王 濤 石 虎 劉 雷

（山東能源重裝集團(tuán)魯南裝備制造有限公司，山東 棗莊 277500）

0 引言

在現(xiàn)代深部資源逐步開采的背景條件下，資源開采的經(jīng)濟(jì)性、勞動人員的安全性和救援的難易程度成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)問題，安全高效的開采方式成為資源開采技術(shù)發(fā)展的必然要求，智能化和機(jī)械化是時代發(fā)展的必然趨勢，因此大量的掘進(jìn)設(shè)備被運(yùn)用于地下深部的能源開采。在煤炭開采領(lǐng)域，由于掘錨機(jī)具有一體化的開挖支護(hù)方式，具備削切煤體、鉆孔和支錨功能，大大降低了人工勞動強(qiáng)度，提高了圍巖的預(yù)支護(hù)效果，達(dá)到了控制變形的目的，因此其成為巷道開挖、煤層開采的主要掘進(jìn)錨固施工機(jī)械。盡管如此，煤層屬于軟弱的塑性圍巖體，在開挖作用下，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和位移狀態(tài)發(fā)生不同程度的改變，使巷道圍巖出現(xiàn)松動和落煤，給煤層巷道的安全連續(xù)開采帶來巨大的挑戰(zhàn)。

1 掘錨機(jī)在快速掘進(jìn)條件下煤層的應(yīng)力和變形分析

在煤層中開挖巷道，煤層的力學(xué)特性將發(fā)生擾動和卸載效應(yīng)，導(dǎo)致應(yīng)力場和位移場發(fā)生變化，當(dāng)采用掘錨機(jī)對煤層快速開挖時，這種繞能擾動效應(yīng)和卸載效應(yīng)有所減緩，但會產(chǎn)生另一種不利影響，即巷道煤層周圍容易產(chǎn)生“耳朵狀”的應(yīng)力集中。在巖體力學(xué)中，認(rèn)為煤層是一種黏彈性的圍巖體，其在受到削切和掘進(jìn)作用力后，圍巖體的力學(xué)性質(zhì)受到損傷，其應(yīng)力應(yīng)變模型可以應(yīng)用煤層黏彈性Maxwell彈性模量和黏性系數(shù)串聯(lián)后與彈性模量并聯(lián)進(jìn)行描述，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如公式（1）和公式（2）所示。

式中：為Maxwell彈性模量；為黏性系數(shù)；為黏性系數(shù)與Maxwell彈性模量的比值；為剪切時間；為剪切應(yīng)力；為煤層圍巖體的應(yīng)變；為煤層彈性模量。

煤層的力學(xué)損傷過程如公式（3）所示。

式中：為煤層圍巖體的損傷程度；為煤層應(yīng)變的分布系數(shù)；為煤層的初始應(yīng)變。

綜合分析公式（1）～公式（3），假定煤層的應(yīng)變隨時間的變化而線性變化，變化速率為恒定值，即（）=，聯(lián)立可以求得在煤層圍巖體的應(yīng)力與時間（掘進(jìn)速率）的相互關(guān)系，如公式（4）、公式（5）所示。

式中：、為恒定的常數(shù)；為頂部的煤層厚度；為支撐壓力與煤層壁的距離；為與形狀相關(guān)的系數(shù)。

類似地，由彈性力學(xué)可知，煤層巷道頂板在受到上部荷載作用后，其力學(xué)簡化模型為兩端固定的薄板模型，有虛共原理可以求得板上任意位置的位移，即撓度曲線，如公式（6）所示。

式中：為煤層開挖的橫截面寬度；為煤層頂板的均勻荷載；為煤層的泊松比；為計(jì)算的彎曲變形。

2 工程概況

煤炭是山東省儲量最豐富的礦產(chǎn)之一，其在省內(nèi)的分布可以劃分為24個煤田，探明煤炭資源儲量約312.4億噸，含煤面積約16500萬km，其中兗州煤田為石炭-二疊紀(jì)煤田，設(shè)計(jì)的巷道為1600m，采用MB670掘錨機(jī)，掘錨機(jī)的質(zhì)量約105t，尺寸為11200mm×4700mm×2800mm（機(jī)械長度×寬度×高度），總功率為510kW，額定電壓約為1140V，滾筒直徑約為1150mm，最大落煤能力約1260t/h，最大輸送能力約1500t/h，支護(hù)高度范圍為2.8m～4.2m，采煤高度范圍為3.0m～4.0m，最大調(diào)動速度為10m/min。兗州煤田巷道開挖形狀為矩形斷面，開挖尺寸為5.5m×3.6m（寬×高），巷道的頂板埋深約400m，開采人員60人，按三班倒的形式開挖，每班勞動力為20人。

為了更好地分析掘錨機(jī)在快速開挖過程中煤層航道的應(yīng)力應(yīng)變演變情況，采用有限元方法建立三維平面分析模型，巷道矩形斷面為5.5m×3.6m，整體模型尺寸為80m（方向，重力方向）×10m（方向，水平縱向）×80m（方向，水平橫向），網(wǎng)格尺寸為0.5m的矩形網(wǎng)格，邊界條件確定為頂部加載實(shí)際地應(yīng)力均布荷載，整體模型的兩個豎向邊界加載實(shí)際水平應(yīng)力，底部為固定邊界，位移為零。為了更好地分析掘錨機(jī)開挖速度對煤層圍巖的影響，建立3種開挖工況，所有開挖工況均采用全斷面開挖方法。工況1掘進(jìn)長度為5m，模擬計(jì)算開挖步數(shù)為5步，每步開采長度為1.0m；工況2掘進(jìn)長度為5m，模擬計(jì)算開挖步數(shù)為2步，每步開采長度為2.5m；工況3掘進(jìn)長度為5m，模擬計(jì)算開挖步數(shù)為1步，每步開采長度為5.0m。

3 掘錨機(jī)掘進(jìn)速度對煤層的應(yīng)力場和位移場的影響

圖1為不同掘錨機(jī)開挖速度工況下，煤層巷道掌子面前方豎向應(yīng)力分布情況。由圖1可知，在所有的工況條件下，隨著超前距離距巷道掌子面的距離增加，煤層豎向應(yīng)力曲線均呈現(xiàn)先增長后迅速減少并不斷趨于收斂的非線性變化規(guī)律，在約1.0倍開挖寬度的位置處出現(xiàn)豎向應(yīng)力峰值。隨著掘錨機(jī)開挖速度的提高，煤層的豎向應(yīng)力峰值也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其豎向應(yīng)力峰值約10.50MPa，最大應(yīng)力峰值位置為超前距離6.0m；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其豎向應(yīng)力峰值約10.60MPa，最大應(yīng)力峰值位置為超前距離6.0m；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其豎向應(yīng)力峰值約10.80MPa，最大應(yīng)力峰值位置為超前距離5.5m。在所有工況條件下，超前距離大于8.0m后，豎向應(yīng)力小于9.50MPa，并趨于一致，收斂的豎向應(yīng)力值為9.2MPa。

圖1 煤層巷道豎向應(yīng)力與掌子面超前距離的變化關(guān)系

圖2為在不同掘錨機(jī)開挖速度工況下，豎向應(yīng)力與煤層巷道煤壁距離的變化情況。由圖2可知，在所有的工況條件下，隨著煤層巷道煤壁距離的增加，煤層豎向應(yīng)力曲線均呈現(xiàn)先增長后迅速減少，并不斷趨于收斂的非線性變化規(guī)律，在約1.0倍開挖寬度的位置處（6.0m）出現(xiàn)豎向應(yīng)力峰值。隨著掘錨機(jī)開挖速度的增加，煤層的豎向應(yīng)力峰值也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其豎向應(yīng)力峰值約10.50MPa，最大應(yīng)力峰值位置為煤層巷道煤壁距離6.0m；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其豎向應(yīng)力峰值約10.60MPa，最大應(yīng)力峰值位置為煤層巷道煤壁距離6.0m；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其豎向應(yīng)力峰值約10.80MPa，最大應(yīng)力峰值位置為煤層巷道煤壁距離6.0m，由此表明，降低掘錨機(jī)的開挖速率可以減少豎向應(yīng)力峰值。在所有工況條件下，煤層巷道煤壁距離大于6.5m后，豎向應(yīng)力小于10.4MPa，且趨向于一致，收斂的豎向應(yīng)力值為9.2MPa。

圖2 煤層巷道豎向應(yīng)力隨煤壁距離的變化關(guān)系

圖3為在不同掘錨機(jī)開挖速度工況下，煤層巷道豎向位移與開挖進(jìn)尺的關(guān)系曲線。由圖3可知，在所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進(jìn)尺的增加，煤層豎向位移曲線均呈現(xiàn)不斷減少的非線性變化規(guī)律，煤層豎向位移初始下降速度較緩，后期下降速度大，在開挖進(jìn)尺約3.5m的位置處不同工況的豎向位移一致，表明掘錨機(jī)的速度對煤層頂板的擾動范圍有限，影響范圍主要集中在60%的開挖寬度范圍內(nèi)（3.5m）。隨著掘錨機(jī)開挖速度的提高，煤層的頂板初始豎向位移也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其頂板豎向位移約14.72mm；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其頂板豎向位移約14.30mm；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其頂板豎向位移約13.18mm，由此表明，降低掘錨機(jī)的開挖速率可以減少豎向應(yīng)力峰值。在所有工況條件下，巷道開挖進(jìn)尺大于3.5m后，頂板豎向位移趨向一致，在開挖進(jìn)尺為5.0m時，頂板豎向位移約為7.0m，并且無收斂現(xiàn)象。由此表明，降低掘錨機(jī)的開挖速率可以減少煤層頂板豎向初始位移值，但對擾動范圍之外的頂板位移影響較小。

圖3 煤層巷道豎向位移與巷道開挖進(jìn)尺的變化關(guān)系

圖4為不同掘錨機(jī)開挖速度工況下，煤層巷道側(cè)壁水平位移與開挖進(jìn)尺的關(guān)系曲線。由圖4可知，在所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進(jìn)尺的增加，煤層巷道側(cè)壁水平位移曲線均呈現(xiàn)不斷減少的非線性變化規(guī)律，煤層豎向位移初始下降速度較快，后期下降速度放緩，在開挖進(jìn)尺約34.0m的位置處不同工況的豎向位移一致，表明掘錨機(jī)的速度對煤層頂板的擾動范圍有限，影響范圍主要集中在73%的開挖寬度范圍內(nèi)（4.0m）。隨著掘錨機(jī)開挖速度的增加，煤層巷道側(cè)壁初始水平位移也不斷增加，在工況1中，采用的開挖步距為1.0m/步，其煤層巷道側(cè)壁水平位移約14.70mm；在工況2中，采用的開挖布局為2.5m/步，其煤層巷道側(cè)壁水平位移約14.25mm；在工況3中，采用的開挖布局為5.0m/步，其煤層巷道側(cè)壁水平位移約13.20mm。在所有工況條件下，巷道開挖進(jìn)尺大于4.0m后，煤層巷道側(cè)壁水平位移趨向于一致，存在位移收斂現(xiàn)象，當(dāng)開挖進(jìn)尺為5.0m時，煤層巷道側(cè)壁水平位移約為7.0m。由此表明，降低掘錨機(jī)的開挖速率可以減少煤層巷道側(cè)壁初始水平位移，但對擾動范圍之外的頂板位移影響較小。

圖4 煤層巷道側(cè)壁水平位移與巷道開挖進(jìn)尺的變化關(guān)系

4 掘錨機(jī)掘進(jìn)實(shí)際開挖應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

實(shí)際開挖掘進(jìn)采用工況1的開挖方式，并在矩形開挖斷面的頂部、側(cè)墻的中部布置應(yīng)力和應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測時長為40d，以便與數(shù)值模擬進(jìn)行對比。監(jiān)測結(jié)果表明，頂板的現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)力從10.40MPa逐漸降低至5.70MPa，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值相近，偏差范圍為-0.26MPa～0.39MPa，側(cè)壁的現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)力從10.04MPa逐漸減少至5.12MPa，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值相近，偏差范圍為-0.30MPa～0.30MPa。由此表明，掘錨機(jī)開挖數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際相符，結(jié)果具有可靠性。

頂板的現(xiàn)場監(jiān)測豎向位移從13.23mm逐漸減少至5.45mm，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值相近，偏差范圍為-0.86mm～0.32mm，側(cè)壁的現(xiàn)場監(jiān)測水平位移從13.29mm逐漸減少至5.05mm，數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值相近，偏差范圍為-0.18mm～0.99mm。由此表明，掘錨機(jī)開挖數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際相符，結(jié)果具有可靠性。

5 結(jié)論

以山東省兗州煤田為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的手段研究掘錨機(jī)開挖煤層巷道的應(yīng)力場和位移場的變化情況，同時應(yīng)用現(xiàn)場監(jiān)測的手段驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，得到以下幾個結(jié)論：1）在所有的工況條件下，隨著超前距離距巷道掌子面的距離增加，煤層豎向應(yīng)力曲線均呈現(xiàn)先增長后迅速減少并不斷趨于收斂的非線性變化規(guī)律，在約1.0倍開挖寬度的位置處出現(xiàn)豎向應(yīng)力峰值；煤層豎向應(yīng)力隨著煤層巷道煤壁距離增加變化，也有類似規(guī)律；隨著掘錨機(jī)開挖速度的提高，煤層的豎向應(yīng)力峰值也不斷增加；2）所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進(jìn)尺的增加，煤層豎向位移曲線均呈現(xiàn)不斷減少的非線性變化規(guī)律，并且無收斂現(xiàn)象；所有的工況條件下，隨著煤層巷道開挖進(jìn)尺的增加，煤層巷道側(cè)壁水平位移曲線均呈現(xiàn)不斷減少的非線性變化規(guī)律，煤層豎向位移初始下降速度較快，后期下降速度放緩，存在位移收斂現(xiàn)象；降低掘錨機(jī)的開挖速率可以減少煤層頂板豎向初始位移值和側(cè)壁的水平向初始位移值；3）將煤層巷道頂部應(yīng)力、側(cè)壁應(yīng)力現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，將頂部位移、側(cè)壁水平位移現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，掘錨機(jī)開挖數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際相符，結(jié)果具有可靠性。