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摘要：本文提出了煤矿双连巷的设计方法及施工方法。双连巷的设计关键在于中隔墙、顶板锚索设计，中隔墙设计方法将顶部岩层看作岩梁，岩梁与两端煤体及中隔墙看作支点，形成两端铰接中间带支座的梁，以《公路隧道设计规范》计算顶部荷载、以结构力学计算中隔墙受力，根据受力确定墙体厚度。锚索设计方法分别取双巷宽度和单巷宽度计算冒落高度，取双巷宽度和单巷宽度计算下的冒落高度平均值确定锚索参数。本文还介绍了双连巷的施工方法，即按宽巷掘进、贴帮浇墙、沿墙掘巷的顺序进行。
关键词：双连巷；设计方法；施工方法
0 前言
伴随中西部煤矿的发展，国家实施西部大开发战略以来，发展机械化、自动化生产工艺，实行集约化、集中化大生产的方式，已经成为煤炭工业企业追求和探索的方向和目标。因此涌现出大批现代化高产高效的矿井。其特点就是矿井井型大型化、开拓布置单一化、煤炭生产集中化、回采工艺简单化、设备配套选型合理化、工作面搬迁迅捷化、巷道掘进快速化。而适应高产高效矿井发展的模式，为了满足通风要求、煤炭、辅助材料的运输要求，现有许多矿井的巷道布置已经由传统的两巷、三巷布置变成了四巷、五巷、六巷的布置形式，存在永久巷道的保护煤柱加大，巷道开拓工程量增大，工程费用增加，施工工期的加長等一系列的缺陷。针对上述问题，借鉴隧道工程中的双连拱隧道，中煤能源研究院提出了煤矿双连巷结构，并已获得专利授权。本文对双连巷设计方法与施工方法进行探讨。
1 双连巷定义及结构
双连巷定义：将两不同或相同功能的巷道组合成中间有中隔墙的m形超大断面巷道，叫作雙连巷。双连巷结构如下图1所示。双连巷解决了巷道布置中出现的四巷、五巷、六巷的形式，使得巷道布置缩减至两巷或者三巷的布置形式，减少了开拓巷道布置所带来的煤柱损失，减少了巷道间联络巷的工程量，提高了资源的回收率，提高了巷道断面的有效利用率。
2 煤矿双连巷设计方法
双连巷目前未有现成的设计方法，本文依据《公路隧道设计规范》以及沿空留巷经验提出了双连巷设计方法。双连巷结构的支护主体是中隔墙，中隔墙在施工中接顶效果对支护结构的安全性有重大影响，由于煤矿快速掘进的原因，考虑到施工质量，依据经验，部分墙体并不能完全接顶，不接顶高度一般在50mm以内，倘若采用辅助措施，如顶部补注膨胀材料，也可以实现完全接顶，但是增加了工艺与成本。依据经验，沿空留巷顶板靠采空区侧下沉量在100～200mm时，沿空巷道顶板靠煤壁侧不会发生切断现象，而且巷道也能完整保留，因此，重点在于研究12米大跨度双连巷在（柔性）锚索支护下，巷中下沉50mm后被中隔墙强力支护的设计方法问题。
2.1中隔墙设计方法及受力计算
中隔墙是双连巷的人工支护主体，如果将大跨度顶板岩层看作桥梁，中隔墙则相当于桥墩，桥墩的支护强度与质量关系到桥梁的结构安全，所以中隔墙在双连巷结构中非常重要，下面分析双连巷的中隔墙受力。为了简化计算，将中隔墙、顶层岩梁、两侧煤壁的力学模型简化如下：
根据结构力学，可得出中隔墙所受的力的大小：
顶部岩梁受的荷载按隧道中压力计算公式计算，围岩级别取四级，1#和2#巷道宽度分别为5.5m，中隔墙厚1.0m，则顶板岩梁的均布荷载为：
则中隔墙承受的力为：
若按五级围岩考虑，中隔墙受力提高一倍，为2800kN/m，可见，双连巷的中隔墙所受压力并不大。
按混凝土强度C30考虑，当厚度为0.5m时，承载设计能力为15MPa×0.5m2=7500kN，考虑长细比后折减系数，长细比按8倍考虑，则系数为0.91，即承载能力为：7500×0.91=6825kN，五级围岩安全系数为2.4倍，四级围岩为4.8倍。墙体厚度按0.5m考虑就可以满足支护要求。
2.2锚索（杆）支护设计方法
由于双连巷跨度大，达到11-12米，锚索（杆）支护设计时，按最不利情况进行设计，最不利情况就是中隔墙没有完全接顶，离顶高度为50mm，在此情况下设计锚索（锚杆）。
1）锚索延伸量与顶板沉降量匹配关系
锚索的延伸率与其弹性模量及受的拉力有关，锚索的弹性模量为200GPA，弹性条件下，锚索极限延展率如下：
即弹性条件下，锚索伸长量可达58mm，在屈服条件下，锚索拉断延伸率不小于3.5%，当锚索长度为9m，锚固端2.0m时，锚索延长量可达6.6m×3.5%=231mm。依据沿空留巷的情况，留巷内采用φ21.6×8300mm的锚索支护，采空区侧顶板下沉100～200mm时，锚索未发生拉断情况，显然，双连巷的顶板下沉量及顶板压力小于沿空留巷内的压力，可见，普通锚索弹性极限延伸量完全能够满足大跨度双连巷顶板下沉50mm的要求。
2）锚索支护参数设计方法及力学模型
根据上述情况可知，锚索设计既不能按12m大跨度的设计方法设计，也不能按墙体浇筑完全接顶时分成两个5.5m跨度的单巷进行设计，需要调和介于12m大跨度和5.5m跨度的非大跨度巷道也非正常跨度巷道的设计方法。这种方法可以引入沿空留巷设计方法，但荷载则取冒落高度范围内的岩石重量，锚索长度大于大跨度冒落高度，力学模型如下：
顶部岩梁在下沉过程中，水平方向产生了侧向力，侧向力按垂直压力的系数取，以O点为旋转点，则根据力矩平衡，可得：
按中隔墙不接顶，有50mm距离考虑，冒落高度按单巷冒落高度与双巷冒落高度的中间值计算。两者冒落高度都按《公路隧道设计规范》计算，按四级围岩考虑。则，双巷冒落高度为：
落高度为：4.86m。双连巷冒落高度取两者冒落中间值为：4.86+（7.02-4.86）/2=5.94m。锚索承受的拉力为：
带入数据，得出，锚索一排3根，排距1m，锚索承受的拉力为342KN；锚索一排4根，排距1m，锚索承受的拉力为241KN。锚索数目的校核，应满足： 一排3根φ21.6×8300mm锚索，锚固段长度取2m，外露0.3m，锚索总长取8.3m，排距1m，安全系数基本满足要求。锚杆采用螺纹钢锚杆，规格直径φ20×2100mm，间排距1×1m，在锚索间打设，一排6～7根。支护参数如下图4所示。
2.3双巷连通口支护分析
双连巷中隔墙每隔一端距离设置一个连通口，相当于煤柱中的连巷。连通口的顶板裸露面积为12m×5m=60m2，面积大，为此，需在连巷口处加强支护。采用双梁+锚索的方式加固，如图5所示，双梁两端端在两侧的墙体上，双梁中间连接板通过锚索再吊挂在顶上，减少双梁所受弯矩，提高双梁支护强度。双梁两端搭接长度500mm。
根据上述所知，若按五级围岩考虑，中隔墙受力提高一倍，为2800KN，即墙体所受应力为2800KN/0.5m2=5.6MPA，由于连通口的存在，在连通口两侧的墙体上产生应力集中效应，如图6所示，应力集中范圍取1.5m，则5m宽的荷载分摊到3m的墙体上，分布趋势是连通口两端墙体应力最大，往两侧延伸下降至稳定值，则根据荷载等效，可求出峰值应力。
连通口处两端墙体所承受的应力为：
墙体厚度为0.5m时，设计荷载超过了设计支护强度，需要提高厚度。为了提高连通口处支护强度及墙体安全系数，将连续墙的厚度由0.5m提高到0.8m，此时墙体所承受的峰值应力为：
2804KN/0.8m2+18.7MPa5/0.8=15.2MPa，
15.2MPA≈15MPA，由于C30混凝土极限强度可达30MPA，按隧道设计规范，安全系数已经为2了，0.8m厚可以满足要求。即连通口两侧墙体厚度0.8m，长度各取5m。连通口处墙体依然是支护主体，墙体满足要求后，连通口宽度5.0m内的锚索设计可以按5.0m宽巷道支护强度要求考虑计算。
3煤矿双连巷施工方法
1#巷道正常掘进，掘进宽度要考虑到墙体厚度，即在原巷宽度的基础上增加墙体厚度，如原巷5.5m，墙体厚度0.5m，则需掘进6.0m宽。前方掘进，滞后迎头30～100m贴帮浇筑一道混凝土墙，每隔300m在浇筑墙体一侧开挖调车硐室（同时部分作为混凝土泵站料场）。1#断面巷道掘进时，2#巷道滞后1#巷道300～500m沿墙掘进巷道，此时，墙体强度已可以达到设计强度，而且，墙体没接顶部分在顶板下沉中实现了接顶，为后续沿墙掘进创造了支护条件。双连巷施工基本步骤如下图7所示。
施工设备主要分掘进设备和混凝土施工设备。具体设备见下表2。
掘进人员按正常掘进时配备，增加了筑墙人员。筑墙人员包括支模工5人、设备司机4人、混凝土浇筑工4人、运输工4人，合计17人。按日推进20m考虑，墙体厚度0.5m，高度3.3m，则日用混凝土33m?，一辆无轨胶轮车运输2.5m?，需要14趟，4辆车，每车一个小班跑4趟。运料在夜班实施，支模也在夜班实施，浇筑在检修班作业。实行“三八”制作业。
4 结论
（1）双连巷可应用范围：主运输巷与辅助运输巷组合，主运输巷之间组合，辅助运输巷之间组合，回风巷之间的组合，应用于矿压不明显、顶板中等稳定的岩层。断面可以为圆弧拱、矩形、马蹄形等斷面形式。
（2）本文提出了设计方法和计算方法。双连巷设计主要包含墙体设计、锚索（杆）设计、连通口支护设计等。双连巷顶板加强锚索支护后，伸长量可匹配巷道顶板下沉量，必须保证中隔墙接顶效果。中隔墙正常段厚度0.5m可满足要求，连通口处0.8m厚满足要求。
（3）宽巷掘进→贴帮浇墙→沿墙掘巷的施工工序可行，能够满足工艺及支护要求。
参考文献
[1] 陈炎光，陆士亮. 中国煤矿巷道围岩控制[ M] .徐州：中国矿业大学出版社，1994
[2] 重庆交通科研设计院. 公路隧道设计规范JTGD70-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3] 杨永康，康天合，柴肇云，李义宝. 8.5m大断面开切眼支护设计及其稳定性三维数值模拟[J]. 太原理工大学学报，2008，（S1）：105-108.
[4] 岳太刚，高飞鹏，马立强. 大倾角超长综采工作面开切眼施工方法[J]. 能源技术与管理，2011，（01）：7-9.
作者资料：
吴玉意（ 1982-） ，男，河南新县人，毕业于西安科技大学，工程师，硕士，从事采矿技术方面的研究工作。
关键词：双连巷；设计方法；施工方法
0 前言
伴随中西部煤矿的发展，国家实施西部大开发战略以来，发展机械化、自动化生产工艺，实行集约化、集中化大生产的方式，已经成为煤炭工业企业追求和探索的方向和目标。因此涌现出大批现代化高产高效的矿井。其特点就是矿井井型大型化、开拓布置单一化、煤炭生产集中化、回采工艺简单化、设备配套选型合理化、工作面搬迁迅捷化、巷道掘进快速化。而适应高产高效矿井发展的模式，为了满足通风要求、煤炭、辅助材料的运输要求，现有许多矿井的巷道布置已经由传统的两巷、三巷布置变成了四巷、五巷、六巷的布置形式，存在永久巷道的保护煤柱加大，巷道开拓工程量增大，工程费用增加，施工工期的加長等一系列的缺陷。针对上述问题，借鉴隧道工程中的双连拱隧道，中煤能源研究院提出了煤矿双连巷结构，并已获得专利授权。本文对双连巷设计方法与施工方法进行探讨。
1 双连巷定义及结构
双连巷定义：将两不同或相同功能的巷道组合成中间有中隔墙的m形超大断面巷道，叫作雙连巷。双连巷结构如下图1所示。双连巷解决了巷道布置中出现的四巷、五巷、六巷的形式，使得巷道布置缩减至两巷或者三巷的布置形式，减少了开拓巷道布置所带来的煤柱损失，减少了巷道间联络巷的工程量，提高了资源的回收率，提高了巷道断面的有效利用率。
2 煤矿双连巷设计方法
双连巷目前未有现成的设计方法，本文依据《公路隧道设计规范》以及沿空留巷经验提出了双连巷设计方法。双连巷结构的支护主体是中隔墙，中隔墙在施工中接顶效果对支护结构的安全性有重大影响，由于煤矿快速掘进的原因，考虑到施工质量，依据经验，部分墙体并不能完全接顶，不接顶高度一般在50mm以内，倘若采用辅助措施，如顶部补注膨胀材料，也可以实现完全接顶，但是增加了工艺与成本。依据经验，沿空留巷顶板靠采空区侧下沉量在100～200mm时，沿空巷道顶板靠煤壁侧不会发生切断现象，而且巷道也能完整保留，因此，重点在于研究12米大跨度双连巷在（柔性）锚索支护下，巷中下沉50mm后被中隔墙强力支护的设计方法问题。
2.1中隔墙设计方法及受力计算
中隔墙是双连巷的人工支护主体，如果将大跨度顶板岩层看作桥梁，中隔墙则相当于桥墩，桥墩的支护强度与质量关系到桥梁的结构安全，所以中隔墙在双连巷结构中非常重要，下面分析双连巷的中隔墙受力。为了简化计算，将中隔墙、顶层岩梁、两侧煤壁的力学模型简化如下：
根据结构力学，可得出中隔墙所受的力的大小：
顶部岩梁受的荷载按隧道中压力计算公式计算，围岩级别取四级，1#和2#巷道宽度分别为5.5m，中隔墙厚1.0m，则顶板岩梁的均布荷载为：
则中隔墙承受的力为：
若按五级围岩考虑，中隔墙受力提高一倍，为2800kN/m，可见，双连巷的中隔墙所受压力并不大。
按混凝土强度C30考虑，当厚度为0.5m时，承载设计能力为15MPa×0.5m2=7500kN，考虑长细比后折减系数，长细比按8倍考虑，则系数为0.91，即承载能力为：7500×0.91=6825kN，五级围岩安全系数为2.4倍，四级围岩为4.8倍。墙体厚度按0.5m考虑就可以满足支护要求。
2.2锚索（杆）支护设计方法
由于双连巷跨度大，达到11-12米，锚索（杆）支护设计时，按最不利情况进行设计，最不利情况就是中隔墙没有完全接顶，离顶高度为50mm，在此情况下设计锚索（锚杆）。
1）锚索延伸量与顶板沉降量匹配关系
锚索的延伸率与其弹性模量及受的拉力有关，锚索的弹性模量为200GPA，弹性条件下，锚索极限延展率如下：
即弹性条件下，锚索伸长量可达58mm，在屈服条件下，锚索拉断延伸率不小于3.5%，当锚索长度为9m，锚固端2.0m时，锚索延长量可达6.6m×3.5%=231mm。依据沿空留巷的情况，留巷内采用φ21.6×8300mm的锚索支护，采空区侧顶板下沉100～200mm时，锚索未发生拉断情况，显然，双连巷的顶板下沉量及顶板压力小于沿空留巷内的压力，可见，普通锚索弹性极限延伸量完全能够满足大跨度双连巷顶板下沉50mm的要求。
2）锚索支护参数设计方法及力学模型
根据上述情况可知，锚索设计既不能按12m大跨度的设计方法设计，也不能按墙体浇筑完全接顶时分成两个5.5m跨度的单巷进行设计，需要调和介于12m大跨度和5.5m跨度的非大跨度巷道也非正常跨度巷道的设计方法。这种方法可以引入沿空留巷设计方法，但荷载则取冒落高度范围内的岩石重量，锚索长度大于大跨度冒落高度，力学模型如下：
顶部岩梁在下沉过程中，水平方向产生了侧向力，侧向力按垂直压力的系数取，以O点为旋转点，则根据力矩平衡，可得：
按中隔墙不接顶，有50mm距离考虑，冒落高度按单巷冒落高度与双巷冒落高度的中间值计算。两者冒落高度都按《公路隧道设计规范》计算，按四级围岩考虑。则，双巷冒落高度为：
落高度为：4.86m。双连巷冒落高度取两者冒落中间值为：4.86+（7.02-4.86）/2=5.94m。锚索承受的拉力为：
带入数据，得出，锚索一排3根，排距1m，锚索承受的拉力为342KN；锚索一排4根，排距1m，锚索承受的拉力为241KN。锚索数目的校核，应满足： 一排3根φ21.6×8300mm锚索，锚固段长度取2m，外露0.3m，锚索总长取8.3m，排距1m，安全系数基本满足要求。锚杆采用螺纹钢锚杆，规格直径φ20×2100mm，间排距1×1m，在锚索间打设，一排6～7根。支护参数如下图4所示。
2.3双巷连通口支护分析
双连巷中隔墙每隔一端距离设置一个连通口，相当于煤柱中的连巷。连通口的顶板裸露面积为12m×5m=60m2，面积大，为此，需在连巷口处加强支护。采用双梁+锚索的方式加固，如图5所示，双梁两端端在两侧的墙体上，双梁中间连接板通过锚索再吊挂在顶上，减少双梁所受弯矩，提高双梁支护强度。双梁两端搭接长度500mm。
根据上述所知，若按五级围岩考虑，中隔墙受力提高一倍，为2800KN，即墙体所受应力为2800KN/0.5m2=5.6MPA，由于连通口的存在，在连通口两侧的墙体上产生应力集中效应，如图6所示，应力集中范圍取1.5m，则5m宽的荷载分摊到3m的墙体上，分布趋势是连通口两端墙体应力最大，往两侧延伸下降至稳定值，则根据荷载等效，可求出峰值应力。
连通口处两端墙体所承受的应力为：
墙体厚度为0.5m时，设计荷载超过了设计支护强度，需要提高厚度。为了提高连通口处支护强度及墙体安全系数，将连续墙的厚度由0.5m提高到0.8m，此时墙体所承受的峰值应力为：
2804KN/0.8m2+18.7MPa5/0.8=15.2MPa，
15.2MPA≈15MPA，由于C30混凝土极限强度可达30MPA，按隧道设计规范，安全系数已经为2了，0.8m厚可以满足要求。即连通口两侧墙体厚度0.8m，长度各取5m。连通口处墙体依然是支护主体，墙体满足要求后，连通口宽度5.0m内的锚索设计可以按5.0m宽巷道支护强度要求考虑计算。
3煤矿双连巷施工方法
1#巷道正常掘进，掘进宽度要考虑到墙体厚度，即在原巷宽度的基础上增加墙体厚度，如原巷5.5m，墙体厚度0.5m，则需掘进6.0m宽。前方掘进，滞后迎头30～100m贴帮浇筑一道混凝土墙，每隔300m在浇筑墙体一侧开挖调车硐室（同时部分作为混凝土泵站料场）。1#断面巷道掘进时，2#巷道滞后1#巷道300～500m沿墙掘进巷道，此时，墙体强度已可以达到设计强度，而且，墙体没接顶部分在顶板下沉中实现了接顶，为后续沿墙掘进创造了支护条件。双连巷施工基本步骤如下图7所示。
施工设备主要分掘进设备和混凝土施工设备。具体设备见下表2。
掘进人员按正常掘进时配备，增加了筑墙人员。筑墙人员包括支模工5人、设备司机4人、混凝土浇筑工4人、运输工4人，合计17人。按日推进20m考虑，墙体厚度0.5m，高度3.3m，则日用混凝土33m?，一辆无轨胶轮车运输2.5m?，需要14趟，4辆车，每车一个小班跑4趟。运料在夜班实施，支模也在夜班实施，浇筑在检修班作业。实行“三八”制作业。
4 结论
（1）双连巷可应用范围：主运输巷与辅助运输巷组合，主运输巷之间组合，辅助运输巷之间组合，回风巷之间的组合，应用于矿压不明显、顶板中等稳定的岩层。断面可以为圆弧拱、矩形、马蹄形等斷面形式。
（2）本文提出了设计方法和计算方法。双连巷设计主要包含墙体设计、锚索（杆）设计、连通口支护设计等。双连巷顶板加强锚索支护后，伸长量可匹配巷道顶板下沉量，必须保证中隔墙接顶效果。中隔墙正常段厚度0.5m可满足要求，连通口处0.8m厚满足要求。
（3）宽巷掘进→贴帮浇墙→沿墙掘巷的施工工序可行，能够满足工艺及支护要求。
参考文献
[1] 陈炎光，陆士亮. 中国煤矿巷道围岩控制[ M] .徐州：中国矿业大学出版社，1994
[2] 重庆交通科研设计院. 公路隧道设计规范JTGD70-2004[S].北京：人民交通出版社，2004.
[3] 杨永康，康天合，柴肇云，李义宝. 8.5m大断面开切眼支护设计及其稳定性三维数值模拟[J]. 太原理工大学学报，2008，（S1）：105-108.
[4] 岳太刚，高飞鹏，马立强. 大倾角超长综采工作面开切眼施工方法[J]. 能源技术与管理，2011，（01）：7-9.
作者资料：
吴玉意（ 1982-） ，男，河南新县人，毕业于西安科技大学，工程师，硕士，从事采矿技术方面的研究工作。