快速掘进巷道空顶与围岩稳定数值模拟分析

2021-11-11雷卫锋

江西煤炭科技 2021年4期

雷卫锋

（陕西小保当矿业有限公司，陕西榆林 719300）

在矿井开拓开采过程中，不同工序所占的时间比重并不相同。掘进巷道是进行煤层开采的首要工艺过程，其工作效率的高低直接决定了整个开采过程的进度。相关统计结果表明，在巷道综掘快速掘进过程中，煤岩体切割工序所消耗时间占据掘进过程的20%～25%；巷道围岩的支护时间占据50%～60%；设备维修及各种准备工作占据的10%～15%。由于巷道掘进过程中岩层内部应力状态不断改变，在巷道支护工作完成前，顶板及两帮岩层将较长时间处于无支护状态，从而造成围岩在应力扰动影响下出现变形。并且，随着空顶距的增加，围岩变形量也将不断改变，从而给工作面带来安全隐患。

目前，针对巷道快速掘进过程中相关问题的研究主要集中在支护参数以及施工组织管理等方面。比如，杜启军利用数值模拟的方法研究了锚杆锚索支护参数对巷道快速掘进的制约程度，并结合其结果指定了相应技术改进策略［1］；张征针对石嘴山煤矿公司的顺槽巷道施工工艺采用组织管理分析方法解析了制约掘进速度的内外因素［2］。

尽管已有众多学者针对煤巷快速掘进过程中相关问题进行了研究，但对于巷道快速掘进施工过程中巷道围岩变形的研究仍未进行。为此，本文以数值模拟的方法，分析了煤层巷道快速掘进过程中空顶距与巷道围岩的变形关系，可通过其模拟结果中围岩的变形特征确定巷道快速掘进中科学合理的空顶距离，从而保证工作面的安全，实现科学支护以及各工序的高效实施。

1 工程背景

30110 工作面位于小保当矿业301 采区，上覆岩层标高为+720～+725 m，煤层倾角为5°左右，为近水平煤层。考虑到地质构造作用可能导致顶底板岩层破碎的程度较高，目前所采煤层为5 号煤层，厚度为6.24 m，上覆岩层自下而上依次为碳质泥岩厚度为2.06 m，砂质泥岩厚度为1.2 m，粉砂岩厚度为3.5 m，石灰岩厚度为0.74 m；底板岩层自上而下依次为粉砂岩，厚度0.23 m；石英砂岩厚度为0.3 m，粉砂岩厚度为6.6 m。目标掘进巷道为回风巷，长度约1 400 m，巷道采用矩形巷道形式，长×高为4 500 mm×3 300 mm，巷道净面积为14.9 m2。巷道支护方式采用锚网索+钢带联合支护形式进行支护。

2 模拟方案

为研究巷道开挖过程中空顶距对巷道围岩稳定性的影响，依据经验分别对不同锚杆排距下的巷道围岩变形及塑性区改变进行了相应的数值模拟分析。依次模拟分析了空顶距从0.8 m 增加至5.6 m 时（梯度为0.8 m），巷道围岩位移量及塑性区随空顶距增加时的变化规律，建立模型尺寸为40 m×50 m×40 m。

边界条件：考虑到巷道在掘进过程中两帮仅能发生竖直方向位移，因此对模型采用前后左右四个侧面进行水平方向位移约束，底板采用固定约束，顶板为上覆岩层重力，由于该巷道位于地下400 m 位置，取上部载荷大小为10 MPa的应力约束。其边界条件见图1（a）。

模拟过程中，首先对巷道开挖30 m 后采用锚杆＋锚索进行支护平衡后，进行巷道的快速掘进，从而计算空顶距对巷道围岩稳定性的影响，巷道支护形式见图1（b）。

图1 边界条件及支护参数

3 模拟分析

基于以上模拟方案，在利用Midas GTS NX 软件针对不同空顶距离进行数值模拟后，得到了巷道顶板在竖直方向下沉量、水平方向位移量以及巷道围岩内部塑性区范围。受限于篇幅限制，本文中仅展示了空顶距为0.8 m 和5.6 m 时巷道顶板及两帮水平方向以及竖直方向位移云图，其它空顶距条件下位移量折线见图3。图2（a）～（b）分别为空顶距为0.8 m 和5.6 m 条件下巷道两帮水平方向位移云图，图2（c）～（d）为空顶距0.8 m和5.6 m 时巷道顶板位移云图。

图2 不同空顶距巷道围岩位移云图

通过图2（a）-（b）可以发现，随着空顶距的增加，巷道两帮的位移量也在不断加大。在空顶距为0.8 m 时，在巷道两帮的水平位移量相近，并且水平位移等高线的区域较大，表现出了明显的协调变形现象；当空顶距增加至5.6 m 时，巷道两侧水平位移等高线区域明显缩小，说明在与巷道不同距离的位置，水平位移梯度显著加大，此时巷道围岩的位移不协调现象加剧，不利于巷道围岩的稳定。图2（c）～（d）分别为空顶距为0.8 m 和5.6 m时，巷道顶板下沉位移云图。可以看出，与巷道两帮水平位移相似，随着空顶距的不断增加，顶板下沉量也在不断增大。并且，在空顶距为0.8 m时，顶板岩层在同一高度下降量相同，而空顶距增加到5.6 m 时，在直接顶附近位移下沉量明显高于深部岩层。说明此时顶板离层严重，不协调变形加剧。

图3 为不同空顶距条件下，巷道围岩水平以及垂直方向位移随空顶距变化曲线图。可以看出，随着空顶距的不断增加，巷道围岩位移量的改变表现为两个阶段：在空顶距小于4 m 时，随空顶距增加，巷道围岩位移量缓慢增大；空顶距超过4 m后，随着空顶距增加，围岩位移量快速增大。由此可知，空顶距为4 m 时可视为围岩变形发生转变的门槛值，在快速掘进过程中，应使空顶距不大于4 m 才较为安全。

图3 不同空顶距下巷道围岩位移曲线

在巷道快速掘进过程中，空顶距的不断增加，巷道顶板处失去围岩的支撑，会导致巷道两侧应力增加。在顶板及两帮发生变形过程中，势必会伴随着围岩的破裂。通过Midas GTS NX得到了不同空顶距条件下巷道围岩内部应变状态，见图4。

图4 不同空顶距下巷道围岩塑性区分布

图4 为不同空顶距下围岩力学性质状态，其中红色代表围岩处于塑性状态但仍具有承载力，而蓝色代表围岩处于塑性松动状态。可以看出，在空顶距为0.8 m 时，巷道围岩进入塑性区，但仍旧具有承载力，并未产生松动破坏；当空顶距增至3.2 m 时，两帮塑性区范围变大，此时顶板进入了塑性松动状态。在空顶距达到4 m 时，塑形松动范围开始由顶板向两帮扩展。随着空顶距进一步增加，两帮塑性松动范围也开始变大，但主要集中在直接顶以及两帮深处位置。由此可见，当空顶距达到3.2 m 时，应注意顶板的破坏，可视为快速掘进过程中空顶距的警戒值。