白新荣

(陕西澄城董东煤业有限责任公司，陕西 渭南 715200)

0 引言

采煤工作面开切眼施工大多采用导洞贯通后扩巷二次成巷，该施工工艺存在：①分断面成巷，需要对扩巷巷帮进行二次支护，工序繁琐，工期长；②二次扩帮时对巷道顶板围岩产生了二次挠动，造成开切眼顶板围岩受到了二次应力的重新分布，影响围岩稳定性；③二次扩帮需要再次组织施工，材料消耗大，效率低；④二次补强支护，增加了锚杆(索)等支护材料消耗等问题，迫切需要改进开切眼施工工艺。董东煤矿50130采区因受东西2个大断层(落差均超过100 m)影响，巷道在开挖过程中变形严重，存在较大的安全隐患。对此，基于自稳隐形拱理论，对50130开切眼支护设计进行优化，采用一次成巷工艺，解决了大断面开切眼支护难题。

1 切眼巷道地质情况

董东煤矿5#煤层直接顶为砂质泥岩，厚0.8～1.2 m，基本顶为灰色、深灰色粉砂岩，厚11.4 m，基本顶与直接顶间夹一层4#煤，厚0.1～0.3 m。5#煤层厚3.2～4.0 m，含夹矸1～2层，较稳定，夹矸为炭质泥岩，厚0.2～0.4 m。底板为粉砂岩、石英砂岩，厚0.7～1.5 m。

2 巷道顶板围岩稳定性分析

2.1 自稳隐形拱理论

自稳隐形拱理论系统地描述了围岩稳定性和锚杆支护体系的关系。该理论认为影响围岩稳定的因素是那些围岩体中存在拉应力的单元；产生塑性破坏的岩体在大多数情况下仍然视为岩体的承载主体；推断出围岩中有一个隐藏的稳定界面；稳定界面外部的岩体称为绝对稳定岩体，稳定界面内至围岩表面的岩体为咬合岩体；咬合岩体在变形离层过程中容易失稳而导致片帮冒顶；指出任何支护就只是针对咬合岩体；推导出巷道顶板内的咬合岩体与稳定岩体界面是一个椭圆曲线，这个椭圆曲线被称为自稳隐形拱；推断出巷道侧帮的不稳定区域为一个三角形；揭示了棚式支护顶部只是支撑自稳隐形拱内的咬合岩体重量，帮部只是限制围岩脱落位移；揭示出锚杆支护只要将咬合岩体与绝对稳定岩体连接即可起到支护作用，更好的支护效果是对咬合岩体的碎胀变形施加更大的约束；同时指出棚式支护之所以没有锚杆支护效果好的原因是没有足够的垂直围岩表面的抵抗力约束围岩松动变形。

自稳隐形拱首先是基于围岩具有自我稳定能力这一基本点，巷道围岩开挖后自我寻找平衡达到稳定。稳定的程度与地质条件和工程条件相关。并认为不论围岩如何松软，只要是似连续介质(有裂隙但没有肉眼可见空洞)，其即使出现片帮冒顶现象，这样的冒落在一般情况下不会是无限的，最终必然达到相对稳定平衡。

自稳隐形拱理论认为任何地下空间粘聚性围岩体都具有天然稳定性，自稳隐形拱理论定义的稳定界面是一个隐藏在围岩体中的椭圆曲面。

自稳隐形拱外部岩体是绝对稳定岩体，自稳隐形拱内部岩体是咬合岩体。咬合岩体的稳定属于平衡稳定，没有支护情况下可能会失去平衡而脱落。支护工作是为了保持咬合岩体的平衡特性。因此，限制围岩径向位移变形是保持平衡稳定的关键。锚固支护是地下工程围岩支护的最好方法。锚杆是径向力学构件，治理大变形地下空间的最好办法是采用高横阻大变形锚杆。

根据自稳隐形拱理论，巷道顶板可以分成3个区域：自然冒落拱、自稳隐形拱、极限自稳隐形拱。支护是一定要保证锚索穿过极限自稳隐形拱达到稳定岩层，才能保证巷道稳定，如图1所示。

图1 自稳隐形拱区划

2.2 自稳隐形拱方程

自稳隐形拱是巷道顶部应力单元中水平方向的拉应力为零的单元的联线所形成的曲面，这一曲面在巷道截面上所示的曲线方程为：

(1)

式中：W0—巷道顶部宽度，m；p0—巷道顶部垂直地压，MPa；σ2—顶板岩体的抗拉强度，MPa。

极限自稳隐形拱为

(2)

根据工作面数据，带入上2式计算结果见表1。

表1 计算结果

3 开切眼支护参数

3.1 支护结构

根据董东煤矿开采状况分析，50130开切眼采用桁架钢带锚网支护形式，矩形断面(6 000 mm×3 000 mm)。

3.2 支护参数计算

从表1可以看出，设计锚杆要深入自稳隐形拱最大高度，其长度不符合实际。因此，需要增加锚索，尤其是增加开切眼中间部位锚索，必须超过极限自稳隐形拱。

锚索长度：lms=极限自稳隐形拱5.71+锚固段1 760+外露段300=7 770 m，考虑到施工操作和机具因素，锚索长度设计为8 300 mm。

锚杆参数：根据锚索减跨机理，减跨后的自稳隐形拱最大高度为：

因此，锚杆长度确定为2 800 mm。

根据耦合理论，锚杆的直径计算公式为：

带入数据计算的锚杆直径为17.2～18.9 mm。因此选择锚杆直径为20 mm。

3.3 开切眼支护施工参数

锚杆：顶部锚杆采用φ20 mm×2 800 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 400 mm×800 mm。帮部锚杆采用φ20 mm×2 800 mm右旋螺纹钢锚杆，间排距为600 mm×800 mm。割煤帮锚杆采用φ20 mm×2 800 mm玻璃钢锚杆，间排距为600 mm×800 mm。详见图2、图3。

图2 50130开切眼支护断面

图3 50130开切眼顶部支护平面图

锚杆托盘：帮部采用W托盘外加钢托盘，W托盘300 mm×280 mm(型号WX280/4)，钢托盘采用Q235钢加工而成，规格150 mm×150 mm×8 mm；割煤帮托盘采用木托盘外加钢托盘，木托盘规格为300 mm×200 mm×50 mm。

锚索：顶部锚索为5-4-5-4布置，锚索直接打在钢带上，锚索采用φ21.6 mm×8 300 mm钢绞线，锚索间排距为1 400 mm×800 mm。锚索钢带为T140型钢带。

锚固剂型号：锚固剂采用MSZ23/60型树脂药卷锚杆，每根锚杆使用2节，每根锚索使用3节。

网片：顶部网片采用GB10号铁丝编制的可伸缩性金属网，网片规格900 mm×2 600 mm，网格50 mm×50 mm，封孔必联。

4 工业性试验

对50130开切眼支护方案实施后进行现场试验观测，并对巷道表面位移进行了观测记录，选择具有代表性的巷道断面进行监测数据分析如图4所示。

图4 矿压监测结果

由图4可知，50130开切眼支护方案设计合理，顶板沉降量为120 mm左右，两帮移近量为260 mm左右，底鼓量为186 mm左右。支护方案起到了较好的支护效果，为50130切开眼的安全高效回采提供了重要保障。

5 结语

基于自稳隐形拱理论对50130开切眼支护参数和施工工艺进行研究，实测结果表明，采用桁架钢带支护大断面巷道能很好地控制围岩稳定性，施工后开切眼表面收敛量较小，满足采煤工作面正常生产要求。采用全断面一次成巷技术减少了工序环节，缩短了开切眼施工时间，取得了较好的经济效益和社会效益。为类似开切眼巷道一次成巷提供了参考依据。