胡底煤业高应力大断面大巷绕巷设计优化研究论文

 

　　关键词：通风阻力,绕巷,塑性区

 

 

　　胡底煤业一盘区共有5条大巷，大巷之间的关系及其与采煤工作面之间的关系，如图1所示。相邻巷道中对中间距为30 m，岩柱尺寸为25m。5条大巷两侧均布置有分层开采综采工作面。目前，大巷南侧的1301（上）、1303（上）工作面、1305（上）工作面、1307（上）工作面已开采完毕。5条大巷均为半圆拱性断面，断面积在20 m2左右，属于大断面巷道。巷道支护方式：锚网喷＋锚索+注浆加固联合支护方式。巷道埋深约为700~750 m，巷道围岩为软弱岩层，受到深部地应力和采动应力影响，1301（上）、1303（上）工作面对应的5条大巷在5#至10#横川之间均发生严重变形破坏，其中两帮移近量达到2~3 m，顶底板累计移近量达到2.5~3.5 m，其中以底鼓为主；巷道断面尺寸收缩严重，矿井通风阻力已到达4 012 Pa（其中总回风巷5#至10#横川之间通风阻力最大为1 940 Pa）,主扇高负压运行，存在喘振风险；同时原布置抽放管路受巷道挤压产生变形，增加了通风隐患，且巷道围岩稳定性差、巷修工程量大、维护成本高，目前巷修进度无法有效解决矿井通风压力。故计划在5#至10#横川间新掘大巷绕巷，铺设抽放管路，担负此5区域的原1102巷、1104巷的抽放、回风工作，降低矿井通风阻力和巷修压力。

 

 

 

　　胡底煤业埋深大、地应力高，受构造应力与南北翼采动应力影响显著。原1102巷、1104巷巷道变形严重，原布置抽放管路受巷道挤压产生变形，增加了通风隐患，且巷道围岩稳定性差、修复成本高，工程量大，故计划在4号横川至10号横川间新掘大巷绕巷，铺设抽放管路。担负此区域的原1102巷、1104巷的抽放回风工作。大巷绕巷位于3#煤层顶板上0~46 m范围内；各层位岩性如图2所示，绕巷开口位置在1104巷以北30 m处。断面形状设计为矩形，对绕巷掘进设备安装、瓦斯管路铺设所需净断面进行计算，其中，轨道宽度0.9 mm，皮带宽度1.2 mm，EBZ掘进机组高度1.8 mm，长度12.5 m，铲板最大宽度3.8 m，瓦斯管路铺设直径Φ1.0 m的瓦斯管路1组，Φ0.7 m瓦斯管路2组，结合胡底矿掘进设备，巷道断面分两次施工，初次掘进断面5.80 m×3.50 m，二次掘进断面中岩巷巷道断面为5.80 m×1.20 m，煤巷断面为5.80 m×2.22 m。

 

 

　　根据大巷绕巷生产地质条件设计如下几种布置方案：方案一：采用“斜巷（岩巷段）+煤巷”布置，“斜巷”段长度332 m，倾角3°斜巷处位于5号横川以东17 m，1104巷以北30 m，距3号煤层顶板0~61 m。煤巷段长度329 m。方案二：采用“暗立井（岩巷段）+平巷（岩巷段）+煤巷”布置，“暗立井”段长度29.38 m，倾角90°位于5号横川以东17 m，1104巷以北30 m，距3号煤层顶板29.38 m，岩层性质以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主；“平巷段”长度268.96 m，倾角0°;煤巷段长度403.21 m，沿3号煤层顶板掘进。方案三：采用“暗立井（岩巷段）+全煤巷”布置，“暗立井”段长度62.14 m，倾角90°位于5号横川以东17 m，1104巷以北30 m，与3号煤层顶板贯通，全煤巷段长度734.84 m，沿3号煤层顶板掘进。方案四：方案四采用“暗立井+底板岩巷”布置，“暗立井”段长度86.11m，倾角90°位于5号横川以东17 m，1104巷以北30 m，与3号煤层顶板贯通，底板巷段长度734.84 m，沿K6灰岩掘进。

 

 

　　通过COMSOL Multiphysics模拟软件建立模型[1-2]，为兼顾计算精度和效率，在巷道及其围岩等应力集中和变化剧烈区域适当提高网格密度，根据开采参数和上覆岩层特点建立了三维数值模型。根据绕巷布置设计方案，分别模拟构造应力作用下，“斜巷+煤巷”、“暗立井+平巷”、“暗立井+全煤巷”和“暗立井+底板岩巷”四种方案巷道的稳定性。

 

 

　　根据前文的数值模型，计算四种绕巷布置方案巷道断面塑性区分布特征，从而判断其稳定性，如图3所示。

 

　

 

　　由图3可知，五条大巷之间保护煤柱弹性核区宽度均不到煤柱宽度的一半，表明煤柱处于不稳定状态，这在一定程度上解释了即便大巷与南翼工作面之间间隔100 m以上的保护煤柱，大巷仍变形严重的现象。根据塑性区大小判断绕巷围岩稳定性，塑性区越小，表明巷道围岩越稳定。对比四种方案可知，稳定性从好到差依次为方案四、方案一、方案二、方案三。由图3-3可知，五条大巷原本留设30 m（中至中）保护煤柱，在高地应力、构造应力、南翼工作面采动超前支承压力与大巷掘进围岩集中应力共同作用下，30 m（中至中）保护煤柱中塑性区占50%以上，甚至接近100%，表明煤柱已经失去绝大部分承载能力，大巷变形严重。在绕巷与1104巷中至中45 m保护煤柱中，弹性核区宽度占煤柱宽度的55%~60%，表明煤柱具有一定承载能力，但接近极限情况。因此，为保证绕巷稳定性，建议绕巷与1104巷中至中保护煤柱宽度不小于45 m。

 

 

　　根据钻孔岩芯强度测试结果，对留设200 m保护煤柱条件下，四种绕巷布置方案巷道断面塑性区分布进行模拟分析，如图4所示。图中，虚线方框表示巷道围岩塑性区放大图。

　

 

　　由图4可知，由于高地应力和构造应力影响，煤层受较大载荷，接近强度极限。当北翼工作面开采后，在采动超前支承压力作用下，北翼工作面停采线与绕巷之间200 m保护煤柱有超过一半处于塑性区。绕巷与北翼工作面停采线之间有200m的煤柱，煤柱中没有巷道，其整体完整性好，接近一半宽度处于弹性核区，承载能力相对较大，绕巷围岩变形情况预计将比五条大巷显著减小。对比图4四种方案可知，稳定性从好到差依次为方案四、方案一、方案二、方案三。

 

 

 

　　通过前期数值模拟分析可知，模拟计算围岩塑性区可知：对于0°平巷，塑性区仅在巷道左右局部区域分布，表明该方向上围岩容易发生破坏；当斜巷倾角从5°~25°增大时，塑性区逐渐扩展到全部巷道表面，且随着倾角增大，塑性区范围明显增大；对于90°暗立井，塑性区仅在巷道上下局部区域分布，表明该方向上围岩容易发生破坏，并且相对平巷，暗立井塑性破坏范围和深度较小；综上，根据塑性区的分布范围，地应力（构造应力）作用下，稳定性相比较“立井”＞“平巷”＞“斜巷”。

 

 

　　“暗立井”井筒施工可分为以下2种方式[3-4]：反向导孔+反向扩孔施工、反向导孔+正向扩（钻爆法）孔施工，反向导孔+反向（反井钻机）扩孔施工，工作人员劳动强度低，但钻机进、离场周期较长，需要一定的空间搭设钻机，底板软弱时需要浇筑基座，对施工技术及施工人员素质有着较高的要求，需要专业的团队提供设备及技术支持。反向导孔+正向扩（钻爆法）孔施工，最高月进尺55 m，平均月进尺45 m，效率低。“平巷、斜巷”巷道的掘进技术及施工设备比较简单，延米掘进速度快。从施工工艺上比较，“平巷、斜巷”施工掘进最为简单。

 

 

　　文章基于胡底煤业一盘区巷道围岩大变形这一情况，结合矿井生产地质及开采条件，设计四种绕道布置方案：“斜巷+煤巷”“暗立井+平巷”“暗立井+全煤巷”和“暗立井+底板岩巷”，根据两侧工作面回采对绕道塑性区分布影响的数值模拟结果分析表明，采用方案一、二和四绕巷稳定性较好，绕巷与1104巷中至中保护煤柱宽度应不小于45 m，绕巷与北翼工作面停采线之间保护煤柱宽度不应小于200m。综合对比四种方案的围岩稳定性、施工难易程度、经济效益等因素，大巷绕巷建议采用方案一“斜巷+煤巷”布置。研究结果为胡底煤业选择合理支护方式以及保证矿井安全、高效生产具有重要理论指导意义。

 

 

　　[1]陈路.煤矿开采巷道布置及采煤工艺分析研究[J].山西化工，2023，43（1）：82-84.

 

　　[2]张旺荣.井下巷道布置和采煤工艺应用分析[J].矿业装备，2023（1）：98-99.

 

　　[3]王鑫.煤矿构造应力区巷道支护技术研究[J].江西煤炭科技，2022（1）：19-21.

 

　　[4]李海燕.综采工作面穿层回采技术研究与实践[J].煤矿现代化，2019（5）：44-47.