掘锚机在煤巷快速掘进中的应用

王 涛 石 虎 刘 雷

（山东能源重装集团鲁南装备制造有限公司，山东 枣庄 277500）

0 引言

在现代深部资源逐步开采的背景条件下，资源开采的经济性、劳动人员的安全性和救援的难易程度成为研究人员关注的重点问题，安全高效的开采方式成为资源开采技术发展的必然要求，智能化和机械化是时代发展的必然趋势，因此大量的掘进设备被运用于地下深部的能源开采。在煤炭开采领域，由于掘锚机具有一体化的开挖支护方式，具备削切煤体、钻孔和支锚功能，大大降低了人工劳动强度，提高了围岩的预支护效果，达到了控制变形的目的，因此其成为巷道开挖、煤层开采的主要掘进锚固施工机械。尽管如此，煤层属于软弱的塑性围岩体，在开挖作用下，围岩的应力状态和位移状态发生不同程度的改变，使巷道围岩出现松动和落煤，给煤层巷道的安全连续开采带来巨大的挑战。

1 掘锚机在快速掘进条件下煤层的应力和变形分析

在煤层中开挖巷道，煤层的力学特性将发生扰动和卸载效应，导致应力场和位移场发生变化，当采用掘锚机对煤层快速开挖时，这种绕能扰动效应和卸载效应有所减缓，但会产生另一种不利影响，即巷道煤层周围容易产生“耳朵状”的应力集中。在岩体力学中，认为煤层是一种黏弹性的围岩体，其在受到削切和掘进作用力后，围岩体的力学性质受到损伤，其应力应变模型可以应用煤层黏弹性Maxwell弹性模量和黏性系数串联后与弹性模量并联进行描述，应力应变关系如公式（1）和公式（2）所示。

式中：为Maxwell弹性模量；为黏性系数；为黏性系数与Maxwell弹性模量的比值；为剪切时间；为剪切应力；为煤层围岩体的应变；为煤层弹性模量。

煤层的力学损伤过程如公式（3）所示。

式中：为煤层围岩体的损伤程度；为煤层应变的分布系数；为煤层的初始应变。

综合分析公式（1）～公式（3），假定煤层的应变随时间的变化而线性变化，变化速率为恒定值，即（）=，联立可以求得在煤层围岩体的应力与时间（掘进速率）的相互关系，如公式（4）、公式（5）所示。

式中：、为恒定的常数；为顶部的煤层厚度；为支撑压力与煤层壁的距离；为与形状相关的系数。

类似地，由弹性力学可知，煤层巷道顶板在受到上部荷载作用后，其力学简化模型为两端固定的薄板模型，有虚共原理可以求得板上任意位置的位移，即挠度曲线，如公式（6）所示。

式中：为煤层开挖的横截面宽度；为煤层顶板的均匀荷载；为煤层的泊松比；为计算的弯曲变形。

2 工程概况

煤炭是山东省储量最丰富的矿产之一，其在省内的分布可以划分为24个煤田，探明煤炭资源储量约312.4亿吨，含煤面积约16500万km，其中兖州煤田为石炭-二叠纪煤田，设计的巷道为1600m，采用MB670掘锚机，掘锚机的质量约105t，尺寸为11200mm×4700mm×2800mm（机械长度×宽度×高度），总功率为510kW，额定电压约为1140V，滚筒直径约为1150mm，最大落煤能力约1260t/h，最大输送能力约1500t/h，支护高度范围为2.8m～4.2m，采煤高度范围为3.0m～4.0m，最大调动速度为10m/min。兖州煤田巷道开挖形状为矩形断面，开挖尺寸为5.5m×3.6m（宽×高），巷道的顶板埋深约400m，开采人员60人，按三班倒的形式开挖，每班劳动力为20人。

为了更好地分析掘锚机在快速开挖过程中煤层航道的应力应变演变情况，采用有限元方法建立三维平面分析模型，巷道矩形断面为5.5m×3.6m，整体模型尺寸为80m（方向，重力方向）×10m（方向，水平纵向）×80m（方向，水平横向），网格尺寸为0.5m的矩形网格，边界条件确定为顶部加载实际地应力均布荷载，整体模型的两个竖向边界加载实际水平应力，底部为固定边界，位移为零。为了更好地分析掘锚机开挖速度对煤层围岩的影响，建立3种开挖工况，所有开挖工况均采用全断面开挖方法。工况1掘进长度为5m，模拟计算开挖步数为5步，每步开采长度为1.0m；工况2掘进长度为5m，模拟计算开挖步数为2步，每步开采长度为2.5m；工况3掘进长度为5m，模拟计算开挖步数为1步，每步开采长度为5.0m。

3 掘锚机掘进速度对煤层的应力场和位移场的影响

图1为不同掘锚机开挖速度工况下，煤层巷道掌子面前方竖向应力分布情况。由图1可知，在所有的工况条件下，随着超前距离距巷道掌子面的距离增加，煤层竖向应力曲线均呈现先增长后迅速减少并不断趋于收敛的非线性变化规律，在约1.0倍开挖宽度的位置处出现竖向应力峰值。随着掘锚机开挖速度的提高，煤层的竖向应力峰值也不断增加，在工况1中，采用的开挖步距为1.0m/步，其竖向应力峰值约10.50MPa，最大应力峰值位置为超前距离6.0m；在工况2中，采用的开挖布局为2.5m/步，其竖向应力峰值约10.60MPa，最大应力峰值位置为超前距离6.0m；在工况3中，采用的开挖布局为5.0m/步，其竖向应力峰值约10.80MPa，最大应力峰值位置为超前距离5.5m。在所有工况条件下，超前距离大于8.0m后，竖向应力小于9.50MPa，并趋于一致，收敛的竖向应力值为9.2MPa。

图1 煤层巷道竖向应力与掌子面超前距离的变化关系

图2为在不同掘锚机开挖速度工况下，竖向应力与煤层巷道煤壁距离的变化情况。由图2可知，在所有的工况条件下，随着煤层巷道煤壁距离的增加，煤层竖向应力曲线均呈现先增长后迅速减少，并不断趋于收敛的非线性变化规律，在约1.0倍开挖宽度的位置处（6.0m）出现竖向应力峰值。随着掘锚机开挖速度的增加，煤层的竖向应力峰值也不断增加，在工况1中，采用的开挖步距为1.0m/步，其竖向应力峰值约10.50MPa，最大应力峰值位置为煤层巷道煤壁距离6.0m；在工况2中，采用的开挖布局为2.5m/步，其竖向应力峰值约10.60MPa，最大应力峰值位置为煤层巷道煤壁距离6.0m；在工况3中，采用的开挖布局为5.0m/步，其竖向应力峰值约10.80MPa，最大应力峰值位置为煤层巷道煤壁距离6.0m，由此表明，降低掘锚机的开挖速率可以减少竖向应力峰值。在所有工况条件下，煤层巷道煤壁距离大于6.5m后，竖向应力小于10.4MPa，且趋向于一致，收敛的竖向应力值为9.2MPa。

图2 煤层巷道竖向应力随煤壁距离的变化关系

图3为在不同掘锚机开挖速度工况下，煤层巷道竖向位移与开挖进尺的关系曲线。由图3可知，在所有的工况条件下，随着煤层巷道开挖进尺的增加，煤层竖向位移曲线均呈现不断减少的非线性变化规律，煤层竖向位移初始下降速度较缓，后期下降速度大，在开挖进尺约3.5m的位置处不同工况的竖向位移一致，表明掘锚机的速度对煤层顶板的扰动范围有限，影响范围主要集中在60%的开挖宽度范围内（3.5m）。随着掘锚机开挖速度的提高，煤层的顶板初始竖向位移也不断增加，在工况1中，采用的开挖步距为1.0m/步，其顶板竖向位移约14.72mm；在工况2中，采用的开挖布局为2.5m/步，其顶板竖向位移约14.30mm；在工况3中，采用的开挖布局为5.0m/步，其顶板竖向位移约13.18mm，由此表明，降低掘锚机的开挖速率可以减少竖向应力峰值。在所有工况条件下，巷道开挖进尺大于3.5m后，顶板竖向位移趋向一致，在开挖进尺为5.0m时，顶板竖向位移约为7.0m，并且无收敛现象。由此表明，降低掘锚机的开挖速率可以减少煤层顶板竖向初始位移值，但对扰动范围之外的顶板位移影响较小。

图3 煤层巷道竖向位移与巷道开挖进尺的变化关系

图4为不同掘锚机开挖速度工况下，煤层巷道侧壁水平位移与开挖进尺的关系曲线。由图4可知，在所有的工况条件下，随着煤层巷道开挖进尺的增加，煤层巷道侧壁水平位移曲线均呈现不断减少的非线性变化规律，煤层竖向位移初始下降速度较快，后期下降速度放缓，在开挖进尺约34.0m的位置处不同工况的竖向位移一致，表明掘锚机的速度对煤层顶板的扰动范围有限，影响范围主要集中在73%的开挖宽度范围内（4.0m）。随着掘锚机开挖速度的增加，煤层巷道侧壁初始水平位移也不断增加，在工况1中，采用的开挖步距为1.0m/步，其煤层巷道侧壁水平位移约14.70mm；在工况2中，采用的开挖布局为2.5m/步，其煤层巷道侧壁水平位移约14.25mm；在工况3中，采用的开挖布局为5.0m/步，其煤层巷道侧壁水平位移约13.20mm。在所有工况条件下，巷道开挖进尺大于4.0m后，煤层巷道侧壁水平位移趋向于一致，存在位移收敛现象，当开挖进尺为5.0m时，煤层巷道侧壁水平位移约为7.0m。由此表明，降低掘锚机的开挖速率可以减少煤层巷道侧壁初始水平位移，但对扰动范围之外的顶板位移影响较小。

图4 煤层巷道侧壁水平位移与巷道开挖进尺的变化关系

4 掘锚机掘进实际开挖应力应变监测结果与模拟结果对比

实际开挖掘进采用工况1的开挖方式，并在矩形开挖断面的顶部、侧墙的中部布置应力和应变监测点，监测时长为40d，以便与数值模拟进行对比。监测结果表明，顶板的现场监测应力从10.40MPa逐渐降低至5.70MPa，数值模拟的结果与现场监测值相近，偏差范围为-0.26MPa～0.39MPa，侧壁的现场监测应力从10.04MPa逐渐减少至5.12MPa，数值模拟的结果与现场监测值相近，偏差范围为-0.30MPa～0.30MPa。由此表明，掘锚机开挖数值模拟的结果与实际相符，结果具有可靠性。

顶板的现场监测竖向位移从13.23mm逐渐减少至5.45mm，数值模拟的结果与现场监测值相近，偏差范围为-0.86mm～0.32mm，侧壁的现场监测水平位移从13.29mm逐渐减少至5.05mm，数值模拟的结果与现场监测值相近，偏差范围为-0.18mm～0.99mm。由此表明，掘锚机开挖数值模拟的结果与实际相符，结果具有可靠性。

5 结论

以山东省兖州煤田为研究对象，运用数值模拟的手段研究掘锚机开挖煤层巷道的应力场和位移场的变化情况，同时应用现场监测的手段验证数值模拟结果的可靠性，得到以下几个结论：1）在所有的工况条件下，随着超前距离距巷道掌子面的距离增加，煤层竖向应力曲线均呈现先增长后迅速减少并不断趋于收敛的非线性变化规律，在约1.0倍开挖宽度的位置处出现竖向应力峰值；煤层竖向应力随着煤层巷道煤壁距离增加变化，也有类似规律；随着掘锚机开挖速度的提高，煤层的竖向应力峰值也不断增加；2）所有的工况条件下，随着煤层巷道开挖进尺的增加，煤层竖向位移曲线均呈现不断减少的非线性变化规律，并且无收敛现象；所有的工况条件下，随着煤层巷道开挖进尺的增加，煤层巷道侧壁水平位移曲线均呈现不断减少的非线性变化规律，煤层竖向位移初始下降速度较快，后期下降速度放缓，存在位移收敛现象；降低掘锚机的开挖速率可以减少煤层顶板竖向初始位移值和侧壁的水平向初始位移值；3）将煤层巷道顶部应力、侧壁应力现场实测结果与数值模拟结果进行对比，将顶部位移、侧壁水平位移现场实测结果与数值模拟结果进行对比，结果表明，掘锚机开挖数值模拟的结果与实际相符，结果具有可靠性。