尉成云

(霍州煤電集團(tuán) 李雅莊煤礦，山西 臨汾 031400)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

大斷面半煤巖巷道掘進(jìn)方案研究與優(yōu)化

尉成云

(霍州煤電集團(tuán) 李雅莊煤礦，山西 臨汾 031400)

霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦大斷面半煤巖巷道掘進(jìn)存在一定難度，本文在綜合考慮半煤巖巷道圍巖特點(diǎn)和懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)方式的基礎(chǔ)上，提出兩種常規(guī)掘進(jìn)方案，并使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同方案在開(kāi)挖過(guò)程中的主應(yīng)力狀態(tài)、塑性特征及圍巖位移變化等特性，對(duì)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(jìn)施工。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，方案二所示掘進(jìn)工藝可有效降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)投入，為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益。

大斷面半煤巖巷道；掘進(jìn)；FLAC3D數(shù)值模擬

隨著我國(guó)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革政策的深入實(shí)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(jìn)施工，也正從施工工程量較少的巖巷開(kāi)挖，向綜合效能更高的煤巖或半煤巖巷道開(kāi)挖的方向發(fā)展。目前，我國(guó)企業(yè)采用的主要掘進(jìn)設(shè)備為懸臂式掘進(jìn)機(jī)，具體采掘工藝與巷道斷面形狀、圍巖特性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等有關(guān)。巷道掘進(jìn)技術(shù)和方案的優(yōu)劣，直接關(guān)系到巷道斷面的成型質(zhì)量和后期支護(hù)成本，合理的采掘工藝可有效降低巷道周邊圍巖的應(yīng)力集中，減少支護(hù)設(shè)備和時(shí)間投入，提高開(kāi)挖效率。

李雅莊煤礦位于霍州市北東15°，直距6.6 km處，開(kāi)采標(biāo)高+100～+520 m，許可生產(chǎn)能力240萬(wàn)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(jìn)行掘進(jìn)，破、裝、運(yùn)機(jī)械化，采用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)，人工配合錨桿打眼機(jī)施工。目前，部分硐室具備大采高掘進(jìn)條件，大采高掘進(jìn)的難點(diǎn)主要包括兩方面：1) 巷道斷面面積大，受地應(yīng)力影響明顯，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)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(jìn)時(shí)受力狀態(tài)復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)增加。對(duì)此，本文將利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對(duì)大斷面半煤巖巷道的不同掘進(jìn)方案進(jìn)行模擬分析和優(yōu)化。

1 大斷面半煤巖巷道掘進(jìn)方案

結(jié)合以往煤礦巷道的掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)，在綜合考慮半煤巖巷道圍巖特點(diǎn)和懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)方式的基礎(chǔ)上，初步確定巷道截面的兩種開(kāi)挖方案，見(jiàn)圖1. 另外，掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)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(jìn)。

圖1 兩種掘進(jìn)方案示意圖

1) 方案一。

如圖1所示，首先從左側(cè)幫下部開(kāi)始切割，S形運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，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(jìn)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(xì)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(jiǎn)化為均布載荷14.2 MPa.

模型尺寸為高35 m×寬40 m×長(zhǎng)20 m，隧道局部網(wǎng)格加密。模型頂部施加換算后的地應(yīng)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(guò)程中，首先取得未開(kāi)挖狀態(tài)下的平衡狀態(tài)，然后按每步2 m深度進(jìn)行開(kāi)挖，直至貫通。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

1) 主應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比。

查看隧道截面開(kāi)挖過(guò)程中主應(yīng)力狀態(tài)變化，可較好地了解巷道圍巖的受力變化過(guò)程。通過(guò)對(duì)兩種方案對(duì)應(yīng)開(kāi)挖過(guò)程的模擬，可知方案一的壓應(yīng)力值在-14.4～-14.6 MPa，拉應(yīng)力為0.35～1.5 MPa. 由于第三步開(kāi)挖后，第四部分存在兩個(gè)自由面，因此該處的拉應(yīng)力值達(dá)到最大，容易出現(xiàn)垮落，見(jiàn)圖2.

圖2 方案一在第三步開(kāi)挖后主應(yīng)力云圖

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

由以上對(duì)比可知，兩種方案開(kāi)挖過(guò)程中，巷道的最大壓應(yīng)力基本一致，且變化較?。欢畲罄瓚?yīng)力出現(xiàn)時(shí)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(duì)比。

圖4，5分別為方案一、二對(duì)應(yīng)開(kāi)挖過(guò)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(jìn)過(guò)程中圍巖塑性破壞變化圖

圖5 方案二掘進(jìn)過(guò)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(kāi)挖后，右上角未開(kāi)挖部分處于剪切和拉伸塑性狀態(tài)。第四步開(kāi)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(kāi)挖后，右側(cè)壁煤巖處于剪切和拉伸塑性狀態(tài)。第四步開(kāi)挖后，巷道底部并未進(jìn)入塑性狀態(tài)。

上述分析結(jié)果與之前的主應(yīng)力分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明第二種方案更優(yōu)。

3) 位移特征對(duì)比。

對(duì)于所開(kāi)挖巷道，豎直Z向位移可反映頂板下沉和底板鼓起趨勢(shì)，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(kāi)挖后，巷道周邊圍巖在Z和X向的位移分布情況?？梢钥闯觯桨敢粚?duì)應(yīng)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(jiàn)其片幫傾向明顯，需重點(diǎn)支護(hù)加固。

圖6 方案一開(kāi)挖完成后豎直Z向位移分布圖

圖7 方案一開(kāi)挖完成后寬度X向位移分布圖

方案二對(duì)應(yīng)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?jī)H為14 mm，相對(duì)方案一減輕約25%.

由上可知，從巷道變形和支護(hù)角度，也應(yīng)優(yōu)先選擇方案二。

2.3 掘進(jìn)開(kāi)挖方案優(yōu)化選擇

由模擬對(duì)比結(jié)果可知，方案二在主應(yīng)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(kāi)挖。

同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，第二種方案可保證掘進(jìn)機(jī)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(shí)間，降低了在自重和地應(yīng)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(kāi)挖后，巷道圍巖塑性變形小，圍巖拉應(yīng)力低，因此后期支護(hù)投入較小，方便施工。綜上可知，本文所述第二種掘進(jìn)方案可有效保證圍巖穩(wěn)定性和現(xiàn)場(chǎng)施工安全性。

3 實(shí)踐與應(yīng)用

李雅莊煤礦礦井底部深度685 m半煤巖巷道在開(kāi)挖過(guò)程中使用了方案二所示掘進(jìn)方案，掘進(jìn)完成后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為13.5 MPa，使用錨桿、錨索、注漿聯(lián)合支護(hù)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(jìn)方案可有效降低頂板下沉、片幫等造成的安全風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)成本投入，為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)兩種常規(guī)巷道掘進(jìn)方案的選擇和優(yōu)化問(wèn)題，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同方案在開(kāi)挖過(guò)程中的主應(yīng)力狀態(tài)、塑性特征及圍巖位移變化等特性，從多個(gè)角度證明了方案二適合于大斷面半煤巖巷道的掘進(jìn)施工。同時(shí)，井下實(shí)踐證明方案二所示掘進(jìn)方案可有效降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)投入，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1] 張 銘.半煤巖巷快速掘進(jìn)工藝流程與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究[D].青島：山東科技大學(xué),2014.

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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(xué)，助理工程師，主要從事煤礦開(kāi)采方面的工作

(E-mail)592652621@qq.com

TD263.4

A

1672-0652(2016)09-0036-04