大斷面開切眼一次成巷技術(shù)

白新榮

(陜西澄城董東煤業(yè)有限責(zé)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(dǎo)洞貫通后擴(kuò)巷二次成巷，該施工工藝存在：①分?jǐn)嗝娉上铮枰獙U(kuò)巷巷幫進(jìn)行二次支護(hù)，工序繁瑣，工期長；②二次擴(kuò)幫時(shí)對巷道頂板圍巖產(chǎn)生了二次撓動(dòng)，造成開切眼頂板圍巖受到了二次應(yīng)力的重新分布，影響圍巖穩(wěn)定性；③二次擴(kuò)幫需要再次組織施工，材料消耗大，效率低；④二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，增加了錨桿(索)等支護(hù)材料消耗等問題，迫切需要改進(jìn)開切眼施工工藝。董東煤礦50130采區(qū)因受東西2個(gè)大斷層(落差均超過100 m)影響，巷道在開挖過程中變形嚴(yán)重，存在較大的安全隱患。對此，基于自穩(wěn)隱形拱理論，對50130開切眼支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用一次成巷工藝，解決了大斷面開切眼支護(hù)難題。

1 切眼巷道地質(zhì)情況

董東煤礦5#煤層直接頂為砂質(zhì)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(wěn)定，夾矸為炭質(zhì)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(wěn)定性分析

2.1 自穩(wěn)隱形拱理論

自穩(wěn)隱形拱理論系統(tǒng)地描述了圍巖穩(wěn)定性和錨桿支護(hù)體系的關(guān)系。該理論認(rèn)為影響圍巖穩(wěn)定的因素是那些圍巖體中存在拉應(yīng)力的單元；產(chǎn)生塑性破壞的巖體在大多數(shù)情況下仍然視為巖體的承載主體；推斷出圍巖中有一個(gè)隱藏的穩(wěn)定界面；穩(wěn)定界面外部的巖體稱為絕對穩(wěn)定巖體，穩(wěn)定界面內(nèi)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(wěn)而導(dǎo)致片幫冒頂；指出任何支護(hù)就只是針對咬合巖體；推導(dǎo)出巷道頂板內(nèi)的咬合巖體與穩(wěn)定巖體界面是一個(gè)橢圓曲線，這個(gè)橢圓曲線被稱為自穩(wěn)隱形拱；推斷出巷道側(cè)幫的不穩(wěn)定區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)三角形；揭示了棚式支護(hù)頂部只是支撐自穩(wěn)隱形拱內(nèi)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(hù)只要將咬合巖體與絕對穩(wěn)定巖體連接即可起到支護(hù)作用，更好的支護(hù)效果是對咬合巖體的碎脹變形施加更大的約束；同時(shí)指出棚式支護(hù)之所以沒有錨桿支護(hù)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(dòng)變形。

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

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

自穩(wěn)隱形拱外部巖體是絕對穩(wěn)定巖體，自穩(wěn)隱形拱內(nèi)部巖體是咬合巖體。咬合巖體的穩(wěn)定屬于平衡穩(wěn)定，沒有支護(hù)情況下可能會(huì)失去平衡而脫落。支護(hù)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(wěn)定的關(guān)鍵。錨固支護(hù)是地下工程圍巖支護(hù)的最好方法。錨桿是徑向力學(xué)構(gòu)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(jù)自穩(wěn)隱形拱理論，巷道頂板可以分成3個(gè)區(qū)域：自然冒落拱、自穩(wěn)隱形拱、極限自穩(wěn)隱形拱。支護(hù)是一定要保證錨索穿過極限自穩(wěn)隱形拱達(dá)到穩(wěn)定巖層，才能保證巷道穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 自穩(wěn)隱形拱區(qū)劃

2.2 自穩(wěn)隱形拱方程

自穩(wěn)隱形拱是巷道頂部應(yīng)力單元中水平方向的拉應(yīng)力為零的單元的聯(lián)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(qiáng)度，MPa。

極限自穩(wěn)隱形拱為

(2)

根據(jù)工作面數(shù)據(jù)，帶入上2式計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算結(jié)果

3 開切眼支護(hù)參數(shù)

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)

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

3.2 支護(hù)參數(shù)計(jì)算

從表1可以看出，設(shè)計(jì)錨桿要深入自穩(wěn)隱形拱最大高度，其長度不符合實(shí)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(wěn)隱形拱。

錨索長度：lms=極限自穩(wěn)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(jī)具因素，錨索長度設(shè)計(jì)為8 300 mm。

錨桿參數(shù)：根據(jù)錨索減跨機(jī)理，減跨后的自穩(wěn)隱形拱最大高度為：

因此，錨桿長度確定為2 800 mm。

根據(jù)耦合理論，錨桿的直徑計(jì)算公式為：

帶入數(shù)據(jù)計(jì)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(hù)施工參數(shù)

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(hù)斷面

圖3 50130開切眼頂部支護(hù)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(hào)WX280/4)，鋼托盤采用Q235鋼加工而成，規(guī)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(guī)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(hào)：錨固劑采用MSZ23/60型樹脂藥卷錨桿，每根錨桿使用2節(jié)，每根錨索使用3節(jié)。

網(wǎng)片：頂部網(wǎng)片采用GB10號(hào)鐵絲編制的可伸縮性金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格900 mm×2 600 mm，網(wǎng)格50 mm×50 mm，封孔必聯(lián)。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

對50130開切眼支護(hù)方案實(shí)施后進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)觀測，并對巷道表面位移進(jìn)行了觀測記錄，選擇具有代表性的巷道斷面進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

圖4 礦壓監(jiān)測結(jié)果

由圖4可知，50130開切眼支護(hù)方案設(shè)計(jì)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(hù)方案起到了較好的支護(hù)效果，為50130切開眼的安全高效回采提供了重要保障。

5 結(jié)語

基于自穩(wěn)隱形拱理論對50130開切眼支護(hù)參數(shù)和施工工藝進(jìn)行研究，實(shí)測結(jié)果表明，采用桁架鋼帶支護(hù)大斷面巷道能很好地控制圍巖穩(wěn)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(chǎn)要求。采用全斷面一次成巷技術(shù)減少了工序環(huán)節(jié)，縮短了開切眼施工時(shí)間，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為類似開切眼巷道一次成巷提供了參考依據(jù)。