桁架支護施工方案(石圪臺煤礦)

1、JennmarJiningMine Roof Support Products Co.鄂爾多斯市烏蘭煤炭集團公司石圪臺煤T131201回風順槽繞道支護方案石 圪 臺 煤礦捷馬()礦山支護設備制造2021年08月 05日1概述烏蘭集團石屹臺煤礦131201采煤工作面位于3-1-2煤層中部，為3-1-2煤層首采 面，采長150米，走向長858米。131201工作面回風順槽繞道沿3-1-2煤層中部掘進， 順槽繞道頂板留設1m厚的頂煤。順槽繞道埋藏深度為5070米。其與原掘進的131201 采煤工作面回風順槽之間留設15米的煤柱。3-1-2煤層頂板為3.6米的砂質泥巖，遇 水易膨脹軟化，其上為3-1-

2、1煤層房柱式開采采空區(qū)。為防止131201工作面回風順槽繞道在工作面回采時發(fā)生破壞，現(xiàn)對其支護方式進 行重新設計。2近距離煤層采空區(qū)下順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護可行性分析錨桿桁架系統(tǒng)支護作用機理分析錨桿桁架系統(tǒng)是一種控制巷道頂板、巷道兩肩和側幫變形的聯(lián)動結構，該組合式桁架系統(tǒng)不僅可以改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，而且還可以有效的限制巷道頂板的變形， 并將頂板的變形延伸到巷道兩側。錨桿桁架系統(tǒng)的力的作用示意圖如圖1所示。同時,錨桿桁架結構對控制垂直節(jié)理的作用非常明顯。圖1錨桿桁架系統(tǒng)力的作用示意圖錨桿桁架系統(tǒng)支護是一種理想的支護手段， 其不僅是貼頂支護，而且可以施加較大 的預應力，實現(xiàn)主動支護。因此錨桿桁架

3、系統(tǒng)是支護近距離煤層采空區(qū)下順槽的有效手 段，具有良好的支護效果。煤層順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護的可行性研究說明：預應力錨桿可有效提高圍巖的剩余強度，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。 錨桿與其錨固圍的錨固體構成一種錨固支護體， 在錨桿的約束與抗剪作用下，使塑性破 壞后易于松動的煤巖體形成具有一定承載能力并可適應圍巖變形的錨桿平衡拱，從而提高頂板的整體性，防止頂板松散冒落。從巷道縱向看，錨桿支護形成的錨固平衡拱是掘 進迎頭空頂上方頂板自穩(wěn)的根底。因此，使用錨桿支護可以有效地阻止頂板松散冒落。巷道支護關鍵是頂板，只要錨桿能保持頂板的穩(wěn)定，護幫并不難。通過對錨桿支護 后圍巖穩(wěn)定性分析研究，認為試驗巷道采用錨桿

4、支護是完全必要的。 但是，考慮到頂板 為典型的復合頂板，且中間為煤層，同時上方為采空區(qū)的特殊條件，采用長錨索或增加 錨桿長度的方法是不可行的，而錨桿桁架系統(tǒng)很好地解決了以上問題。 根據(jù)現(xiàn)場的實際 考察，認為錨桿桁架系統(tǒng)支護試驗是十分必要的， 通過試驗研究以期確定理想的錨桿聯(lián) 合支護形式和科學的錨桿桁架系統(tǒng)支護參數(shù)。3巷道圍巖應力分析與支護設計3.1頂板巖層平安評價系數(shù) 莫爾庫倫平安系數(shù)為了確定巷道頂板錨桿長度，莫爾庫倫平安系數(shù)法是確定巷道圍巖破壞圍的常用方 法，莫爾庫倫平安系數(shù)評價公式：SF式中：K與最大主應力有關的摩擦角;最小主應力;C摩擦系數(shù)3.2計算模型與計算參數(shù)為了分析描述回風順槽繞道

5、的受力狀態(tài)， 如最大主應力、最小主應力和剪應力等受力指標，構建了 2-D有限元分析模型計算巷道寬度：3.4 m計算巷道高度：2.4 m計算深度：巷道埋藏深度按70m計算。圖2為2-D有限元分析模型L blhllilballilibBLB ii tkliilblill Hb KKKBKKBtaKKI£.Ki K KKKKKIAKSYS 5.3 MAA 30 200S 00:0:43 ELEMENTS MAI NUMUi iiiBIIHIMij|B|131二2 j二: ji二i diiiiiriiiaij*B.1 ：t=：二,raw rrnfLri»rir 'iir i

6、rrirrrirriII丿Ulhlll-irfe i tn*=_£土 ！盂一= _?=- 一1-5 =*»謹翼 =_ =一 1=_ -土«_£¥£一 2=i_=_= =三三=_=£三=_=_=_=-=士 =_=一 汁=_= !_=-= =_=E三 _=_= -=一=宣-=三ZV =1 DIST-137SYFZ-BUFFEHPATH圖2有限元計算模型3.3圍巖應力分析最大、最小主應力分布:圖3、4為有限元計算所得巷道圍巖應力分布圖，圖3為最大主應力分布圖，圖4為最小主應力分布圖。圖3最大主應力分布圖300250200ISO10

7、0500117圖4最小主應力分布圖莫爾庫倫平安系數(shù)分布：基于最大主應力和最小主應力計算結果，計算了莫爾庫倫安 全系數(shù)，圖5是巷道周圍莫爾庫倫平安系數(shù)分布圖。從本圖可以看出，直接位于煤層 上方的0.6m的砂質泥巖平安系數(shù)小于1.0。圖5巷道周圍平安系數(shù)分布錨桿長度確定：從上述平安系數(shù)分布結果看，最小的錨桿長度應該錨固在煤層上方 0.6m以上的砂質泥巖中，根據(jù)此限制，考慮到一定的平安系數(shù)，頂板錨桿長度選擇為 2.2m。3.4錨桿形式與支護參數(shù)錨桿類型與支護結構確實定由于31 1煤層已經(jīng)采用房柱式開采采空，留下了煤柱的應力集中區(qū)，頂板控 制的關鍵是：(1) 組合梁：根據(jù)組合梁理論，采用高強度高預應力

8、錨桿，將3 1 2的頂煤、 偽頂和煤線與砂質泥巖組成一個完整的組合梁。以提高該組合巖層的自承載能力。(2) 懸吊：由于上部采空區(qū)的限制，采用長錨桿和錨索懸吊在此特殊地質條件下是不可能的。因此，為懸吊和限制錨桿加固圍的組合梁，采用錨桿桁架系統(tǒng)是較好的選擇。最終支護方案：錨桿桁架系統(tǒng)+高強預應力錨桿。圖6為選定的頂板支護方案。單位：mm譽道中丄線3400說明：頂檢鋪桿長度均為2200顧 直衿為18曲；傾斜錨桿長度為2400HLH,也輕為2恤加水平備索線的盲衿為15, 2ta兀7207職酬軟対麻因200n錨桿13120lmmw圖6頂板錨桿桁架系統(tǒng)支護方案342錨桿安裝應力確實定錨桿支護一種主動支護方

9、式，適宜的安裝應力是發(fā)揮錨桿支護效能的關鍵。有效的錨桿安裝應力應該取得下述支護效果:頂板巖層中無離層發(fā)生;頂板巖層中的拉應力區(qū)和拉應力值應該盡量小為了設計科學有效的安裝應力，本設計進行了有限元分析。圖7所示為安裝應力計算有限元模型。此模型中包括 2根垂直錨桿和1套桁架系統(tǒng)。垂直錨桿長2.2m。桁 架傾斜錨桿長2.4m。傾角45度。模型計算所選取的錨桿排距為1.0m。為了獲得最正確 的安裝應力值，通過改變錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝應力，進行支護設計參數(shù)的優(yōu)化計算。 共計運行了 10個模型，下面是局部運行結果：hhhsGl一-4*EEE-BEE-K-EEfa-EE_EEEta-GE_ErElElHiE-

10、IElijhI釦hlhlK.IblblEIILIi!lKIE-EEtoEEKhh £ £*!-Bhu MM5AS-Khu一M HLir.riM £!*EfilE bfcE_ANSYS 5.3 MAR 2 300523:53:37ELEMENTSMAT NUMZV =1DI5T-2E7.4YF =243Z-BUFFEHfh毎厲r-R 2圖7安裝載荷有限元計算模型(1) 3 噸安裝應力圖8是在3噸安裝應力下的頂板變形和應力分布。在此安裝應力下，無頂板離層發(fā)生。在巷道上方約1.0m的圍存在一個拉應力區(qū)。所以此安裝應力不能保證形成理想 的組合梁，為了提高組合梁的承載效果，

11、減小拉應力區(qū)圍，錨桿安裝應力需要進一步提圖8圍巖應力分布與圍巖變形計算結果(3噸安裝應力)(2)4噸安裝應力圖9是在4噸安裝應力下的頂板變形和應力分布。在此應力下，無頂板離層發(fā)生。拉應力區(qū)根本消除，組合梁效果根本到達。因此，錨桿安裝應力選定為4噸以上。-299S -1000 -SOO -200 -100 -10 -sD4圖9圍巖應力分布與圍巖變形(4噸安裝應力)343錨桿直徑確實定依據(jù)錨桿安裝應力計算結果，錨桿的安裝應力不應大于錨桿抗拉強度的 50%因此 錨桿的最小承載能力應為12噸。(1) 靜載荷計算：所選定的頂板支護系統(tǒng)至少應該滿足頂板垂直靜載荷的需要。 經(jīng)計算最小靜載荷為6噸，考慮1.5

12、的平安系數(shù)，錨桿的最小承載能力為 9 噸。(2) 要求錨桿安裝應力不小于錨桿抗拉強度的 50%所以錨桿的最小抗拉強度應 該12噸。根據(jù)上述計算結果，垂直錨桿直徑選用18mm傾斜錨桿直徑選用 20mm設計中所選用的高強度阻尼螺紋鋼錨桿的力學性能為：18mm 屈服強度大于13噸，抗拉強度大于16噸。20mm 屈服強度大于16噸，抗拉強度大于20噸。3.5結論基于石屹臺煤礦現(xiàn)有的地質采礦條件， 通過頂板控制分析和有限元模型計算， 有限元模 型計算進行了圍巖應力分析、安裝應力確定和支護方案的選擇，通過上述綜合分析與計 算，得出如下結論：1錨桿長度：頂板垂直錨桿采用長度為2.2米的高強度阻尼螺紋鋼錨桿，

13、傾斜 錨桿長度為2.4米。安裝載荷：安裝載荷對頂板的綜合承載能力起著重要的作用，經(jīng)過多個模型的優(yōu)化 計算，確定安裝載荷應不小于4噸。2桁架系統(tǒng)：為了確保3- 1-2煤層與頂板的穩(wěn)定性，選用錨桿桁架系統(tǒng)。3錨桿直徑：頂板錨桿直徑為 18mm傾斜錨桿直徑為 20mm4間排距：模型計算中排距是按1.0m計算的，并考慮了必要的平安系數(shù)。在 產(chǎn)品試用期建議排距為0.9m最終的支護設計方案如圖6所示圖10錨桿桁架系統(tǒng)結構示意圖3.6材料消耗表表1每米巷道材料消耗表編名稱規(guī)格配置單數(shù)單價備注號位量元1高強扭矩應力錨桿巾 20 2400 mm阻尼螺母、“治墊圈、高強 150x 150x 8mm托盤套2.2用于

14、傾 斜錨桿2高強扭矩應力錨桿 18 2200 mm阻尼螺母、平墊圈、咼 強 150x 150x 8mn托盤套2.2用于垂直錨桿3桁架托盤150x 250mm個2.24桁架角個2.25U型卡個2.26球形墊圈個2.27水平錨索巾 15.242400mm等級：1860條1.18錨索索具巾 15.24套2.29樹脂K2335支8.8合計每米巷道支護費用為元此外，為配合錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝，應備有錨桿攪拌器、T型扳手、扭矩放大器、 錨索拉器等施工機具。4井下工業(yè)性試驗與礦壓觀測4.1試驗巷道概況本次試驗施工巷道為3- 1 2煤層的131201工作面回風順槽繞道。巷道頂板從下往上依次為1m的3 1 2煤

15、層、0.3m的偽頂、0.1m的煤線、3.6m的砂質泥巖、3 1 1煤層房柱式開采采空區(qū)，巷道底板為砂質泥巖。巷道埋藏深度大致為 60m巷道為 矩形。試驗巷道錨桿桁架系統(tǒng)的排距定為 0.9m。4.2錨桿施工工藝為了充分發(fā)揮每根錨桿的作用，正確的安裝錨桿對于有效地控制頂板， 減少錨桿用 量，提高掘進速度都是至關重要的，因此必須重視錨桿的安裝。合格的錨桿安裝后應具 有足夠的安裝載荷，最大的拉拔力以與合理的錨桿外露長度。 為此根據(jù)安裝質量要求編 寫了錨桿的安裝說明書。錨桿安裝過程如下：1鉆孔 鉆孔直徑：根據(jù)設計支護需要的錨桿的實際情況而定。一般鉆孔直徑為28mm 鉆孔深度：鉆孔深度需大于錨桿有效長度

16、3050mm錨桿的有效長度是指從安 裝錨桿托盤的側外表到錨桿的端部的距離。一般的講，鉆孔深度與安裝錨桿的長度一致 即可。 鉆孔角度：按照設計要求的角度進行施工。 釬桿標記：為了準確鉆孔深度，需在釬桿上做鉆孔深度標記，用卷尺從鉆頭開始 向下做一與錨桿長度一致的標記。 鉆孔施工：用錨桿鉆機按鉆孔深度和角度要求嚴格施工。 鉆孔沖洗：鉆孔施工至孔底后，上下移動鉆桿，對鉆孔進行沖洗。2扭矩應力錨桿安裝 錨桿組裝：將錨桿減阻墊圈和錨桿托盤按先后順序穿入錨桿。對于桁架系統(tǒng)的傾 斜錨桿需要先穿球形墊圈，再穿桁架角、最后穿桁架托盤。 裝樹脂:將樹脂用錨桿推入鉆孔，推入樹脂時要用力均勻，盡可能不要把樹脂 穿破。

17、鉆機推樹脂：然后將錨桿接入鉆機，用鉆機將錨固劑推至鉆孔深處，直到頂不動 為止。 攪拌錨固劑：啟動鉆機旋轉攪拌錨固劑，同時鉆機推力也要調至最大，攪拌時間根據(jù)錨固劑的型號而定，一般的快速錨固劑攪拌1020秒即可。 托盤與頂板間隙：錨固劑攪拌完畢時，要確保錨桿托盤與頂板之間有 1015mm 的間隙。 翻開阻尼：攪拌錨固劑后，需停頓4060秒適用快速樹脂錨固劑，啟動錨 桿鉆機鉆機只旋轉不推進翻開螺母阻尼，并用錨機將螺母擰緊。 提高安裝應力：鉆機擰緊螺母后卸下鉆機，再用手動扳手或者扭矩放大器，給錨 桿施加符合設計要求的安裝扭矩或安裝應力。錨桿安裝可以總結為：一推推樹脂入孔到規(guī)定位置，二轉旋轉攪拌樹脂，三

18、 等等樹脂充分凝固，四緊緊固螺母在安裝過程中要嚴格按安裝步驟。否那么會出現(xiàn)“長尾錨桿或打不開阻尼現(xiàn)象。 這會大大影響錨桿支護效果甚至失效。4.3錨桿桁架系統(tǒng)施工工藝錨桿桁架系統(tǒng)安裝說明TiWPilttRoof StrataTru-ShoeHoriziMeil CubicU-Bdt屛win躍曲錨桿桁架系統(tǒng)示意圖1傾斜錨桿與垂直錨桿的安裝步驟同上。2水平錨索安裝將U型卡一端掛在桁架角上，再將鋼絞線的一端穿入U型卡中的錨索索具。以相同的方式安裝另一端的U型卡和錨索。水平鋼絞線長度必需大于兩端 U型卡的兩索具直線 距離200mm確保兩端的錨索外露150mm錨索穿入U型卡中的索具后，用錨索拉器拉 緊錨索

19、，并到達所需的八噸拉力。在底板組裝方法：將兩個U型卡分別放置在巷道底板上，將鋼絞線穿入安裝在U型卡上索具中，然后在將U型卡掛在桁架角上，用錨索拉器緊錨索，并到達所需的拉力。3中間錨桿安裝如果有頂板鋼帶，中間錨桿的安裝需要跟兩端的傾斜錨桿配套安裝，然后再安裝水平錨索。4須知 確保兩端的錨索索具位于 U型卡的中間； 水平錨索必需到達設計的拉力； 錨桿安裝時必需用扭矩扳手將錨桿螺母擰緊至所要求的扭矩； 在拉錨索時，手或手指不能靠近錨索拉器的伸縮頭附加。4.4特殊條件下加強支護措施巷道施工過程中，局部地區(qū)受地質構造影響，煤體松軟，頂板下沉量較大，或在巷 道的交岔點局部，根據(jù)頂板情況，應適當補打錨索或架

20、棚進行加強支護， 保證施工平安。 4.5礦壓觀測結果與分析為全面檢查131201采煤工作面回風順槽繞道錨桿桁架系統(tǒng)支護的支護工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道所受到的采動影響，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度， 以便與時采取措施。通過監(jiān)測來驗證設計的正確性，檢驗支護質量，同時為修改設 計提供科學依據(jù)。本次監(jiān)測的主要容包括：巖體外表位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、錨 桿受力監(jiān)測與錨桿錨固力檢測四個方面。巖體外表位移監(jiān)測1斷面位置與間距斷面位置為以采用錨桿桁架系統(tǒng)支護點為分界線向掘進方向布置，每隔30m布置一個觀測斷面為監(jiān)測斷層附近或特殊圍巖條件的巷道變形，斷面間距可以適當 擴大和縮小。2測點布置方式與施工要求錨桿桁架系統(tǒng)支護的測試斷面測點布置圖如以下列圖所示。1頂板1*測點CE4D煤壁底板B煤壁測點別X.一A測點測點I測點布置圖施工技術要求： 要保證A、B測點的連線與底板垂直，C、D的連線與底板平行。 為準確定位測點位置，需在各測點所在位置的煤巖體打一個深 0.5m,直徑為29mm 的鉆孔，然后在鉆孔中央放置一段長 0.55m,直徑為20mm的螺紋鋼，并用快硬水泥把鋼筋固定在鉆孔，鋼筋要露出頂板 20mm 測點布置后，應注意保護斷面，防止測點被破壞。3測試時間安排與測試要求測試斷面布置的當天進行第一次測量，以后根據(jù)測試斷面距采煤工作面的距離而定。當測試斷面距采煤工作面 010