王 磊

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司,山西 晉中 045400)

我國煤炭生產(chǎn)以地下開采為主,煤層賦存條件復(fù)雜,煤層厚度不一[1],隨著綜采技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)數(shù)百萬噸級(jí)、甚至千萬噸級(jí)的超級(jí)工作面,回采巷道長度和數(shù)量均大幅度增加,從而使巷道快速掘進(jìn)成為煤礦高效集約化生產(chǎn)的關(guān)鍵[2-3]。

傳統(tǒng)巖巷采用爆破技術(shù)掘進(jìn),主要可分為中深孔爆破技術(shù)和光面爆破技術(shù),雖然技術(shù)工藝較為成熟,但也有著施工速度慢、精度不夠高、安全隱患大等缺點(diǎn)[4-5]。盾構(gòu)法目前被廣泛用于隧洞施工,這種方式具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快和對(duì)地面建筑物的影響小等特點(diǎn)[6];而在煤礦井下巷道掘進(jìn)領(lǐng)域,盾構(gòu)法尚未大面積普及應(yīng)用,目前國內(nèi)只是部分礦井圍繞盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)行了技術(shù)探索和工程實(shí)踐,何杰等[7]針對(duì)煤礦巖巷掘錨失衡、成巷效率低問題,結(jié)合礦井現(xiàn)有條件,設(shè)計(jì)了集掘、支、裝等多工序協(xié)調(diào)統(tǒng)一的盾構(gòu)施工技術(shù)體系,進(jìn)行了工程實(shí)踐并取得了良好成果。李剛等[8]通過研究盾構(gòu)法煤礦巷道掘進(jìn)的技術(shù)方案、施工工序、導(dǎo)向系統(tǒng)等新技術(shù),分析傳統(tǒng)的巷道掘進(jìn)方式和盾構(gòu)法掘進(jìn)方式在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用效果,表現(xiàn)出盾構(gòu)法煤礦掘進(jìn)快速、高效、安全、降成本的優(yōu)勢。馬忠躍[9]為提高巖石巷道掘進(jìn)效率,積極探索盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)。并成功實(shí)驗(yàn),與鉆爆法相比,掘進(jìn)速度提高了5倍,工作面粉塵、員工勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低?，F(xiàn)有圍繞煤礦井下巷道盾構(gòu)機(jī)快速掘進(jìn)方面的研究取得了一定的進(jìn)展,現(xiàn)場也取得了良好的應(yīng)用效果。論文以新元公司9110工作面高抽巷為背景,針對(duì)軟巖巷道變形快,支護(hù)難度大等問題,設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)法掘進(jìn)瓦斯抽采巷道,在此基礎(chǔ)上,使用有限元分析軟件Phase2D建立模型分析巷道圍巖損傷特征,提出巷道支護(hù)方案并進(jìn)行分析及工程實(shí)踐,為軟巖巷道快速掘進(jìn)的圍巖控制提供支持。

1 工程背景

新元公司9110工作面開采9號(hào)煤,巷道埋深560 m,工作面為高瓦斯賦存礦井,為降低開采過程中瓦斯涌出超限的技術(shù)難題,設(shè)計(jì)在工作面上覆裂隙帶范圍內(nèi)布置高抽巷對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采。為提高高抽巷掘進(jìn)效率,設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)開掘工作面高抽巷。高抽巷的層位布置在4號(hào)煤底板下方7 m左右的砂質(zhì)泥巖中,如圖1所示。

圖1 高抽巷位置鉆孔巖性綜合柱狀圖

施工層位具體巖性包含砂質(zhì)泥巖3.13 m,上部為泥巖,下部為粉砂巖。本層厚度變化較大,不穩(wěn)定,呈粉末狀。該巷埋深較深,地表水對(duì)工作面沒有直接影響。主要充水因素為頂板砂巖弱含水層,充水方式為頂板裂隙淋頭水。預(yù)計(jì)該巷正常涌水量為0.5～5.0 m3/h.

2 盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀破巖過程分析

在盾構(gòu)施工過程中,滾壓型刀具主要應(yīng)用于巖石地層,盤形滾刀緊壓在巖面上,在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)和推動(dòng)下切出圓形溝槽[10-11]。

盾構(gòu)推力和刀盤扭矩的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)來自巖石抗力,在實(shí)際工作中,盤形滾刀受到的巖石抗力通常分解為兩部分,垂直力Fv和滾動(dòng)力Fr:

(1)

(2)

式中:r為盤形滾刀的半徑;ψ為刀刃上壓力的分布常數(shù);T為滾刀的刃寬或刃厚;θ為盤形滾刀接巖角;P0為壓碎區(qū)承受的壓力,它根據(jù)巖石強(qiáng)度和切削幾何參數(shù)估算,即:

(3)

式中:σc為巖石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;σt為巖石抗拉強(qiáng)度;C＇為系數(shù),取2.1;S為刀間距。

滾刀破巖過程如圖2所示,巖石地層中滾刀破巖主要經(jīng)歷以下3個(gè)階段:

圖2 滾刀破巖示意

1) 擠壓階段:滾刀受推力切削巖石,導(dǎo)致變形和產(chǎn)生接觸力。巖石粉碎成碎塊并形成應(yīng)力集中區(qū)。

2) 起裂階段:接觸力超出巖石強(qiáng)度,出現(xiàn)裂縫。裂縫形成為滾刀破巖提供前提。接觸力過渡區(qū)位于應(yīng)力集中區(qū)下方。

3) 破碎階段:相鄰滾刀刀間距達(dá)到一定條件時(shí),巖石裂縫互相連接,表層巖石擠壓分離成碎塊脫離開挖表面。

在盾構(gòu)施工過程中,滾刀組合根據(jù)一定的刀間距進(jìn)行布局,刀間距一般選擇巖石破碎比能耗來衡量合理與否:

(4)

式中:SE為巖石破碎比能耗;F為破巖力;P為貫入度;S為破巖相鄰滾刀刀間距。

其他條件相等或接近時(shí),比能更小的刀間距則為最優(yōu)刀間距,合理的刀間距能夠使兩把滾刀在破巖過程中相互作用,刀具之間的巖石經(jīng)過張拉破裂和剪切破裂而完全破碎,其破碎的巖石體積遠(yuǎn)大于單把刀具破巖時(shí)巖石破碎體積的2倍。

3 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的圍巖損傷特征分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立

采用Rocscience Phase2D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型的建立,基于有限元法計(jì)算分析巖體的變形破壞,模擬模型中巖層的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測定數(shù)據(jù)換算得到,如表1所示。

根據(jù)高抽巷位置及所處地質(zhì)條件,建立巷道掘進(jìn)的數(shù)值模擬模型,采用Phase2D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究,模型尺寸寬×高=34 m×23 m,X軸為工作面長度方向,寬34 m;Y軸為豎直方向,高23 m;Z方向?yàn)榇怪庇谀Ｐ头较?即巷道推進(jìn)方向。掘進(jìn)巷道直徑為3.53 m,巷道主體部分處于砂質(zhì)泥巖,厚3.13 m.覆巖未建模部分采用等效均布載荷加載于模型四周。數(shù)值模型如圖3所示,模型的四周施加位移約束。

圖3 數(shù)值模型

3.2 掘進(jìn)全過程巷道圍巖損傷特征

1) 巷道圍巖塑性區(qū)。由巷道開挖至二次應(yīng)力調(diào)整平衡后,模擬得到巷道圍巖塑性區(qū)如圖4所示。

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)圖

巷道圍巖形成塑性區(qū)是多種因素綜合作用的結(jié)果,塑性區(qū)形態(tài)主要受圍巖中應(yīng)力狀態(tài)的影響。其中,非圓形塑性區(qū)是由于圍巖受到雙向不等的應(yīng)力作用。模擬結(jié)果表明,塑性區(qū)主要分布在巷道的四周,上下部的塑性區(qū)較大,而水平方向的塑性區(qū)較小,這是因?yàn)橄锏篱_挖后,圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變,巷道表面圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向甚至單向應(yīng)力狀態(tài)。在巷道表面,應(yīng)力的突然卸載造成圍巖中產(chǎn)生較大的偏應(yīng)力,而豎直的產(chǎn)生的偏應(yīng)力很明顯大于水平產(chǎn)生的偏應(yīng)力,導(dǎo)致豎直塑性區(qū)比水平塑性區(qū)大。在左右斜上方和斜下方塑性區(qū)沿著巷道所處巖層與上下巖層交界處擴(kuò)展,塑性區(qū)形狀形成“工”字形結(jié)構(gòu),整體塑性區(qū)距巷道范圍為0～1.8 m.

2) 巷道圍巖支承應(yīng)力分布。模擬得到巷道圍巖支承應(yīng)力分布特征如圖5所示。

圖5 巷道圍巖應(yīng)力分布區(qū)圖

由圖5可知,巷道圍巖豎直方向應(yīng)力在巷道上下方呈現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力值自巷道向外先增大后減小,巷道頂?shù)装鍑鷰r為低應(yīng)力區(qū),原因是巖石破壞導(dǎo)致其無法承載應(yīng)力,這與塑性范圍相符合,巷道上方圍巖應(yīng)力集中于軟巖與較軟巖層交界。整體應(yīng)力值范圍在1.5～31.5 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)。

3) 巷道圍巖變形特征。模擬得到巷道圍巖變形特征如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形特征

可以看出,巷道圍巖整體位移變化趨勢呈波紋擴(kuò)展,位移由巷道向外逐步減少,水平方向位移區(qū)域較大,自巷道向兩幫位移變化緩慢,水平位移最大值為0.8 m.巷道圍巖豎直方向位移區(qū)域較小,但位移值變化明顯,最大豎直位移為1.4 m,巷道圍巖整體的位移范圍為0～1.5 m.巷道周圍主要受剪切破壞,繞巷道呈“工”字形分布,與應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布相符合。

4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及效果分析

4.1 支護(hù)方案及模型建立

通過上述模擬研究可以發(fā)現(xiàn),巷道圓形斷面相比矩形斷面受力條件要好,但未支護(hù)條件下巷道圍巖仍發(fā)生較大的塑性區(qū)破壞和變形,為配合盾構(gòu)機(jī)的快速掘進(jìn),保證盾構(gòu)機(jī)快速掘進(jìn)的可行性,結(jié)合礦井實(shí)際條件,設(shè)計(jì)對(duì)圓形巷道采用錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)。

巷道斷面直徑3.53 m,選用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù),頂部每排布置5根錨桿并在每排錨桿中部布置2根錨索,幫部每排布置4根錨桿且在最底角布置2根右旋錨桿,見圖7.考慮到模型的模擬效果,選定背景寬×高=34 m×25 m,模型各邊界施加位移約束,其余參數(shù)與第3節(jié)中數(shù)值模擬方案相同。

圖7 巷道支護(hù)示意(單位:mm)

為了模擬錨桿和錨索支護(hù),有限元軟件中提供了梁和桿單元。梁單元不僅可以方便地定義錨桿和錨索的錨固長度、樹脂藥卷的cohesive strength和stiffness,還可以承受圍巖的拉伸和剪切作用,因此模擬中采用梁單元,具體支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)材料力學(xué)屬性

4.2 巷道圍巖變形特征分析

1) 掘進(jìn)全過程巷道圍巖塑性區(qū)演化。模擬得到支護(hù)錨桿條件下巷道圍巖塑性區(qū)特征如圖8所示。

圖8 巷道圍巖塑性區(qū)圖(有錨桿)

模擬結(jié)果表明,塑性區(qū)主要分布在巷道的四周,上下部的塑性區(qū)較大,而水平的塑性區(qū)較小,分布特征與未支護(hù)巷道的塑性區(qū)圖相似。但支護(hù)后巷道塑性區(qū)厚度約為0～1.1 m.對(duì)比未支護(hù)巷道圍巖塑性區(qū),有錨桿支護(hù)巷道的塑性區(qū)明顯減小。

2) 掘進(jìn)全過程巷道圍巖應(yīng)力分布特征。模擬得到巷道圍巖支承應(yīng)力分布特征如圖9所示。

圖9 巷道圍巖應(yīng)力分布區(qū)圖(有錨桿)

由圖9可知,巷道水平應(yīng)力變化幅度較小,豎直方向應(yīng)力由巷道向外先增大后減小,分布特征與無錨桿巷道應(yīng)力分布特征相像,應(yīng)力最小處為頂?shù)装逄帯?duì)比未支護(hù)巷道,支護(hù)巷道應(yīng)力值范圍變化不大,但高應(yīng)力區(qū)域明顯減小。

3) 掘進(jìn)全過程巷道圍巖變形特征。模擬得到巷道圍巖水平位移,豎直位移和總位移及整體位移云圖如圖10所示。

圖10 巷道圍巖位移圖(有錨桿)

由圖10可以得到,圍巖大位移區(qū)域和發(fā)生剪切-拉伸破壞區(qū)域有所減小,位移峰值明顯降低。圍巖整體的位移范圍為0～0.18 m,最大位移處為巷道與其所處巖層和上覆巖層交界處,在這些變形較大、破壞明顯的部位,因其無法承載過多地應(yīng)力,為圍巖的低應(yīng)力區(qū)。對(duì)比未進(jìn)行支護(hù)條件下,巷道支護(hù)后圍巖在豎直、水平和整體位移方面變形更小,具有明顯的控制效果,表明了巷道支護(hù)方案的可行性。

5 工程實(shí)踐

新元煤礦采用盾構(gòu)技術(shù)對(duì)9110工作面高抽巷進(jìn)行掘進(jìn),選用EQS3630(A)型盾構(gòu)機(jī),集截割、出渣、支護(hù)、除塵、通風(fēng)、導(dǎo)向、防爆等多重技術(shù)于一體,實(shí)現(xiàn)了高度機(jī)械化和自動(dòng)化。平均月進(jìn)尺達(dá)300 m,通過采用一次安裝、一次拆除的“U”型方式進(jìn)行作業(yè),最小轉(zhuǎn)彎半徑80 m,有效減少盾構(gòu)機(jī)的拆安次數(shù)、拆安工期和盾構(gòu)機(jī)前期準(zhǔn)備工程量,大幅提高了礦井單進(jìn)水平。

施工較傳統(tǒng)掘進(jìn)模式具有巷道成型規(guī)整、設(shè)備故障率低、掘進(jìn)速度快和安全性能高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),具有推廣意義。

6 結(jié) 語

1) 研究分析盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀破巖過程,盾構(gòu)機(jī)在巖石地層中滾刀破巖主要經(jīng)歷擠壓階段、起裂階段、破碎階段,通過滾刀在破巖過程中相互作用,刀具之間的巖石經(jīng)過張拉破裂和剪切破裂而完全破碎。

2) 采用Phase2D數(shù)值模擬軟件分析掘進(jìn)過程中圍巖損傷特征,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理支護(hù)方案,模擬分析結(jié)果表明:錨桿索支護(hù)使巷道圍巖塑性區(qū)減小面積達(dá)39%;高應(yīng)力分布區(qū)域減小;位移峰值顯著降低,支護(hù)后位移值范圍控制在0.18 m內(nèi),剪切-拉伸破壞區(qū)域減小。

3) 現(xiàn)場工程實(shí)踐表明:通過盾構(gòu)機(jī)快速掘進(jìn),平均月進(jìn)尺達(dá)300 m,施工較傳統(tǒng)綜掘機(jī)掘進(jìn)模式具有巷道成型規(guī)整、設(shè)備故障率低、掘進(jìn)速度快和安全性能高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),具有推廣意義。