大断面巷道快速综掘技术研究
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作者: 张勇 胡朋
摘 要：针对某煤矿具体地质勘查资料结合现场施工经验提出了两种快速开挖方案，并通过数值模拟手段，分析了两种开挖方式下的围岩应力变化情况，确定了方案二较方案一安全，指导了现场施工，可为同类工程提供借鉴价值。
关键词：大断面；快速综掘；数值模拟；稳定性
0 引言
在我国，煤炭一直是一次能源结构的主要部分，由于地下围岩十分复杂，导致煤矿矿井建设机械化程度较低，在支护参数选取上大多数采用工程类比的手段，支护效果不理想，在巷道掘进与支护上耗费大量人力物力。据相关资料数据，我国现有煤矿巷道综采程度为78.43%，综掘机械化程度为29.55%，比例基本维持在2.6：1左右。我国是能源需求大国，现阶段的综掘情况已不能满足综采的需求。为此，全面提高巷道快速掘进，降低综掘所占比例，实现巷道高效建设、集约化生产对煤矿意义重大。张勇等针对榆树湾煤矿某胶带大巷给煤硐室煤岩体易发生塌落破坏、支护效果不理想、巷道断面较大的特点，利用分部开掘技术并结合锚杆、金属网喷射混凝土及锚索补强的支护方法，有效加固了巷道围岩，实现了机械化快速采掘；榆林市榆神煤炭建筑设计有限公司以某煤矿特软顶板大断面全煤巷道为依托工程，通过改进锚杆、U型梁的具体参数，研究了支护效果的变化，有效控制了围岩变形，同时节省了支护材料，对类似工程具有重要借鉴价值。
1 巷道快速掘进的重要性
巷道综掘技术直接关系到巷道断面成型的质量，影响硐室后期支护效果，如果巷道开挖断面理想，可有效减少硐室应力集中部位进而减少支护工作量，加快开挖速度。大断面薄煤层巷道开挖工程中难题较多，可大致从两大方面分析：巷道因较大埋深造成的高地应力易引发巷道失稳，造成应力集中，破坏支护结构。二是地质情况复杂，巷道不是单一的岩石介质，含有煤质夹层，强度不一的介质岩体使巷道产生复杂的应力状态，诱发不可预测的危险。以下根据数值模拟，讨论不同的开挖顺序对于围岩稳定性及围岩应力分布的影响，分析综掘开挖过程中岩体的应力及其变形，从而选择合理的机械开采步序。
2 巷道快速掘进研究
根据某煤矿具体地质情况，为了研究巷道开掘断面形状对综掘速度的研究，结合此类地区巷道掘进的施工经验，综合考虑掘进机机械的施工特点，确定了将巷道大体分为两部分进行开挖：首先对对硐室进行扫底等前期工作，然后将巷道分为四块进行单独切割，掘进机循环进尺2.0m，每次进刀深度不得超过0.5m，逐渐达到设计要求尺寸，故确定以下2种开挖方案：综掘方案一：将巷道按由左向右的顺序大致分为四部分，先由左侧帮底处由下到上开挖第一部分，然后向下开挖第二部分，以此完成巷道左半部分施工；然后由下到上开挖第三部分，向下开挖第四部分；综掘方案二：从第一部分开始开挖（由左下帮起刀），再进行第二部分，依次第三部分和第四部分（巷道右帮角），也就是自中间进刀，自右帮至左帮呈“S”型切割。
3 数值模拟分析
为了分析支护措施的加固，利用数值模拟的手段建立数值模型，按照实际施工步序全面模拟巷道的开挖与支护。为了消除巷道开挖对周围岩体的扰动效应，建立数值模型尺寸为：纵向×横向×竖向为35m×35m×45m。模型的顶部边界条件为均布荷载，均布荷载是由上部岩层负重计算得到的；四周边界条件为，可以限制岩体上下移动而不能水平移动的水平链杆；模型下部的边界条件为限制模型各个方向移动的固定端。岩体、煤层材料均服从摩尔库伦破坏准则。模型在研究范围内按照地质勘擦资料概化为三层，并将地下水压力换算为地层压力施加于模型之上。首先在岩体及上部荷载作用下，使模型达到平衡，清零竖向位移及水平位移，然后进行巷道开挖。开挖按照循环进尺深度0.5m进行，每开挖0.5m便进行支护，支护参数采用上文提出的参数。
3.1 方案稳定性分析
方案一开挖之后，巷道周围岩体的应力位移云图（见图3）。
由应力数值大小可知围岩出现了拉应力和压应力。第一步开挖时，岩体承受的最高垂直应力为18.0MPa，随着开挖第二步，应力峰值有所增加，且幅度较大，应力峰值波及范围大约4m。总得来看应力发生转移，在已切割完成的巷道上部及两侧出现了数值较大的压应力，应力值最大值为19.3Mpa，超过了围岩抗压允许值，围岩已发生破坏，此时应尽快破除危险岩壁。第三部分切割完成后，巷道顶部应力集中范围发展至巷道深部，岩体受扰动范围增加，围岩应力集中值达22.5Mpa；第四部分开挖完成后，巷道顶板主要以受压为主，但在巷道两帮处出现拉应力，拉应力值为1.5kPa，压应力集中值为26.2Mpa。
方案二开挖后，巷道围岩应力云图（见图4）。
开挖第一部分后，巷道顶部出现压应力，数值大小为2Mpa，并且向围岩深部范围内应力集中数值逐减小；第二部分开挖后，围岩扰动范围进一步增大，在巷道两侧位置出现数值大小为18.4Mpa的应力集中；第三部分开挖后，在巷道右上部分出现了应力集中，集中值为20.9Mpa，围岩易发生塌落，应尽快切除此部分岩体；第四部分开挖后，巷道垂直应力状态与方案一相似，但变化幅度有所降低，应力峰值有向后移动的趋势，应力值为22.7Mpa，小于方案一中的26.2Mpa，所以方案二相对安全一些。
4 结束语
针对某煤矿具体地质勘查资料结合现场施工经验提出了两种快速开挖方案，并通过数值模拟手段，分析了两种开挖方式下的围岩应力变化情况，发现方案一中每一步开挖后的巷道围岩应力集中值比方案二中的应力集中值都要高，因此方案二较方案一安全。利用本文成果，可指导现场施工，为同类工程提供借鉴价值。
作者简介：张勇（1983-），湖南株洲人，本科，助理工程师，技术员，研究方向：煤矿开采。
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