支護方案優(yōu)化設計

1、 QJennmarJiningMine Roof Support Products Co.正邦煤業(yè)有限公司15#煤層順槽支護方案優(yōu)化設計正邦煤業(yè)有限公司捷馬（濟寧）礦山支護設備制造有限公司二0一0年八月1概述1.1 地質(zhì)條件正邦煤業(yè)有限公司15#煤層厚度為5.5m左右。煤質(zhì)屬貧煤、黑色，多呈粉末狀，少量塊 狀，具有玻璃光澤階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)、層狀、塊狀構(gòu)造、波狀、水平層理。煤層大致屬 單斜構(gòu)造，傾角平均8o左右，煤層埋藏深度約400m 15#煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)如下：老頂：石灰?guī)r為灰色，生物屑結(jié)構(gòu)，隱品質(zhì)，層面含炭質(zhì)，具細小裂隙，被方解石脈充填, 具縫合線構(gòu)造，堅硬。厚度為5.80m。直接頂：粉

2、砂巖為深灰色，上部偶見植物化石，層理不明顯，具垂直節(jié)理，具擠壓現(xiàn)象， 中部夾砂泥層質(zhì)，巖芯較完整。厚度為 8.87m。底板：鋁質(zhì)泥巖為灰色一一淺灰色，含鋁土質(zhì)，含豐富植物化石，偶含砂質(zhì)，巖芯較破碎。 厚度為2.48m。從現(xiàn)場觀測到，15#煤層靠頂板的1.5m范圍內(nèi)的煤層比較硬，其下部有 1m左右的煤層比 較軟且節(jié)理非常發(fā)育，沿底掘進的回風順槽掘出后易出現(xiàn)掉頂現(xiàn)象，巷道成形質(zhì)量比較差。從現(xiàn)場看，巷道圍巖應力比較小，巷道支護完成后，巷道變形量很小。1.2 采礦條件正邦煤業(yè)有限公司15#煤層原設計回風順槽沿15#煤層的底板掘進，采用錨網(wǎng)索支護。然 而在現(xiàn)場施工過程中發(fā)現(xiàn)，巷道沿底板掘進時，頂煤較破碎

3、，極易出現(xiàn)頂煤破碎掉頂現(xiàn)象，巷 道成形差，掘進速度慢。為適應煤層的特點， 在頂板破碎處礦方采用了加大回風順槽高度的方 法，沿某一穩(wěn)定層掘進。原設計回風順槽為矩形，寬為 4000mm,高為2600mm2現(xiàn)支護方式及存在的問題在現(xiàn)階段采用錨桿、錨索金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。具體支護方式如下：(1)錨桿：回風順槽頂板錨桿采用20X2200mnfc旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫 錨桿采用16Xl600mmft璃鋼錨桿。 錨桿間排距為760X 800mm(2)網(wǎng)：頂網(wǎng)具規(guī)格為長X寬=5500X 1200mm的金屬網(wǎng)，幫網(wǎng)具規(guī)格為長X寬=1800X 10000mm勺雙抗網(wǎng)支護。(3)錨索：每排鋼帶打兩根錨索交替支護，規(guī)格

4、15.5 X 5500mm錨索采用“1+2”的格式，如果頂板破碎段特別嚴重時采用“ 2+3”格式。(4)托盤：錨索托盤用鋼板加工制作，其規(guī)格為長X寬X厚 =200X 200X 15, 中孔直徑22mm頂錨桿托盤用鋼板加工制作，其規(guī)格為長X寬X厚 =120X 1200 x 8,中孔直徑18mm(5)錨固劑： 頂板錨索孔采用 CK2360三卷樹脂錨固劑，頂板錨桿孔采用 CK2360兩卷樹脂錨固劑，兩幫每孔一卷 K2360樹脂錨固齊I。然而，由于煤層軟，現(xiàn)有的支護方式存在如下問題：(1)煤層軟：盡管采用了沿底掘進加大順槽高度的方式使得頂板在相對硬的 煤層中，但由于表面支護和超前支護不合理，造成支護前

5、和支護過程中經(jīng)常產(chǎn)生 漏頂現(xiàn)象，給支護施工帶來很大困難。(2)錨桿、索錨固力：從現(xiàn)場看，由于與錨桿配套的螺母沒有阻尼，但錨桿 安裝工藝卻是一次安裝成功，這樣錨桿就無法充分攪拌樹脂，可能造成錨桿的錨 固力下降，同時由于煤體強度較低，錨桿的錨固力也無法準確判定。建議對井下 的錨桿、錨索錨固力進行現(xiàn)場測定，確保巷道的支護效果。另外，由于錨索的直徑小且錨索沒有增加相應的機構(gòu)，錨索的錨固力難以保 證，應重點監(jiān)測。(3)錨桿的預應力低：由于安裝機具及錨桿結(jié)構(gòu)的限制，現(xiàn)場錨桿的安裝應 力較低，不高于2噸，這會大大降低錨桿軟弱頂煤的支護效果。(4)臨時支護效果差：盡管現(xiàn)場采用了前探梁作為了臨時支護形式，但現(xiàn)場

6、執(zhí)行效果及適用效果不好，無法實現(xiàn)真正的超前有壓支護。對于頂煤非常軟的巷 道超前支護非常關鍵，只有在巷道掘出后及時有效的進行頂板臨時支護，才能降 低頂板破碎程度，提高巷道支護效果。(5)巷道掘進速度慢：由于巷道頂板比較破碎，巷道成形比較差，巷道煤層頂板在打錨桿、錨索的過程中還是易出現(xiàn)頂板離層掉頂?shù)默F(xiàn)象，影響施工。同時錨桿的支護密度比較大，降低了巷道掘進速度。(5)巷道支護強度和成本偏高：巷道頂板的錨桿、錨索支護密度比較大，采 用此方式進行支護造成了巷道支護強度偏高，巷道支護成本增加。(6)順槽表面支護強度低：順槽表面采用鋼筋梯作為表面控制措施， 其護頂 面積小，不利于軟煤順槽的表面控制。同時，錨

7、桿、錨索的托盤面積小且強度低， 對表面控制效果差，現(xiàn)場可以看到多個錨桿托盤發(fā)生“翻盤”現(xiàn)象，建議進行優(yōu) 化、改進。(7)隱患：由于現(xiàn)在無法控制順槽的高度，造成順槽多處超高現(xiàn)象，這為今 后的采煤工作留下了安全隱患，同時增加了采煤的成本，降低了采煤工作面的推 進速度，降低了采煤工作面的回采工作效率，影響了礦井的正常生產(chǎn)。未來回風順槽沿底掘進時，頂板將處于軟煤中，軟煤所帶來的問題將進一步 突出。為了解決軟煤頂班支護問題，必須解決三大關鍵點：如何解決巷道開挖后錨桿支護前頂煤漏頂問題鉆孔和錨桿安裝過程中錨桿機震動引起的漏頂問題錨桿安裝后頂板的穩(wěn)定性問題故未來采煤工作面回風順槽掘進時下列問題必須解決：臨時

8、超前支護表面控制及時早期主動支護保證足夠的錨固力輔助支護現(xiàn)在，正邦煤業(yè)有限公司15#煤層回風順槽沿底掘進巷道的支護工作已經(jīng)成 為制約礦井正常生產(chǎn)接續(xù)的主要因素，成為制約礦井發(fā)展的難題。3軟煤巷道支護關鍵因素和主要研究內(nèi)容為從根本上解決正邦煤業(yè)有限公司 15#煤層巷道沿底掘進的支護難題，實現(xiàn)礦 井的安全生產(chǎn)和高產(chǎn)、高效，必須對現(xiàn)有的地質(zhì)與采礦條件進行充分研究，提出 適合其特點的巷道支護理念，設計出合理的巷道支護工藝和支護參數(shù)。本項目就是要通過對厚煤層和軟弱煤層條件下沿底掘進巷道支護技術(shù)的研 究，探索出一條解決此支護困難條件下的巷道支護新技術(shù)和新工藝，實現(xiàn)巷道的快速、安全、經(jīng)濟掘進的目標，使該技術(shù)

9、對類似條件下巷道支護和施工具有較好 的示范推廣意義。3.1 支護關鍵因素針對正邦煤業(yè)有限公司15#煤層煤層結(jié)構(gòu)復雜、厚度大、煤層松軟、煤體比較 破碎的特點，支護的關鍵因素如下：(1)超前臨時支護：臨時超前支護是松軟煤層支護的關鍵因素之一。在實際施工中所遇到的關鍵問題包括：掘進后頂板立即漏頂來不及打錨桿(錨索)。打孔過程中錨桿機震動引起漏頂。漏頂后頂板(兩幫)不平造成錨桿(錨索)安裝施工困難。為了解決這個問題，必須尋求一套方便、實用、有效的超前支護系統(tǒng)。超前支護系統(tǒng)必須和表面控制結(jié)合起來，并實現(xiàn)有壓超前支護。(2)表面控制：很明顯，在松軟煤層條件下，表面控制非常重要。(3)錨固力：錨桿、錨索系統(tǒng)

10、必須有足夠的錨固力和支護系統(tǒng)匹配。(4)合理的支護參數(shù)：錨桿長度、間排距、支護強度、安裝應力。(5)輔助支護：錨索作為輔助支護手段，其支護參數(shù)和布置也是支護的關 鍵因素之一。3.2 主要研究內(nèi)容和目標(1)正邦煤業(yè)有限公司15#煤層的地質(zhì)資料收集、分析與整理；(2) 15#煤層已施工巷道支護系統(tǒng)與支護工藝的分析與評價；(3)經(jīng)現(xiàn)場支護參數(shù)測試，通過實驗分析支護系統(tǒng)各參數(shù)的匹配性及合理性，優(yōu)化支護工藝與支護參數(shù)；(4)通過科學計算，確定回風順槽錨桿支護參數(shù)，完善巷道支護系統(tǒng)。主要包括如下內(nèi)容：厚且軟弱煤層沿底掘進巷道錨桿支護的可行性；圍巖應力分析與評價；支護載荷與圍巖自承載能力的分析與評價，研究

11、確定錨桿安裝應力與圍巖 變形顯現(xiàn)的關系；巷道錨網(wǎng)支護參數(shù)設計理論依據(jù)和支護參數(shù)計算方法，優(yōu)化確定適宜的力學計算模型；巷道支護體系的優(yōu)化與確定。主要針對錨桿主導支護、錨索輔助支護、網(wǎng) 及咖帶表面控制的最佳耦合關系進行研究。(5)支護產(chǎn)品的開發(fā)和制造。通過計算，確定各支護參數(shù)，然后根據(jù)此參數(shù) 研發(fā)出相應產(chǎn)品并制造出高性能產(chǎn)品；(6)現(xiàn)場施工及技術(shù)培訓。根據(jù)現(xiàn)場條件進行巷道支護施工工藝優(yōu)化，尤其 是臨時支護的方式和工藝優(yōu)化；(7)巷道支護效果觀測、巷道支護參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)礦壓觀測結(jié)果，分析支護 系統(tǒng)的可靠性，進一步優(yōu)化巷道支護參數(shù)。4支護系統(tǒng)和支護參數(shù)的確定4.1 軟弱煤層巷道錨桿支護設計理念軟弱煤層

12、錨桿支護設計和產(chǎn)品開發(fā)必須考慮三個基本因素：一個是支護系統(tǒng) 錨桿支護機理，二是被支護圍巖應力變形的關系，三是支護系統(tǒng)工作特性和圍巖應力與圍巖變形關系的耦合。4.1.1 支護理念和支護參數(shù)科學的錨桿支護設計，不是簡單的在頂板安裝錨桿，而應該使每一根安裝的錨 桿都發(fā)揮它的最大作用。在理論和科研界，有許多錨桿支護理論，不同的理論會 給錨桿不同的支護機理。典型的支護理論有梁理論、彈塑性松動圈理論、楔體加 周理論、拱理論、懸吊理論等。在實際頂板控制實踐中，錨桿的支護機理往往是 幾種理論綜合作用的結(jié)果。對于煤系地層來說，由于煤系地層是層狀沉積巖層， 組合梁是最適合的理論。然而，工程實踐中錨桿的支護機理往往

13、是幾種支護機理 的共同作用。然而，無論哪種理論，與其它支護相比，錨桿支護的最基本點是在一定范圍的圍巖中，通過錨桿支護系統(tǒng)對圍巖主動施加主動力，實現(xiàn)對圍巖實現(xiàn) 主動早期支護，以增加圍巖的強度和自承載能力。錨桿支護和其他支護的最大區(qū) 別就是錨桿是主動和早期支護，而主動早期支護的源泉就是安裝應力。沒有安裝 應力的錨桿的支護作用只能是簡單的懸吊，和一般棚子支護沒有什么太大的差別。 錨桿支護系統(tǒng)在整個支護期間所受的力不僅僅包括安裝應力，而且包括圍巖變形 過程中所產(chǎn)生的變形附加應力。所以，一個科學的錨桿支護系統(tǒng)設計，從支護原 理講必須考慮下列參數(shù)：安裝應力一主動支護的源泉支護強度一滿足安裝應力和變形附加載

14、荷的要求支護范圍一松散破碎圈4.1.2 圍巖應力變形的關系圍巖既是被支護的對象，又是支護體的一部分(自承載)。錨桿支護設計必須把圍巖和錨桿系統(tǒng)作為一個整體考慮。對于軟巖巷道來講，巷道圍巖變形與應力 的關系變得越來越復雜。首先是“靜壓力”（垂直和水平）高帶來的“軟巖” 變形大的特性：當變形超過錨桿（錨索）的可延伸長度時導致錨桿（錨索）破壞， 最終導致整個支護體失穩(wěn)；其次是圍巖本身比較軟，容易發(fā)生漏頂和局部冒落現(xiàn) 象。所以合理的支護設計必須保證圍巖整體性的前提下具有一定的變形讓壓性能 以保護支護體在由于變形地壓引起超負荷時，起到變形耦合和讓均壓作用。根據(jù) 傳統(tǒng)理論，圍巖應力一變形特性曲線如圖 4.

15、1所示。圖4.1圍巖應力和變形特性曲線在靜壓力條件下，從圖4.1可以看出，曲線從支護角度講分為三個區(qū)：A區(qū)（圍巖彈性變形區(qū)）：在此區(qū)域內(nèi)，圍巖基本處于彈性變形階段，圍巖保 持完好，圍巖變形小。在此區(qū)域內(nèi)增加支護強度不能明顯改善圍巖變形。為了經(jīng)濟 合理地進行巷道支護,支護體的工況點應設在低位（65t/m）,相應的錨桿支護系統(tǒng) 應該具有最小讓壓距離15mmB區(qū)（圍巖彈塑性區(qū)）：在此區(qū)域內(nèi)，圍巖基本處于彈塑性變形階段，圍巖基本 保持穩(wěn)定，彈塑性變形區(qū)沒有超過錨桿的支護范圍，錨桿系統(tǒng)仍然起到支護作用。 在此區(qū)域內(nèi)，支護強度的微變將引起變形的劇烈增加。C區(qū)（圍巖破壞區(qū)）：在此區(qū)域內(nèi)，圍巖破壞，支護系統(tǒng)承

16、受破碎巖石的靜載 荷。隨著破壞區(qū)域的增加，載荷增加。對于錨桿支護，如果錨桿系統(tǒng)的支護范圍小 于破壞范圍，則錨桿系統(tǒng)受力將變?yōu)?,徹底失去其支護作用，錨桿支護系統(tǒng)將與圍 巖一起移動。4.1.3 耦合支護理念耦合支護包括錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合、錨索系統(tǒng)和圍巖耦合、錨桿間耦合及錨 桿與錨索的耦合。錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合：錨桿支護系統(tǒng)的支護強度和變形性能必須和圍巖耦合， 以達到圍巖的穩(wěn)定平衡。錨索系統(tǒng)和圍巖耦合：同樣，錨索系統(tǒng)作為支護的一部分，變形性能也必須 和圍巖耦合，以達到圍巖的穩(wěn)定平衡。錨桿間的耦合：由于頂板和兩幫在不同位置的錨桿所經(jīng)受的位移和應力過程 不同，所以受力差別很大，這有可能造成受力大的錨桿首

17、先破斷而把力傳遞到鄰 近的錨桿，造成錨桿依次順序破斷。錨桿和錨索的耦合：錨桿和錨索間的變形耦合也非常重要。從支護體本身來 講，錨桿和錨索具有如下區(qū)別：延伸率：錨桿的延伸率遠大于錨索的延伸率承載能力：錨桿的承載能離遠小于錨索的承載能力支護范圍：錨索長度一般來說大于錨桿長度。這種差別如果在設計和使用過程中應用不當，會引起錨桿或錨索由于變形協(xié)調(diào) 不好而破壞。4.2 錨桿支護參數(shù)的確定巷道支護系統(tǒng)和支護參數(shù)的確定必須根據(jù)實際地質(zhì)和采礦條件，在合理設計原則的基礎上，必須對下列項目進行優(yōu)化設計：(1)錨桿類型(2)錨桿長度(3)錨桿安裝載荷(4)錨桿承載力(5)輔助支護(6) 表面控制6.2.1 錨桿支護

18、系統(tǒng)工況點的確定(1)圍巖應力和圍巖變形關系和支護系統(tǒng)合理工況點的確定巷道開挖后圍巖將發(fā)生變形甚至破壞，圍巖的變形大小和破壞程度存在著一 定的關系。巷道支護的目的是為了在保證圍巖不破壞的條件下控制部分的圍巖變 形而允許有一定的變形產(chǎn)生，這樣才能經(jīng)濟有效地設計支護系統(tǒng)和維護巷道圍巖穩(wěn)定。因此，為了設計錨桿支護系統(tǒng)，必須對圍巖應力和變形特性曲線進行研究。根據(jù)15#煤層的采礦地質(zhì)條件，考慮到動壓的影響，采用有限元數(shù)值模擬方法 得到圍巖應力和變形特性曲線如圖 4.1所示。錨桿支護系統(tǒng)應該適應圍巖應力和變形的特性。一方面錨桿支護系統(tǒng)應該保 證圍巖基本在彈性或彈塑性范圍內(nèi)，另一方面錨桿支護系統(tǒng)的變形特性必

19、須適合 圍巖變形特性的要求。根據(jù)圍巖應力和變形特性曲線研究，針對5#煤層巷道的具體條件，支護系統(tǒng)的工況點確定如下：最小支護強度：65t/m巷道圍巖位移：15mm錨桿系統(tǒng)允許的最小變形15mm(2)合理錨桿支護系統(tǒng)的特性曲線設計一錨桿支護系統(tǒng)工況點選擇錨桿特性曲線設計必須根據(jù)圍巖應力變形特性曲線的特點，根據(jù)15#煤層的圍巖應力特性曲線，錨桿支護系統(tǒng)應滿足下列要求：最小支護強度：65t/m巷道圍巖位移：15mm錨桿系統(tǒng)的允許的最小變形15mm 錨桿工況點應在彈性范圍內(nèi)。根據(jù)以上工況點，設計并制造出了高強扭矩應力錨桿，其具體參數(shù)如下：桿體直徑：18mm桿體材料：Q500礦用高強螺紋鋼，屈服強度理論值

20、12t,實測值大于14t;抗拉強度：理論值15t,實測值大于17to 延伸率：理論值15%實測值大于20%6.2.2 錨桿長度設計6.2.2.1 圍巖剪切破壞準則巷道圍巖松散破碎范圍是決定錨桿長度的重要因素。原則上講，錨桿的長度 應該足以錨固到松散破碎范圍以外一定的深度，應用摩爾庫侖準則作為圍巖的破 壞準則：C f C tan式中：，一平面上的正應力和剪應力；C材料粘聚力；f 材料內(nèi)摩擦因數(shù);一材料內(nèi)摩擦角如圖4.2所示，當應力圓與庫侖準則線相切時，巖石達到強度極限值；若應 力圓與庫侖準則線相割，巖石破壞；相離則不破壞。圖4.2三軸壓縮極限應力圓庫侖準則用主應力表達的公式為：i 03tan2(

21、450 -)式中： i最大主應力，Pa；0 巖石單軸抗壓強度，Pa；3 最小主應力,Pa。在1 3坐標平面上，上式也是一條直線，如圖4.3所示。若巖石中某一點對應的最大主應力值和最小主應力值對應的坐標位于庫侖準則線的下方，則巖石 在該點是不發(fā)生破壞的，反之則發(fā)生破壞。圖4.3庫侖準則主應力圖示在此，根據(jù)庫侖準則和有關數(shù)學知識定義了一個巖石破壞準則的摩爾庫侖安全系數(shù) SF (Safety Factor )，即：03 tan2450032SF 2根據(jù)大量的經(jīng)驗和實測數(shù)據(jù)，巷道頂板的莫爾庫侖安全系數(shù)SF大于1.2的范圍被認為是安全的，SF小于1.0的范圍是不穩(wěn)定范圍，SF在1.0-1.2之間巖層穩(wěn)

22、定但不安全。對不穩(wěn)定范圍（SF小于1.0）需要對其進行支護控制，而錨桿要錨固 到安全穩(wěn)定的巖層中。對兩幫來說，通常認為安全系數(shù)（SF）大于1.0的區(qū)域是安全的，如果SF小 于1.0被認為是不安全的，需要對巷道側(cè)幫進行支護控制。4.2.2有限元分析（1）模型的建立根據(jù)15#煤層的地質(zhì)采礦條件，建立有限元模型如圖4,4所示。模型中的巖層 和順序基本按照地質(zhì)說明書中所提供的資料建立。模型的幾何尺寸按不小于巷道 幾何尺寸的8倍考慮。由于地質(zhì)報告中所提供的巖石物理力學指標不完全，所以 采用同類礦區(qū)的有關數(shù)據(jù)和資料。10圖4.4有限元模型（2）應力分析和松散破碎區(qū)范圍的確定根據(jù)有限元計算，最大主應力和最小

23、主應力分布如圖4.5和圖4.6所示。根據(jù)最大主應力和最小主應力分布，有限元程序自動計算出摩爾庫侖安全系數(shù)如圖 4.7所示。根據(jù)有限元分析可以看出：破碎圈（SFC 1）：在巷道周圍產(chǎn)生了一個 SF小于1的破碎圈，破碎圈的最 大深度在1.2m左右。穩(wěn)定圈（1SF1.2）:此區(qū)域安全系數(shù)在11.2之間，屬于穩(wěn)定圈。但考慮到巷道的長期穩(wěn)定性，此區(qū)域不屬于安全圈，其最大深度達到1.6m左右。安全穩(wěn)定圈（SF1.2）:在安全系數(shù)大于1.2的范圍內(nèi)是安全穩(wěn)定圈。為了 錨周到松散破碎帶以外的穩(wěn)定巖層中，錨桿的長度應在20002200mm問。11-89?1-S121 -7271 -6420 -S570 -472

24、0-3870 -3口 1 口 -2169最大主應力分布-3975 -3 334 一2,駛-2 DE1-1405-7 百7.47-125,913515.1157*十？工十H-T!13二二二二二 一二一二一二一士三支士;三十工王i+H-王 二二.一 * 二H i L _ ii53二二 一 士；子圖4.6最小主應力分布12圖4.7摩爾庫侖安全系數(shù)分布(3)錨桿的長度確定根據(jù)圍巖松散破碎圈分析，錨桿的長度選為2200mm以保證至少600mm勺錨桿錨固在穩(wěn)定圍巖中。6.2.3 錨桿安裝應力確定錨桿的安裝應力是主動支護的源泉。其首先可以壓實浮煤浮什，保證錨桿系 統(tǒng)的及時早期支護效果，控制早期變形；另一方面

25、可以減少和消除拉應力和頂板 離層，保證頂板穩(wěn)定達到最佳梁的效果。錨桿安裝載荷的有限元二級分析模型如圖 4.8所示，錨才f長度為2200mm頂 錨桿每排5根，錨中干排距0.9m。3,皆置思震雪mas 屋EttESn思nls-iH星l-lBsSEIE 域” .ES睡花器”濫植一Lli唐一 tktfc. Msl良 as一uM=-RsMzNlmnlm1a2= i-Eutu拄 顯求“諦空器把苣X電法靛讓比設展注的iH*l -L IL HfebfeV -L EkKUEKhnEEk- k klEBkhh-11 L3K Bfi 11 i. JI UI .1 to I IKJJBII.M.IWB i i fa

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27、9 to HE EL fc h h L ta 一-lualtis:w*IH5T:ulE*w.MiE:i. Esisssn1.必詔!門!|器:!.睛”展ExhE:1!EEkluc&b tEht EE-BE talkka HbE BE ELKbbLfe bbEbr Bk Bbbb -FE-BE fapbhb I hME E E hEfa h LnB frkEk- Bk *fa.一 憚 siIBbmH二!得藩 SJ-t:IB:、.fwIB-! :圖4.8有限元二級模型13(1)合理錨桿安裝載荷的確定通過改變模型中錨桿的安裝載荷，進行了一系列的模型運算，最終獲得合理 的安裝載荷的大小，以達到無離層、頂

28、板中的拉應力最小的最佳組合梁效果。安裝應力1t模型中錨桿施加1t的安裝應力。圖4.9為1.0t安裝載荷時的應力分布和變形 圖，灰色區(qū)域為受拉區(qū)。由圖4.9可以看出，巷道頂板有較大的拉應力分布區(qū)，也 是頂板不穩(wěn)定區(qū)。通過模型放大(圖 4.10)可以看出，在1.2m的頂板范圍內(nèi)有數(shù)個離層發(fā)生-t-t-r 44-I一二二二二二- L4* T-j-*-+-!-4+ F4-k*十十T44-I44-4-4-44T T-+寸+匚三七/甚EU4T4-r h十十廿十-十*十rtr =十寸+- 雎至曬姿44+14 +TT+十4+4#mm J-kfc十圖4.9 1.0t安裝載荷時的應力分布和變形圖再If；布FTin

29、rri*苴二黃就：阿一忙得后ETHTTECtr 例：考匚圖4.10放大后的頂板離層14基于上述計算結(jié)果可知，1.0t的安裝載荷不足以控制頂板離層和消除頂板的拉 破壞區(qū)，所以必需進一步提高錨桿安裝載荷。安裝應力2t模型中，錨桿安裝應力從1t增加到2to圖4.11為2.0t安裝載荷時的應力分布 和變形圖，灰色區(qū)域為受拉區(qū)。由圖4.11可以看出，巷道頂板仍有較大的拉應力分布區(qū)，也是頂板不穩(wěn)定區(qū)。通過模型放大（圖 4.12）可以看出，安裝應力增加 到2t,在300mm深處的頂板離層閉合，但在 600、900、1200mm深的頂板離層仍然存在H:n:rE:I:uUMF+ + 4* * *1* * *+4

30、 *-+ +1.*4441 *1，*呻, 4 tft +* + * ft* +t-t4 L14 31 a 444-1-1 4- 4-44 *- I-I 4 4 4 4- # 4 4 * 4-4 4$4 4 4*上4 4-44 4-4 4 4-*44 44-耳 A *4-* *-* + 1-f-fr 1-f * * 整+ 4 寸十 ，嘈呻 * F * * * . * *，+ *44 4-f* * -* *4 * * * -* * *+ +-* *#*+* + * * 4-4 +4- + +4 * *+ “+*.*Id 1 +T*hG - $d +4 -d-4-* 鼻，T4 4 f t中+彳fr

31、* .十號i中恥* * *十1 * + r + r* Hf-r+f -r 1* 1* / 十t f 4 f b + t W , i hlttt9*tl+f4*1+1，-r-F * ir+r-F十4+ d鼻 t十*f * !|-l，+ 4- -3,* + + l-T-*- J-T-* *T + 4 -J-t I-4 * ,i 4 -r n r r T k r B i ,44 1* f-* r+r-r-f * 承管-，,?十中番，*+4 * tt4 +4+* * +4 3圖 4.11 2.0tHmttHHHSEHt-t-fr 1-t-t 11十5 1-+十寸 1-rninimrr：n：tt圖 4.

32、12放大后的頂板離層15基于上述計算結(jié)果可知：2.0t的安裝載荷盡管改善了離層狀況， 但還不足以控 制所有頂板離層和消除頂板的拉破壞區(qū)，所以必需進一步提高錨桿安裝載荷。安裝應力3t模型中錨桿安裝應力從2t增加到3to圖4.13為3.0t安裝載荷時的應力分布和 變形圖，灰色區(qū)域為受拉區(qū)。由圖 4.13可以看出，盡管拉應力區(qū)有所減小，但巷 道頂板仍有較大的拉應力分布區(qū)，也是頂板不穩(wěn)定區(qū)。通過模型放大（圖4.14）可以看出，安裝應力增加到 3t,在300mm和600mm深處的頂板離層閉合，但在900、1200mm深的頂板沙仍然存在圖4.13 3.0t安裝載荷時的應力分布和變形圖工I1*+*圖4.14

33、放大后的頂板離層16基于上述計算結(jié)果可知：3.0t的安裝載荷盡管改善了離層狀況，但還不足以控制所有頂板離層和消除頂板的拉破壞區(qū)，所以必需進一步提高錨桿安裝載荷。安裝應力4t模型中錨桿安裝應力從3t增加到4to圖4.15為4.0t安裝載荷時的應力分布和變形圖，灰色區(qū)域為受拉區(qū)。由圖 4.15可以看出，頂板拉應力區(qū)全部消除。通過圖4.15 4.0t安裝載荷時的應力分布和變形圖模型放大（圖4.16）3,所有頂板離層都閉合圖4.16放大后的頂板離層基于上述計算結(jié)果可知，4.0t的安裝載荷達到了最佳組合梁的準則，所以錨 桿安裝應力最小應為4t o17(2)小結(jié)根據(jù)有限元分析，提高安裝應力可以減小或消除頂

34、板中的拉應力區(qū)，可以消 除頂板巖層的離層，從而取得最佳組合梁的效果。正邦煤業(yè)有限公司15#煤層回風 順槽沿底掘進的巷道所需的最小錨桿安裝應力為4to4.3 輔助支護系統(tǒng)設計輔助支護系統(tǒng)的目的是：1)保證巷道長期穩(wěn)定性；2)適應回采工作面的動 壓需求；3)適應于地質(zhì)條件變化的要求。(1)錨索參數(shù)及設計錨索長度：為了保證錨索能錨周到頂板穩(wěn)定圍巖中，同時根據(jù)井下的實際資料確定，錨索的長度選擇為6.3m。錨索安裝應力：錨索的安裝應力不低于8to(2)錨索幾何尺寸及技術(shù)參數(shù)錨索直徑：15.24mm屈服強度：大于1860MPa抗拉載荷大于36to配 件：索具、球墊圈、加強管、鳥窩等；托 盤：300X 30

35、0X 10mm高強托盤，托盤強度大于 30t。(3)錨索布置錨索采用“1+2”布置，錨索排距為0.9m。(4)錨固劑每套錨索采用3支CK2350勺超快速樹脂藥卷。為了解決軟巖條件下錨索的錨固力不足的問題，選用快裝高預應力“鳥窩”錨索，其結(jié)構(gòu)如圖4.17 o坐.雷圖4.17快裝高預應力“鳥窩”錨索18其中：索頭保護套用于防止錨索索頭在運輸及安裝過程中散股。一旦散股，會給錨索安裝帶來很大不便。“鳥窩”具有以下作用：對中：“鳥窩”的大小一般設計制造的比鉆孔直徑小 2mm這樣可以 保證錨索在孔中對中，使得樹脂在錨索周圍均勻分布，從而用較少 的樹脂用量取得最大的錨固力。更好地攪拌樹脂：“鳥窩”可以起到均

36、勻攪拌樹脂的作用，從而增 加錨索的拉拔力。樹脂一錨索有機結(jié)合：“鳥窩”是中空的，在樹脂攪拌過程中，樹 脂充滿鳥窩，可以使樹脂和錨索成為一整體，從而進一步增加錨索 的拉拔強度，減少樹脂用量。加強管：加強管是為了安裝方便，在錨索接觸樹脂后，錨索更容易送入 孔中。索具：不象目前國內(nèi)常用錨索是在井下安裝索具，高預應力“鳥窩”錨 索的索具是預先安裝好在鋼絞線上的。這一方面減少了井下工人的安裝 量，另一方面也是最重要的，錨索是根據(jù)設計定長的，安裝工人無法隨 意剪斷錨索。4.4 表面控制由于巷道在煤層中掘進，且頂煤較為破碎，因此巷道表面控制工作非常關鍵， 表面控制對于充分發(fā)揮錨桿支護系統(tǒng)的作用非常重要。表面

37、控制和錨桿、錨索托 盤組成一個系統(tǒng)是支護系統(tǒng)的支護作用點，其破壞和失穩(wěn)意味著支護系統(tǒng)的失效。 有效的表面控制系統(tǒng)應保證：托盤不壓入頂板托盤無翻盤現(xiàn)象無片幫片頂、漏頂和網(wǎng)兜現(xiàn)象錨桿和表面控制系統(tǒng)一起形成最佳組合梁。表面控制包括鋼帶、金屬網(wǎng)和托盤等：鋼帶：W鋼帶可以把錨桿聯(lián)結(jié)成為一個整體，并具有很好的表面控制效果。W鋼帶型號為BHW270-2.50其成形寬度為270mm厚度為2.5mm頂板鋼帶長度為 3900mm W形狀和所選用的高強材料提高了鋼帶的鋼性。19金屬網(wǎng)：金屬網(wǎng)不僅具有防止漏肝漏頂，而且其自身的強度還可以控制兩幫 變形，并可以與錨桿、鋼帶形成一個整體，增加了支護系統(tǒng)的整體性。托 盤：根

38、據(jù)長期的支護經(jīng)驗和測試結(jié)果，在軟煤條件下，對于高強18mm的桿體，托盤不小于150X 150X 8mm托盤承載強度不小于15t。錨索托盤不小于300 X 300x 10mm承載強度不小于30t。止匕外，為提高巷道幫部的支護效果，同時考慮巷道支護成本，15#煤層回風順槽兩幫現(xiàn)在采用的玻璃鋼錨桿易發(fā)生剪斷現(xiàn)象，建議進行優(yōu)化改進4.5 小結(jié)根據(jù)上述分析和設計，支護方案總圖見圖 4.18和圖4.19。(1)頂板錨桿根據(jù)現(xiàn)場條件及施工經(jīng)驗，為提高頂板支護的安全系數(shù)，確定頂板每排采用5 套錨桿。直徑：18mm,長度2200mm桿體材料:Q500礦用高強螺紋鋼，屈服強度理論值 12t,實測值大于14t;抗拉

39、強度理論值15t,實測值大于17to托盤：150X 150X 8mm球型托盤強度大于15t。阻尼螺母：阻尼100120NM“三明治”墊片：提高錨桿的安裝應力。錨桿實物圖如下。錨索鳥窩錨索直徑：15.24mm 長度6300mm屈服強度：大于1860MPa抗拉載荷大于26t;錨索托盤：300X 300X 10mm球型托盤強度大于 30t 金屬網(wǎng)+W 鋼帶(厚2.5mm,長3900mm)。20(2)兩幫錨桿：執(zhí)行現(xiàn)在的支護參數(shù)，對錨桿結(jié)構(gòu)進行改進(3)超前支護采用捷馬公司專門研發(fā)的超前有壓支護系統(tǒng)，提高超前支護效果。75融默麟猿中族千翻4.18順槽支護系統(tǒng)平面圖21單位：mm*富缽案鳥窩惟索二 種懺

40、普濟（注明：高強預應力錨桿長度為也好輸桿直輕為18m； 頂板鳥窩檢索長度為6.加,宜徑均為限加加, 頂板管我朋口加加偌索排布置在酶銷樣的中嘰）不料期橢收F底軸因圖4.19 順槽支護系統(tǒng)剖面圖15#煤層回風順槽沿底掘進段每米巷道材料消耗如表4.122表4.1巷道支護材料消耗表序 號材料名稱規(guī)格尺寸配置每米材料 消耗量單價 （元）備注1高強扭矩應力錨桿 18 X 2200mm#500桿體， 阻尼螺母5.5套28.75原產(chǎn)品中錨桿 沒有阻尼2三明治墊 圈5.5套1.43與錨桿配套用3高強托盤150*150*8mm強度大于17t5.5個9.24與錨桿配套用4玻璃鋼錨桿 16X 1600mm6.6套5快

41、裝鳥窩 錨索 15.24 x 6300mm鋼絞線，鳥 窩，加強管, 球型墊圈，1.7套60.726鎖具1.7個20.00與錨索配套用7錨索托盤300*300*300mm托盤強度大于30t1.7個44.00與錨索配套用4WiW帶BHW270-2.50-3900mm5孔,孔間距900mm1.1條128.7033元/米5鋼帶托盤270-2.50-300mm幫錨桿用6.6個6錨固劑CK2335錨桿用24支7錨固劑CK2350錨索用3.4支8金屬網(wǎng)礦方自備每米巷道支護材料費用為兀說明：以上價格含稅17%不含運費為方便現(xiàn)場施工及提高錨桿的施工效果，第一次采用扭矩應力錨桿時應配備 的工具如表4.2。表4.2

42、施工機具名稱規(guī)格單位數(shù)量單價（元）錨桿攪拌器M22-B19個8K16-B19個4T-型扳手M22個3機械式扭矩放大器JND22/3.5-B19臺4超前支護系統(tǒng)4T套4套合計235井下工業(yè)性試驗為了確定設計所采用錨桿等支護材料的性能，除需對錨桿等支護材料的出廠檢 驗外還需對其做井下性能測試。井下測試的主要目的是對錨桿的安裝應力、扭矩 應力、錨桿錨固力、錨固劑性能等實際技術(shù)參數(shù)進行測試，以確定錨桿的安裝參 數(shù)和工藝要求。（1）錨桿安裝工藝基本參數(shù)：錨桿類型：高強扭矩應力錨桿錨桿長度：2200mm錨桿直徑：18mm鉆孔直徑：28mm樹 脂：錨桿采用2只直徑23mmfe度350mm勺超快速樹脂（CK2

43、33% 2）,。（2）安裝步驟打孔，用錨桿機打鉆孔?？咨畋儒^桿托盤到末端長20mm建議孔深2160mm 把樹脂藥卷和錨桿推入規(guī)定的孔位。利用錨桿和錨桿攪拌器通過錨桿機的上推力把樹脂推入孔中直到錨桿托盤離頂板 10mmfc右。注意在上推樹脂時盡量不 要旋轉(zhuǎn)，避免把托盤死死壓在頂板上。完成第2步后，迅速旋轉(zhuǎn)錨桿攪拌10-15秒（旋轉(zhuǎn)攪拌時不要施加上推力）， 然后順勢上推錨桿使托盤貼近頂板。停：完成攪拌后停止30秒鐘左右讓樹脂充分凝固。上緊螺母：旋轉(zhuǎn)攪拌器上緊螺母。在緊螺母時應給最大扭矩而不要施加上 推力以最大限度地上緊螺母。用扭矩放大器或手動加長扳手，進一步上緊螺母，達到規(guī)定的安裝應力。錨桿安裝可

44、以總結(jié)為：一推（推樹脂至鉆孔規(guī)定位置），二轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)攪拌樹脂）， 三等（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進行施工，否則會出現(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。（3）錨桿安裝質(zhì)量檢查標準合格的錨桿安裝應該滿足下列標準：充填在螺母的樹脂阻尼必須全部脫落，否則錨桿無法達到安裝載荷。 塑料墊圈必須溶化掉。24錨桿外露長度為30mrrr 80mm 用扭矩扳手檢驗，頂板錨桿安裝扭矩不低于200N.m,兩幫錨桿不低于100N.ni（2）錨索安裝與測試錨索井下安裝培訓捷馬公司對所提供的產(chǎn)品進行全面的技術(shù)培訓。錨索拉拔試驗15.24mm的快裝鳥窩錨索

45、的拉拔力需要大于 23t，設計選用CK2350W脂2只， 正常情況下可以滿足錨索的拉拔力。錨索安裝1）鉆孔深度大于錨索長度（從托盤到錨索前端的距離）3-5cm。2）鉆孔打好后，輕輕將選定的錨固劑推入鉆孔，要確保不使錨固劑外殼破裂。3）用安裝好墊圈和托盤的錨索將錨固劑緩緩推入鉆孔，直至推不動為止。4）將預先安裝在鉆機上錨索攪拌器跟錨索的尾部連接，快速攪拌錨固劑，攪 拌錨固劑的同事鉆機推力要最大。錨固劑攪拌時間為25-30秒，攪拌錨固劑停止時要確保錨索托盤靠近巖面。5）錨固劑攪拌完畢5分鐘后即可用錨索漲拉器拉緊錨索，錨索預應力要達到 80kN以上。6巷道支護效果及礦壓觀測方案為全面檢測正邦煤業(yè)有限

46、公司15#煤層回風順槽采用高強扭矩應力錨桿與鳥窩 錨索支護段巷道的支護狀態(tài)，監(jiān)控巷道所受到的掘進和采煤工作面影響， 掌握圍巖 的變形規(guī)律，確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時采取措施保證礦井安全生產(chǎn)。通過監(jiān) 測來驗證扭矩應力錨桿支護設計的合理性，檢驗支護質(zhì)量，同時為優(yōu)化錨桿支護設計提供科學依據(jù)，為相似采礦地質(zhì)條件下的巷道支護提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。本次礦壓監(jiān)測的主要內(nèi)容包括：巷道煤巖體表面位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、扭矩應力錨桿 受力狀態(tài)監(jiān)測、扭矩應力錨桿安裝應力監(jiān)測與扭矩應力錨桿錨固力監(jiān)測。6.1 煤巖體表面位移監(jiān)測（1）斷面位置及間距以采用高強扭矩應力錨桿支護的巷道端為開始點，第一觀測斷面位置距離開 始點

47、30m然后向順槽掘進方向每掘進50m布置一個測試斷面，共設置3個測試斷 面，分別為第一、第二、第三和第四測試斷面（為監(jiān)測斷層附近或特殊圍巖條件25 的巷道變形，斷面間距可以適當擴大或縮小，斷面盡量選擇在頂板和兩幫相對較 完整的位置，以便于觀測）。（2）測點布置方式及施工要求扭矩應力錨桿支護巷道位移監(jiān)測斷面測點布置圖如圖6.1所示。圖6.1測點布置圖施工技術(shù)要求：1）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。2）為準確定位測點位置，需在各測點所在位置的煤巖體內(nèi)打一個深0.5m,直徑為29mm勺鉆孔，然后在鉆孔中央放置一段長 0.55m,直徑為22mm勺螺紋鋼，并 用快硬水泥把鋼筋

48、固定在鉆孔內(nèi)，鋼筋要露出2050mm（也可以采用木樁或別的材料作為基點）。3）測點布置后，應注意保護斷面，防止測點被破壞。（3）測試時間安排及測試要求測試斷面布置的當天進行第一次測量，以后每兩天觀測一次，一周后改為5天一次，直到巷道基本穩(wěn)定為止。測試內(nèi)容為A與B、C與D A與E及C與E之間的距離，各測點的位置以外露 基點的頂端平面為基準，測量要認真，讀數(shù)要準確，并做好記錄（各測試斷面的 記錄表按設計表進行）。本測試采用的測量儀器為米尺加測純（采用測桿也可以）。 在測試過程中發(fā)現(xiàn)異常情況時，應及時向帶隊人員反映，并通知生產(chǎn)技術(shù)科，等 問題解決后再進行作業(yè)。（4）數(shù)據(jù)處理根據(jù)觀測的結(jié)果，作出巷道表面位移隨時間變化的曲線， 根據(jù)曲線分析巷道穩(wěn) 定性受掘進和工作面回采的影響程度，總結(jié)巷道表面位移的變化規(guī)律，確定巷道26 的穩(wěn)定程度和扭矩應力錨桿的支護效果。6.2 頂板離層監(jiān)測在采用高強扭矩應力錨桿支護段的第一個觀測斷面左右2m范圍內(nèi)的頂板安設第一個頂板離層指示儀，以后每隔50m安設一個頂