大斷面開切眼一次成巷技術

白新榮

(陜西澄城董東煤業有限責任公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

采煤工作面開切眼施工大多采用導洞貫通后擴巷二次成巷，該施工工藝存在：①分斷面成巷，需要對擴巷巷幫進行二次支護，工序繁瑣，工期長；②二次擴幫時對巷道頂板圍巖產生了二次撓動，造成開切眼頂板圍巖受到了二次應力的重新分布，影響圍巖穩定性；③二次擴幫需要再次組織施工，材料消耗大，效率低；④二次補強支護，增加了錨桿(索)等支護材料消耗等問題，迫切需要改進開切眼施工工藝。董東煤礦50130采區因受東西2個大斷層(落差均超過100 m)影響，巷道在開挖過程中變形嚴重，存在較大的安全隱患。對此，基于自穩隱形拱理論，對50130開切眼支護設計進行優化，采用一次成巷工藝，解決了大斷面開切眼支護難題。

1 切眼巷道地質情況

董東煤礦5#煤層直接頂為砂質泥巖，厚0.8～1.2 m，基本頂為灰色、深灰色粉砂巖，厚11.4 m，基本頂與直接頂間夾一層4#煤，厚0.1～0.3 m。5#煤層厚3.2～4.0 m，含夾矸1～2層，較穩定，夾矸為炭質泥巖，厚0.2～0.4 m。底板為粉砂巖、石英砂巖，厚0.7～1.5 m。

2 巷道頂板圍巖穩定性分析

2.1 自穩隱形拱理論

自穩隱形拱理論系統地描述了圍巖穩定性和錨桿支護體系的關系。該理論認為影響圍巖穩定的因素是那些圍巖體中存在拉應力的單元；產生塑性破壞的巖體在大多數情況下仍然視為巖體的承載主體；推斷出圍巖中有一個隱藏的穩定界面；穩定界面外部的巖體稱為絕對穩定巖體，穩定界面內至圍巖表面的巖體為咬合巖體；咬合巖體在變形離層過程中容易失穩而導致片幫冒頂；指出任何支護就只是針對咬合巖體；推導出巷道頂板內的咬合巖體與穩定巖體界面是一個橢圓曲線，這個橢圓曲線被稱為自穩隱形拱；推斷出巷道側幫的不穩定區域為一個三角形；揭示了棚式支護頂部只是支撐自穩隱形拱內的咬合巖體重量，幫部只是限制圍巖脫落位移；揭示出錨桿支護只要將咬合巖體與絕對穩定巖體連接即可起到支護作用，更好的支護效果是對咬合巖體的碎脹變形施加更大的約束；同時指出棚式支護之所以沒有錨桿支護效果好的原因是沒有足夠的垂直圍巖表面的抵抗力約束圍巖松動變形。

自穩隱形拱首先是基于圍巖具有自我穩定能力這一基本點，巷道圍巖開挖后自我尋找平衡達到穩定。穩定的程度與地質條件和工程條件相關。并認為不論圍巖如何松軟，只要是似連續介質(有裂隙但沒有肉眼可見空洞)，其即使出現片幫冒頂現象，這樣的冒落在一般情況下不會是無限的，最終必然達到相對穩定平衡。

自穩隱形拱理論認為任何地下空間粘聚性圍巖體都具有天然穩定性，自穩隱形拱理論定義的穩定界面是一個隱藏在圍巖體中的橢圓曲面。

自穩隱形拱外部巖體是絕對穩定巖體，自穩隱形拱內部巖體是咬合巖體。咬合巖體的穩定屬于平衡穩定，沒有支護情況下可能會失去平衡而脫落。支護工作是為了保持咬合巖體的平衡特性。因此，限制圍巖徑向位移變形是保持平衡穩定的關鍵。錨固支護是地下工程圍巖支護的最好方法。錨桿是徑向力學構件，治理大變形地下空間的最好辦法是采用高橫阻大變形錨桿。

根據自穩隱形拱理論，巷道頂板可以分成3個區域：自然冒落拱、自穩隱形拱、極限自穩隱形拱。支護是一定要保證錨索穿過極限自穩隱形拱達到穩定巖層，才能保證巷道穩定，如圖1所示。

圖1 自穩隱形拱區劃

2.2 自穩隱形拱方程

自穩隱形拱是巷道頂部應力單元中水平方向的拉應力為零的單元的聯線所形成的曲面，這一曲面在巷道截面上所示的曲線方程為：

(1)

式中：W0—巷道頂部寬度，m；p0—巷道頂部垂直地壓，MPa；σ2—頂板巖體的抗拉強度，MPa。

極限自穩隱形拱為

(2)

根據工作面數據，帶入上2式計算結果見表1。

表1 計算結果

3 開切眼支護參數

3.1 支護結構

根據董東煤礦開采狀況分析，50130開切眼采用桁架鋼帶錨網支護形式，矩形斷面(6 000 mm×3 000 mm)。

3.2 支護參數計算

從表1可以看出，設計錨桿要深入自穩隱形拱最大高度，其長度不符合實際。因此，需要增加錨索，尤其是增加開切眼中間部位錨索，必須超過極限自穩隱形拱。

錨索長度：lms=極限自穩隱形拱5.71+錨固段1 760+外露段300=7 770 m，考慮到施工操作和機具因素，錨索長度設計為8 300 mm。

錨桿參數：根據錨索減跨機理，減跨后的自穩隱形拱最大高度為：

因此，錨桿長度確定為2 800 mm。

根據耦合理論，錨桿的直徑計算公式為：

帶入數據計算的錨桿直徑為17.2～18.9 mm。因此選擇錨桿直徑為20 mm。

3.3 開切眼支護施工參數

錨桿：頂部錨桿采用φ20 mm×2 800 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 400 mm×800 mm。幫部錨桿采用φ20 mm×2 800 mm右旋螺紋鋼錨桿，間排距為600 mm×800 mm。割煤幫錨桿采用φ20 mm×2 800 mm玻璃鋼錨桿，間排距為600 mm×800 mm。詳見圖2、圖3。

圖2 50130開切眼支護斷面

圖3 50130開切眼頂部支護平面圖

錨桿托盤：幫部采用W托盤外加鋼托盤，W托盤300 mm×280 mm(型號WX280/4)，鋼托盤采用Q235鋼加工而成，規格150 mm×150 mm×8 mm；割煤幫托盤采用木托盤外加鋼托盤，木托盤規格為300 mm×200 mm×50 mm。

錨索：頂部錨索為5-4-5-4布置，錨索直接打在鋼帶上，錨索采用φ21.6 mm×8 300 mm鋼絞線，錨索間排距為1 400 mm×800 mm。錨索鋼帶為T140型鋼帶。

錨固劑型號：錨固劑采用MSZ23/60型樹脂藥卷錨桿，每根錨桿使用2節，每根錨索使用3節。

網片：頂部網片采用GB10號鐵絲編制的可伸縮性金屬網，網片規格900 mm×2 600 mm，網格50 mm×50 mm，封孔必聯。

4 工業性試驗

對50130開切眼支護方案實施后進行現場試驗觀測，并對巷道表面位移進行了觀測記錄，選擇具有代表性的巷道斷面進行監測數據分析如圖4所示。

圖4 礦壓監測結果

由圖4可知，50130開切眼支護方案設計合理，頂板沉降量為120 mm左右，兩幫移近量為260 mm左右，底鼓量為186 mm左右。支護方案起到了較好的支護效果，為50130切開眼的安全高效回采提供了重要保障。

5 結語

基于自穩隱形拱理論對50130開切眼支護參數和施工工藝進行研究，實測結果表明，采用桁架鋼帶支護大斷面巷道能很好地控制圍巖穩定性，施工后開切眼表面收斂量較小，滿足采煤工作面正常生產要求。采用全斷面一次成巷技術減少了工序環節，縮短了開切眼施工時間，取得了較好的經濟效益和社會效益。為類似開切眼巷道一次成巷提供了參考依據。