综掘面合理巷道断面形状及尺寸的确定

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综掘面合理巷道断面形状及尺寸的确定

赵龙

(霍州煤电集团有限责任公司，山西霍州031400)

摘要由于瓦斯涌出量增大，为了使回风巷瓦斯浓度符合煤矿安全规程规定，实现方法之一是在保持风速不变的基础上增大巷道断面，而随着巷道断面尺寸的增大，会导致围岩稳定性变差。因此，为了确定合理的巷道断面尺寸，本文以通风理论、围岩稳定理论等为指导，在同时满足围岩稳定及通风系统要求的基础上，通过数值模拟分析，寻求合理的巷道断面形状及尺寸，从而为试验矿井综掘面合理巷道断面尺寸的确定奠定基础。研究表明：相同条件下，拱形巷道更利于稳定；巷道高度对围岩稳定的影响要大于巷道宽度对围岩稳定的影响；随着截面积的增大，无论是塑性区，还是最大应力均有增大，但是拱形巷道的幅度要相对小些，最终确定扩挖为拱形巷道，巷道高度为2.5 m，巷道宽度为3.225 m，该案例可对类似条件下的巷道尺寸的选取提供参考。

关键词综掘面；巷道断面;形状尺寸；数值模拟

收稿日期：2014-11-02

作者简介：赵龙(1976—)，男，山西侯马人，1998年毕业于山西煤炭工业学校，工程师，主要从事煤矿技术工作

中图分类号：TD263

文献标识码：B

文章编号：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.

巷道的断面尺寸是根据设备、运输、通风、行人及管线敷设等要求设计，需要满足多个系统的要求。在实际生产中，预先设计的巷道断面尺寸往往由于现场条件的改变而不能满足要求，需要根据现场情况作出调整[1-3]。如某矿由于回采深度增加，瓦斯涌出量增大，为了满足通风系统的要求，决定增大巷道断面，但是巷道断面的尺寸同时也受到围岩稳定的约束，若巷道断面过小，不能满足通风系统的要求；若巷道断面过大，不能满足围岩稳定，因此，为了确定合理的巷道断面尺寸，本文以通风理论、围岩稳定理论等为指导，在同时满足围岩稳定及通风系统要求的基础上，通过数值模拟分析，寻求合理的巷道断面形状及尺寸，从而为试验矿井综掘面巷道合理断面尺寸的确定奠定基础。

1试验工作面基本条件

某矿主要可采煤层为9#煤层，位于太原组下部，上距2#煤层约100 m，煤层厚度为0～2.00 m，平均厚度为1.32 m，根据井田内施工钻孔资料，煤层厚度为1.06～2.0 m，含0～1层夹矸，煤层结构简单，顶板岩性为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩和石灰岩，底板为泥岩或砂质泥岩，属全区大部可采煤层。煤的自燃倾向为Ⅱ类，属自燃煤层，煤尘有爆炸危险。地质构造简单，水文地质条件属中等类型。

根据煤层厚度，该工作面采煤机选用现有的MG-160/375采煤机，刮板输送机利用现有的SGB-630/180，工作面液压支架型号为ZZ4800/15/32液压支架，工作面采用全部跨落法管理顶板，带式输送机巷(上下山)、轨道运输巷(上下山)为煤巷，回风巷(上下山)为半煤岩巷，均采用矩形断面，锚网喷索联合支护，钢带补强；工作面顺槽为矩形断面，锚杆或者锚网带索联合支护。

根据对9#煤层所做的相关测试得出的有害气体预测结果：最大相对瓦斯涌出量为6.16 m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为12.89 m3/min；二氧化碳最大绝对涌出量17.83 m3/min,相对涌出量5.39 m3/t，该矿井为低瓦斯矿井。在实际开采中，当开采至224 m时，瓦斯涌出量增大，最大可达20.12 m3/min，接近高瓦斯矿的判断标准。为了使得回风巷中瓦斯浓度符合煤矿安全规程规定，需要增大通风量，实现方法之一是在保持风速不变的基础上增大巷道断面，同时，随着巷道断面尺寸的增大，会导致围岩稳定性变差，因此，必须确定既能满足围岩稳定，又能满足通风系统要求的巷道断面尺寸。

2满足通风系统要求的巷道断面尺寸

目前，瓦斯涌出量最大可达22.12 m3/min，根据规程规定，按照回采工作面回风巷风流中甲烷(或二氧化碳)的浓度不得超过1%的要求计算，则回采工作面所需风量为：

Qai=100qgaiKai

(1)

式中：

Qai—第i个回采工作面实际需要风量，m3/min；

qgai—该回采工作面回风巷风流中甲烷(或二氧化碳)的平均绝对涌出量，m3/min，根据现场实测数据取20.12；

Kai—该回采工作面的瓦斯涌出不均衡系数，取1.2.

则Qai=100×20.12×1.2=2 414.4 m3/min

因为煤巷或半煤岩巷最高风速为4 m/s，那么巷道断面应当满足：

Sai>Qai/(60×V最大)

(2)

式中：

Sai—第i个巷道断面积，m2；

V最大—规定回采工作面的最大风速，m/s.

Sai>2 414.4/(60×4)=10.06 m2

同时，风机可提供工作面的最大风量为3 000 m3/min，则巷道断面同时应满足：

Sai<3 000/(60×4)=12.5 m2

综上所述，根据通风系统理论分析，巷道断面面积应满足10.06 m2

3合理巷道断面尺寸的数值模拟研究

3.1数值模拟方案

井下巷道断面尺寸以能够满足开采、运输、通风、行人、管线敷设等生产、安全要求为前提而确定。由于目前主要考虑扩大巷道断面，因此，开采、运输、行人等条件都可以满足，评价方案的优劣主要从围岩稳定性方面来考虑。

目前，巷道形状主要有矩形、梯形、拱形，其截面积计算公式分别为：

梯形巷道截面计算公式：

(3)

式中：

S净—巷道断面的净截面积，m2；

L1—巷道断面的上部宽度，m；

L2—巷道断面的下部宽度，m；

h—巷道断面的高度，m.

需要注意的是，当时L1=L2时 ，即为矩形巷道的计算公式。

拱形巷道截面计算公式：

S净=B (h1+0.39B)

(4)

式中：

B—巷道断面的宽度，m；

h—巷道断面的墙高度，m.

经过前面的理论计算，初步得到了巷道截面积的范围。为了给现场设计提供更加全面可靠的依据，以理论巷道截面积范围为基础，提出不同的巷道形状、巷道高度、巷道宽度等，采用计算机模拟分析的方法，对比分析不同宽度的煤柱经历采动阶段的围岩应力分布特征，确定煤柱的合理留宽。

针对不同的巷道形状、不同的巷道尺寸，设计模拟方案见表1.通过该方案可以比较：1) 相同的截面积，不同的巷道形状对围岩稳定的影响。2) 相同的巷道宽度，相同的巷道形状，不同巷道高度对围岩稳定的影响。3) 相同的巷道高度，相同的巷道形状，不同巷道宽度对围岩稳定的影响。4) 相同形状，不同巷道截面积对巷道围岩稳定的影响。通过这些计算及比较，可以清楚该条件下影响巷道围岩稳定的因素，从而选出最优方案。

表1　数值模拟方案表

下面采用计算机模拟分析的方法，对比分析不同方案下的围岩应力分布特征，确定煤柱的合理留宽。

3.2数值模拟模型建立

FLAC3D作为一种岩土工程领域内的大型专业软件，对矿井地下开采所涉及的岩土力学问题具有较好的模拟效果，为此在煤矿开采领域得到了越来越广泛的应用。本次数值模拟即采用FLAC3D数值模拟软件进行分析。

建立的分析模型四个边界均固定法向位移，底端边界固定垂直位移，顶面为自由面，施加上部岩层等效均布载荷。模型宽×高=400 m×200 m，未模拟岩层按等效载荷代替。模型中层理弱面用INTERFACE模拟。

模型赋存状态见图1.

图1 　模型赋存状态图

3.3数值模拟结果分析

模型在扩挖前应力状态见图2.

a) 扩挖前的塑性状态

b) 扩挖前的应力分布

各方案的围岩塑性区及应力分布情况见图3.

a) 方案一的塑性状态

b) 方案一的应力状态

c) 方案二的塑性状态

d) 方案二的应力状态

e) 方案三的塑性状态

f) 方案三的应力状态

g) 方案四的塑性状态

h) 方案四的应力状态

i) 方案五的塑性状态

j) 方案五的应力状态

k) 方案六的塑性状态

l) 方案六的应力状态

以方案一为例，在扩挖前，塑性区分布范围约为0.5 m，顶拱、巷道两端都处于剪塑性区，仅有底板少数区域处于拉塑性区，Z向最大应力为3.977e7，均为压应力，没有出现拉应力，可以看出，扩挖前巷道处于稳定状态，由于没有拉应力，很少会发生破坏。而在按照方案一扩挖后，塑性区范围扩大，达1 m，个别区域甚至达到12 m，顶拱、巷道两端、底板均出现了不同程度的拉塑性区，Z向最大应力为4.021e7，大于扩挖前的最大应力，而且有部分区域处于拉应力状态，而且更为严重的是顶拱出现了拉应力区，拉应力最大为2.285e5，极不利于顶拱的稳定。可以看出，在按照方案一扩挖后，塑性区范围扩大，顶拱出现拉应力，不利于巷道的稳定。

同上，其他方案也可作相应分析。此外，提取不同方案对比还可得出不同因素对于巷道稳定的影响：1) 进行相同的截面积，不同的巷道形状对围岩稳定的影响，可针对方案一和方案四、方案二和方案五、方案三和方案六进行比较，可以得出同样面积下，拱形巷道顶拱部分一般较难出现拉应力区，应力分布也较为平和，相对矩形巷道较低。2) 进行相同的巷道宽度，相同的巷道形状，不同巷道高度对围岩稳定的影响，可针对方案二和方案三、方案五和方案六进行比较，可以得出巷道高度对围岩稳定影响较大，高度增加后，塑性区范围增大，最大应力也增大，巷道两端开始出现拉应力，这些都不利于巷道的稳定。3) 进行相同的巷道高度，相同的巷道形状，不同巷道宽度对围岩稳定的影响，可针对方案一和方案二、方案四和方案五进行比较，可以得出，与巷道高度的影响相比，巷道宽度对围岩稳定影响较小，巷道宽度增加后，主要影响底板塑性区及应力分布。4) 相同形状，不同巷道截面积对巷道围岩稳定的影响，可针对方案一、二、三比较，或者方案四、五、六进行比较，可以得出，随着截面积的增大，无论是塑性区还是最大应力均有增大，但是拱形巷道的幅度要相对小些。

综上可以得出：相同条件下，拱形巷道更利于稳定；巷道高度对围岩稳定的影响要大于巷道宽度对围岩稳定的影响；随着截面积的增大，无论是塑性区还是最大应力均有增大，但是拱形巷道的幅度要相对小些。从而方案四、五、六要总体优于方案一、二、三，方案四优于方案六，而方案五是最佳方案。

4合理沿空掘巷区段煤柱尺寸的确定

作为巷道围岩结构的重要组成部分，巷道尺寸的大小直接关系巷道的稳定性。理想的巷道尺寸应满足：行人、设备等基本条件；通风系统条件；围岩稳定条件，具体包括塑性区、最大应力，拉应力范围等。

根据前面的理论计算与数值模拟分析，综合考察各方案的围岩应力分布特征，选择方案五作为最终的巷道尺寸，即扩挖为拱形巷道，巷道高度为2.5 m，巷道宽度为3.225 m，此时巷道围岩最为稳定。

5结论

由于瓦斯涌出量增大，为了使得回风巷中瓦斯浓度符合煤矿安全规程规定，需要增大通风量，实现方法之一是在保持风速不变的基础上增大巷道断面，同时，随着巷道断面尺寸的增大，会导致围岩稳定性变差，因此,为了确定合理的巷道断面尺寸，本文以通风理论、围岩稳定理论等为指导，在同时满足围岩稳定及通风系统要求的基础上，通过数值模拟分析寻求合理的巷道断面形状及尺寸，从而为该矿综掘面合理巷道断面尺寸的确定奠定了基础。

1) 理论计算表明，巷道断面面积10.06 m2

2) 相同条件下，拱形巷道更利于稳定；巷道高度对围岩稳定的影响要大于巷道宽度对围岩稳定的影响；随着截面积的增大，无论是塑性区还是最大应力均有增大，但是拱形巷道的幅度相对较小。从而方案四、五、六要总体优于方案一、二、三，方案四优于方案六，而方案五是最佳方案。

3) 根据前面的理论计算与数值模拟分析，综合考察各方案的围岩应力分布特征，选择方案五作为最终的巷道尺寸，即扩挖为拱形巷道，巷道高度为2.5 m，巷道宽度为3.225 m，此时巷道围岩最为稳定。

4) 工业性试验期间，要加强对巷道的支护，采用高强度锚杆支护，以改善围岩的力学性能，提高围岩的长期稳定性。

参考文献

[1]陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，1994：57-62.

[2]吴立新.重复条采时上层煤柱应力变化及其稳定性的试验研究[J].煤矿开采，1994(2):37-40.

[3]谢文兵，陈晓祥，郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005:68-78.

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

·试验研究·