采矿工程大断面切眼支护参数优化设计探讨

摘要：在当今煤矿开采领域，随着开采深度与规模的持续拓展，大断面切眼的运用愈发关键。其支护参数的优劣直接关联到开采作业的安全性、效率以及经济效益。本文聚焦于采矿工程大断面切眼支护参数优化这一核心议题，详细解析大断面切眼的受力特性、变形破坏成因，深度剖析现有支护手段存在的症结，进而提出科学严谨的优化准则、实用多元的方法以及切实可行的具体举措，力求为采矿实践筑牢技术根基，助力煤矿开采事业稳健前行。

关键词：采矿工程；大断面切眼；支护参数；优化设计；探讨

1.大断面切眼受力特点剖析

（1）原岩应力重分布：矿井开采深度递增促使原岩应力显著升高，大断面切眼形成瞬间，周边围岩应力场紊乱重组。以千米深井为例，垂直应力常突破 25MPa，水平应力亦可达 15MPa 左右，如此高强度应力集中于切眼周边，使得围岩从初始的稳定状态迅速向不稳定过渡，岩石内部裂隙萌生、扩展，为后续变形破坏埋下伏笔。（2）采动附加应力冲击：工作面回采进程中，上覆岩层动态垮落引发采动附加应力，周期性作用于大断面切眼。每当工作面推进一定步距，岩层垮落传递的冲击荷载如汹涌浪潮拍击切眼，加剧围岩应力波动，致使围岩疲劳损伤累积，大幅削弱围岩自身承载潜能，严重威胁切眼长期稳定性。

2.大断面切眼变形破坏机制探究

（1）顶板垮塌隐患：顶板岩层在多重应力胁迫下，抗弯刚度难以抗衡，首先呈现下沉态势。伴随下沉幅度递增，岩层内部节理、裂隙纵横交错，逐渐贯通形成破碎带。尤其当顶板岩性软弱，像富含黏土矿物的泥质砂岩，遇水软化后强度锐减，顶板垮落风险呈指数级攀升，一旦失控，将引发灾难性冒顶事故，阻断开采流程。（2）两帮收敛变形：两帮围岩受水平应力强势挤压，如置身于巨型夹钳之中，向切眼内部挤出位移。同时，开挖造成的围岩卸荷效应，令岩体内原生微裂隙苏醒扩张，在持续高应力打磨下，片帮现象频发。两帮收敛不仅蚕食巷道有效断面，阻碍通风、运输等关键作业，更破坏顶板侧向支撑体系，间接催化顶板垮塌进程。

3.现有支护技术的短板

（1）锚杆支护局限性：锚杆支护虽广泛普及，却在复杂地质条件下暴露出诸多不足。一方面，在软弱破碎围岩区段，锚杆锚固根基不稳，锚固力常难达标，围岩变形如脱缰野马难以驯服；另一方面，部分矿井锚杆布局随意，间距疏密不当、排距失调，无法构建稳固支护网络，局部围岩沦为支护薄弱区，变形破坏时有发生。（2）锚索支护困境：锚索支护凭借深部锚固优势曾备受青睐，然而实践中问题频出。其一，锚索预应力随时间衰减严重，受围岩流变、支护结构协同影响，初始预应力如漏气气球般快速流失，削弱支护刚性；其二，锚索施工精度要求严苛，现场钻孔角度偏差、锚固剂填灌瑕疵等人为失误屡见不鲜，导致锚索实际承载能力大打折扣，支护效果大打折扣。（3）架棚支护弊端：架棚支护以高强度、强适应性在特定场景暂有立足之地，但其固有缺陷不容忽视。一是架棚器材笨重，井下组装、挪移需耗费大量人力、物力，狭小空间作业更是举步维艰，拖慢施工节奏；二是其被动受力特性滞后，只有待围岩变形至一定程度才启动支撑，难以及时遏制围岩前期变形，不利于切眼早期围岩稳定维护。

4.支护参数优化遵循原则

（1）安全至上准则：保障大断面切眼全生命周期安全稳固是一切优化的出发点与落脚点。设计时，务必将高地应力峰值、采动冲击极值、围岩最劣地质条件等纳入考量，预留充足安全冗余，精心打造坚不可摧的支护屏障，为井下人员、设备构筑安心作业港湾。（2）经济合理导向：在坚守安全底线前提下，追求支护成本效益最大化。精准核算锚杆、锚索等耗材用量与规格，杜绝材料浪费；结合矿井开采规划，权衡短期投入与长期效益，优选性价比超群的支护方案，让每一分投入都转化为开采效益增长极。（3）地质适配要求：采矿地质条件变幻莫测，不同区域围岩特性、应力状态、构造特征大相径庭。支护参数优化须具备灵动应变能力，依据实地勘察精准诊断，如遇软岩富水区强化防水抗渗与高强支护，在稳定围岩段适度精简，确保支护方案与地质环境无缝对接。

5.支护参数优化方法

5.1理论计算法

依据岩石力学相关理论，如弹性力学、塑性力学等，对大断面切眼围岩的应力、应变分布进行计算。通过建立力学模型，考虑地应力、围岩力学参数、切眼断面尺寸等因素，求解围岩的变形量、支护结构的受力情况，进而确定合理的锚杆长度、间距、锚索预应力等支护参数。例如，运用数值模拟软件，基于有限元或离散元方法，模拟切眼开挖与支护过程，分析不同支护方案下围岩的力学行为，为参数优化提供理论依据。

5.2现场监测法

在大断面切眼施工过程中，布置各类监测仪器，如顶板离层仪、围岩表面位移计、锚杆锚索测力计等，实时监测围岩的变形、支护结构的受力状态。根据监测数据，及时掌握切眼围岩的动态变化，分析现有支护参数的合理性。若发现围岩变形过大或支护结构受力异常，立即调整支护参数，实现支护参数的动态优化。例如，当监测到顶板下沉速度加快时，可适当加密锚杆、锚索，增加支护强度，抑制顶板进一步下沉。

5.3工程类比法

参考同类型地质条件、相似开采工艺下已成功支护的大断面切眼案例，借鉴其支护经验与参数。收集大量工程实例资料，对比分析各案例的围岩特性、支护方案、施工效果等，选取与待设计切眼相近的案例作为参考，初步确定支护参数范围，再结合本矿井实际情况进行适当调整。这种方法简单易行，能在一定程度上减少设计的盲目性，但需要丰富的工程案例积累与准确的类比判断。

6.支护参数优化落地举措

6.1锚杆支护参数精益化

（1）精准定制锚杆长度：综合考量围岩松动圈实测半径、锚固段力学要求、潜在破裂面延展深度等要素确定锚杆长度。在深部高应力、破碎围岩环境，锚杆应穿透松动圈核心，锚固于深部坚岩，长度宜锁定 2.2 - 3.0 米；围岩条件良好区域，适度缩短但确保不低于 1.6 米，保障悬吊、组合梁效能充分释放。（2）精细调校锚杆间距与排距：基于理论推导与现场试验反复验证，优化锚杆平面布局。在围岩破碎、应力畸变区，加密锚杆分布，间距严控在 0.7 - 0.9 米，排距 0.9 - 1.1 米；稳定围岩地段，合理疏朗，间距 0.9 - 1.1 米，排距 1.1 - 1.3 米，促就锚杆群协同发力，编织紧密支护网络。

6.2锚索支护参数精细化

（1）精准调控锚索预应力：依据围岩刚度、地应力强度、切眼跨度关键指标，精细设定锚索预应力。深部开采、高应力聚焦区，预应力抬升至 120 - 160kN，强力约束深部岩体位移；浅部开采或围岩稳态区，预应力适配在 60 - 100kN，防止过强预应力诱发围岩次生破坏。（2）精巧优化锚索长度与角度：锚索长度依循锚杆支护成效、围岩松动圈深度、深部稳定岩体界面综合厘定，较对应锚杆长 1.2 - 1.6 米，确保锚索根植入深部岩体；锚索安装角度精准垂直岩层层面，遇倾斜岩层依倾角动态调整，保障锚索抗剪、抗拉性能极致发挥。

6.3联合支护参数协同化

（1）锚杆锚索强强联合：统筹规划锚杆、锚索数量、点位与力学参数，构建紧密协同的联合支护架构。在顶板应力核心区，如顶板中部、肩角关键节点，优先部署锚索，深扎锚固根基；锚杆均匀穿插其间，共担围岩荷载。如在大断面切眼顶板，每 2.5 - 3.5 米精准植入一根锚索，锚杆间距 0.9 米，二者携手强化顶板整体刚度。（2）多元支护融合互补：因地制宜融合锚杆、锚索与喷浆、架棚等支护形式。围岩破碎易风化区，锚喷一体，喷射混凝土封闭围岩，协同锚杆、锚索构筑复合防护；顶板垮落高危区，在锚杆、锚索根基上，适时引入架棚支护应急抢险，多重保障切眼长治久安。

结论

采矿工程大断面切眼支护参数优化设计是一场跨学科、系统性的技术攻坚，涵盖岩石力学、采矿工艺、材料工程多领域知识融合。透过深度剖析受力特性、变形机制，直面现有支护短板，严守安全、经济、适配原则，综合运用理论计算、现场监测、工程类比等方法，对锚杆、锚索等支护参数进行精细化优化，并合理采用联合支护方式，能够有效提高大断面切眼的支护效果，保障煤矿开采作业的安全、高效进行。

参考文献

[1] 张松军，徐向鹏.煤矿切眼大断面掘进一次成巷支护技术实践[J].中国煤炭工业，2016，（06）：58-60.

[2] 李中超，田奇伟.大断面切眼一次成巷联合支护技术的应用[J].中州煤炭，2015，（11）：78-81.