方案表

下面采用計(jì)算機(jī)模擬分析的方法，對(duì)比分析不同方案下的圍巖應(yīng)力分布特征，確定煤柱的合理留寬。

3.2數(shù)值模擬模型建立

FLAC3D作為一種巖土工程領(lǐng)域內(nèi)的大型專業(yè)軟件，對(duì)礦井地下開(kāi)采所涉及的巖土力學(xué)問(wèn)題具有較好的模擬效果，為此在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本次數(shù)值模擬即采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析。

建立的分析模型四個(gè)邊界均固定法向位移，底端邊界固定垂直位移，頂面為自由面，施加上部巖層等效均布載荷。模型寬×高=400 m×200 m，未模擬巖層按等效載荷代替。模型中層理弱面用INTERFACE模擬。

模型賦存狀態(tài)見(jiàn)圖1.

圖1 　模型賦存狀態(tài)圖

3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

模型在擴(kuò)挖前應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)圖2.

a) 擴(kuò)挖前的塑性狀態(tài)

b) 擴(kuò)挖前的應(yīng)力分布

各方案的圍巖塑性區(qū)及應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖3.

a) 方案一的塑性狀態(tài)

b) 方案一的應(yīng)力狀態(tài)

c) 方案二的塑性狀態(tài)

d) 方案二的應(yīng)力狀態(tài)

e) 方案三的塑性狀態(tài)

f) 方案三的應(yīng)力狀態(tài)

g) 方案四的塑性狀態(tài)

h) 方案四的應(yīng)力狀態(tài)

i) 方案五的塑性狀態(tài)

j) 方案五的應(yīng)力狀態(tài)

k) 方案六的塑性狀態(tài)

l) 方案六的應(yīng)力狀態(tài)

以方案一為例，在擴(kuò)挖前，塑性區(qū)分布范圍約為0.5 m，頂拱、巷道兩端都處于剪塑性區(qū)，僅有底板少數(shù)區(qū)域處于拉塑性區(qū)，Z向最大應(yīng)力為3.977e7，均為壓應(yīng)力，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，可以看出，擴(kuò)挖前巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于沒(méi)有拉應(yīng)力，很少會(huì)發(fā)生破壞。而在按照方案一擴(kuò)挖后，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，達(dá)1 m，個(gè)別區(qū)域甚至達(dá)到12 m，頂拱、巷道兩端、底板均出現(xiàn)了不同程度的拉塑性區(qū)，Z向最大應(yīng)力為4.021e7，大于擴(kuò)挖前的最大應(yīng)力，而且有部分區(qū)域處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而且更為嚴(yán)重的是頂拱出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力最大為2.285e5，極不利于頂拱的穩(wěn)定?？梢钥闯?，在按照方案一擴(kuò)挖后，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，頂拱出現(xiàn)拉應(yīng)力，不利于巷道的穩(wěn)定。

同上，其他方案也可作相應(yīng)分析。此外，提取不同方案對(duì)比還可得出不同因素對(duì)于巷道穩(wěn)定的影響：1) 進(jìn)行相同的截面積，不同的巷道形狀對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，可針對(duì)方案一和方案四、方案二和方案五、方案三和方案六進(jìn)行比較，可以得出同樣面積下，拱形巷道頂拱部分一般較難出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力分布也較為平和，相對(duì)矩形巷道較低。2) 進(jìn)行相同的巷道寬度，相同的巷道形狀，不同巷道高度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，可針對(duì)方案二和方案三、方案五和方案六進(jìn)行比較，可以得出巷道高度對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較大，高度增加后，塑性區(qū)范圍增大，最大應(yīng)力也增大，巷道兩端開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力，這些都不利于巷道的穩(wěn)定。3) 進(jìn)行相同的巷道高度，相同的巷道形狀，不同巷道寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，可針對(duì)方案一和方案二、方案四和方案五進(jìn)行比較，可以得出，與巷道高度的影響相比，巷道寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定影響較小，巷道寬度增加后，主要影響底板塑性區(qū)及應(yīng)力分布。4) 相同形狀，不同巷道截面積對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定的影響，可針對(duì)方案一、二、三比較，或者方案四、五、六進(jìn)行比較，可以得出，隨著截面積的增大，無(wú)論是塑性區(qū)還是最大應(yīng)力均有增大，但是拱形巷道的幅度要相對(duì)小些。

綜上可以得出：相同條件下，拱形巷道更利于穩(wěn)定；巷道高度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響要大于巷道寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響；隨著截面積的增大，無(wú)論是塑性區(qū)還是最大應(yīng)力均有增大，但是拱形巷道的幅度要相對(duì)小些。從而方案四、五、六要總體優(yōu)于方案一、二、三，方案四優(yōu)于方案六，而方案五是最佳方案。

4合理沿空掘巷區(qū)段煤柱尺寸的確定

作為巷道圍巖結(jié)構(gòu)的重要組成部分，巷道尺寸的大小直接關(guān)系巷道的穩(wěn)定性。理想的巷道尺寸應(yīng)滿足：行人、設(shè)備等基本條件；通風(fēng)系統(tǒng)條件；圍巖穩(wěn)定條件，具體包括塑性區(qū)、最大應(yīng)力，拉應(yīng)力范圍等。

根據(jù)前面的理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析，綜合考察各方案的圍巖應(yīng)力分布特征，選擇方案五作為最終的巷道尺寸，即擴(kuò)挖為拱形巷道，巷道高度為2.5 m，巷道寬度為3.225 m，此時(shí)巷道圍巖最為穩(wěn)定。

5結(jié)論

由于瓦斯涌出量增大，為了使得回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确厦旱V安全規(guī)程規(guī)定，需要增大通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)方法之一是在保持風(fēng)速不變的基礎(chǔ)上增大巷道斷面，同時(shí)，隨著巷道斷面尺寸的增大，會(huì)導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性變差，因此,為了確定合理的巷道斷面尺寸，本文以通風(fēng)理論、圍巖穩(wěn)定理論等為指導(dǎo)，在同時(shí)滿足圍巖穩(wěn)定及通風(fēng)系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬分析尋求合理的巷道斷面形狀及尺寸，從而為該礦綜掘面合理巷道斷面尺寸的確定奠定了基礎(chǔ)。

1) 理論計(jì)算表明，巷道斷面面積10.06 m2

2) 相同條件下，拱形巷道更利于穩(wěn)定；巷道高度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響要大于巷道寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響；隨著截面積的增大，無(wú)論是塑性區(qū)還是最大應(yīng)力均有增大，但是拱形巷道的幅度相對(duì)較小。從而方案四、五、六要總體優(yōu)于方案一、二、三，方案四優(yōu)于方案六，而方案五是最佳方案。

3) 根據(jù)前面的理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析，綜合考察各方案的圍巖應(yīng)力分布特征，選擇方案五作為最終的巷道尺寸，即擴(kuò)挖為拱形巷道，巷道高度為2.5 m，巷道寬度為3.225 m，此時(shí)巷道圍巖最為穩(wěn)定。

4) 工業(yè)性試驗(yàn)期間，要加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)，采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，以改善圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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Determination of Reasonable Shape and Size of

Roadway Section in Fully Mechanized Working Face

ZHAO Long

Key wordsFully mechanized face; Roadway section; Shape and size; Numerical simulation

·試驗(yàn)研究·