順槽支護(hù)方案

1、內(nèi)蒙古烏海能源公司老石旦煤礦北三16404工作面回風(fēng)順槽支護(hù)方案設(shè)計捷馬（濟(jì)寧）礦山支護(hù)設(shè)備制造有限公司2011年10月23日老石旦煤礦16401工作面順槽采用錨桿和金屬網(wǎng)進(jìn)行一次支護(hù)，采用U型鋼棚進(jìn)行二次支護(hù)，但在回采過程中U型棚回撤困難，同時巷道維護(hù)效果不好，需要補(bǔ)打錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。為此礦上決定在16404工作面取消U型鋼棚支護(hù)，采用錨網(wǎng)和錨索進(jìn)行支護(hù)。捷馬公司的技術(shù)人員在礦上及公司生產(chǎn)處有關(guān)人員的帶領(lǐng)下，分兩次對井下北三16404工作面及16401工作面順槽的支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)合礦上的有關(guān)資料，捷馬公司對井下支護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行評價，同時將對北三16404工作面回風(fēng)順槽提出支護(hù)方案建議，供礦方

2、參考，以達(dá)到在掘進(jìn)和回采中安全、經(jīng)濟(jì)、快速的目的。本報告包括以下內(nèi)容：（1）地質(zhì)及采礦條件概況（2）原有支護(hù)方式及存在的問題分析（3）16404工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)思路及改進(jìn)的主要參數(shù)（4）整體耦合讓均壓支護(hù)理念（5）支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的確定（6）試驗前的準(zhǔn)備工作（7）現(xiàn)場支護(hù)觀測及評價1 地質(zhì)及采礦條件概況北三16404工作面位于北三采區(qū)，井下位置在北一采煤柱與北三煤柱之間，距16402工作面運輸順槽80米。16402工作面現(xiàn)正在回采中。16404工作面所采煤層為16煤層。16煤層共分為4層煤，其中16-4煤層平均厚度為3.05m，傾角為818°，煤層硬度系數(shù)f=1.5，煤層層理

3、及節(jié)理發(fā)育。煤層頂?shù)装迩闆r如下表所示。表1 巷道頂?shù)装迩闆r表頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度（m）巖性特征老 頂砂頁巖4.01m較完整直接頂煤及頁巖互層8.03m較完整直接底細(xì)砂巖4.92m較完整老 底砂頁巖2.17m較完整16404工作面回風(fēng)順槽沿16-4煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，巷道斷面設(shè)計采用矩形斷面進(jìn)行設(shè)計，巷道設(shè)計寬為4200mm，高為3500mm。16404工作面回風(fēng)順槽具有如下特點：（1）巷道采用矩形斷面，可以解決拱形斷面回采時遇到的超前支護(hù)問題。（2）圍巖節(jié)理層理發(fā)育。（3）巷道主要受工作面超前支撐壓力的影響。2原有支護(hù)方式及存在的問題分析2.1原有支護(hù)方式傳統(tǒng)工作面回風(fēng)順槽設(shè)計采用錨桿+金屬網(wǎng)

4、+U型鋼棚，巷道采用半圓拱形。錨桿參數(shù)錨桿：18×2000mm圓鋼錨桿托板：150×150mm梯子梁：四孔型14×2800×100mm金屬網(wǎng)：1200×5000mm樹脂藥卷：S2360、Z2360U棚規(guī)格29kg/m U型鋼2.2 存在的問題及分析根據(jù)井下觀察，目前支護(hù)存在著錨桿支護(hù)主動效果差，錨桿和錨索支護(hù)無法達(dá)到耦合狀態(tài)，護(hù)表效果差等問題，而且巷道支護(hù)成本高，很難保證目前支護(hù)能夠滿足回采的需要。（1）錨桿工作狀態(tài)初期支護(hù)：安裝應(yīng)力沒有明確要求，安裝扭矩與安裝應(yīng)力的關(guān)系不明確，雖然對安裝扭矩有要求，但從現(xiàn)場情況看，很多錨桿托盤沒有緊貼巖面，安

5、裝應(yīng)力很小甚至為0，錨桿無法真正起到主動支護(hù)的作用。后期受力：錨桿受力不明顯，很多錨桿隨著圍巖的變形一起變形，造成圍巖表面破碎。雖然錨桿桿體的直徑及強(qiáng)度較大，但錨桿對圍巖的支護(hù)力卻很小，造成錨桿與圍巖的變形及受力不耦合，錨桿沒有起到應(yīng)有的支護(hù)作用，造成錨桿失效。錨桿產(chǎn)品質(zhì)量：所用的托盤、螺母與桿體強(qiáng)度不匹配，無法保證錨桿在受力時充分發(fā)揮桿體的作用，在很多情況下是由于托盤和螺母的強(qiáng)度達(dá)不到要求造成錨桿后期失效。（3）護(hù)表效果表面支護(hù)主要是由托盤、金屬網(wǎng)背板木材組成。托盤的強(qiáng)度及大小必須與錨桿桿體的強(qiáng)度相匹配，充分發(fā)揮錨桿的作用；金屬網(wǎng)必須保證能夠適應(yīng)圍巖的變形需要；（4）U型鋼棚子支架16401

6、工作面順槽二次支護(hù)方式為U型鋼棚子支護(hù)，很明顯，U型鋼棚子支護(hù)效果不盡人意，存在的問題比較多：l 架設(shè)時很難接頂，受力不均，在巷道圍巖產(chǎn)生大量破壞變形之前，基本上載荷很小，起不到支護(hù)作用。l 在工作面支撐壓力影響區(qū)，U型鋼支架在煤壁前方需要撤腿，在撤腿過程中引起頂板下沉嚴(yán)重，巷道高度減小，嚴(yán)重影響巷道的使用。l 由于巷道是半圓形，端頭支護(hù)在型梁和拱之間需要打木垛。l U型鋼本應(yīng)在超前支撐壓力范圍內(nèi)支護(hù)巷道，但由于替腿和換梁，U型鋼完全失去支護(hù)作用，而且需要花費大量人工回收。l 端頭支架和順槽U型棚無法配合，造成端頭支護(hù)非常困難，已經(jīng)成為制約工作面推進(jìn)的主要因素。l U型鋼棚子運輸及安裝不方便，

7、從經(jīng)濟(jì)方面無法與錨網(wǎng)支護(hù)相比。（5）圍巖及變形情況總體來講，在不受超前影響之前，巷道變形在目前的支護(hù)方式下變形不大，然而在受到支撐壓力影響后，巷道圍巖破碎，頂板下沉量大。這一方面是錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在問題，另一方面替棚換梁造成U型棚在超前支撐壓力去完全失去作用。當(dāng)然目前的端頭支架不配套也是主要問題之一。3 16404工作面順槽支護(hù)思路及改進(jìn)的主要參數(shù)3.1支護(hù)思路16401工作面順槽目前采用錨網(wǎng)+U型鋼支架進(jìn)行支護(hù)，安裝U型鋼支架的主要作用一是對圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，二是對工作面進(jìn)行超前支護(hù)，適應(yīng)回采的需要。然而通過井下觀察，在受支撐壓力之前，圍巖的變形并不明顯，U型棚沒有起到支護(hù)的作用；而且在受支撐

8、壓力之后，由于巷道斷面是半圓拱斷面，在型梁與U型鋼支架之間需要架設(shè)木垛，端頭支架無法與U型鋼配合，支架回撤困難，影響工作面回采，U型鋼支架沒有真正起到超前支護(hù)的作用。根據(jù)上面的分析，U型鋼既沒起到支護(hù)的作用，也沒起到超前支護(hù)的作用，而且回撤存在很多問題，因此取消U型鋼支架不可避免；拱形斷面對回采工作面端頭支護(hù)及超前支護(hù)影響較大。因此，16404工作面回風(fēng)順槽支護(hù)思路如下：（1）根據(jù)目前的條件，能否取消U型鋼支架。（2）拱形斷面不利于巷道超前支護(hù)以及端頭支護(hù)，能否變拱形斷面為矩形斷面。（3）根據(jù)上面的分析，目前支護(hù)的重點是如何保證在矩形斷面條件下采用錨網(wǎng)支護(hù)一次性支護(hù)成功。根據(jù)目前錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的

9、發(fā)展，現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)完全能夠保證矩形巷道條件下圍巖的穩(wěn)定。針對老石旦煤礦存在的問題，為了實現(xiàn)錨網(wǎng)支護(hù)一次成功的目標(biāo)，必須對目前支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。在目前的支護(hù)水平條件下，根據(jù)長期的支護(hù)經(jīng)驗，只要設(shè)計合理，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，施工管理滿足要求，實現(xiàn)矩形巷道取消U型鋼支架是完全可行的。巷道支護(hù)主要包括支護(hù)設(shè)計、支護(hù)產(chǎn)品以及現(xiàn)場施工和觀測，因此，這就需要對巷道進(jìn)行有針對性的支護(hù)設(shè)計，采用滿足設(shè)計要求的支護(hù)產(chǎn)品，制定檢驗標(biāo)準(zhǔn)及礦壓觀測標(biāo)準(zhǔn)保證井下施工質(zhì)量，并為修改支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。支護(hù)設(shè)計：針對巷道的地質(zhì)條件和采礦特點進(jìn)行分析，有針對性的提出支護(hù)的重點；對安裝應(yīng)力進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，以保證錨桿的主動支護(hù)效果，充

10、分調(diào)動圍巖的承載能力；對錨桿錨索進(jìn)行耦合支護(hù)設(shè)計，使錨桿錨索和圍巖從應(yīng)力和變形兩個方面達(dá)到耦合狀態(tài)；對支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計，盡量使圍巖保持整體狀態(tài)。支護(hù)產(chǎn)品：所選用的產(chǎn)品從產(chǎn)品性能來講必須滿足設(shè)計要求；支護(hù)產(chǎn)品的配件（托盤、螺母、墊圈、索具、讓均壓裝置）等必須滿足錨桿桿體或者鋼絞線的強(qiáng)度及變形要求?，F(xiàn)場施工：為保證施工質(zhì)量，必須制定施工標(biāo)準(zhǔn)，同時要對工人進(jìn)行施工培訓(xùn)，保證錨桿錨索能夠滿足設(shè)計的要求；同時為保證支護(hù)系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計的需要，需對井下施工巷道進(jìn)行礦壓觀測和評價，為支護(hù)參數(shù)的修改提供依據(jù)。3.2 改進(jìn)的主要參數(shù)根據(jù)上面的分析，16404工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)的重點是變二次支護(hù)為一次支護(hù)

11、，取消棚子支護(hù)。因此16404工作面回風(fēng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)需要改進(jìn)的主要參數(shù)有以下幾個方面：（1）安裝時初期支護(hù)參數(shù)的設(shè)計：必須解決初次支護(hù)系統(tǒng)失效問題。初次支護(hù)系統(tǒng)的錨桿，錨索的長度和布置需要調(diào)整。（2）后期支護(hù)參數(shù)的設(shè)計：錨桿，錨索的耦合均壓支護(hù)共同支護(hù)頂板。盡最大能力提高支護(hù)系統(tǒng)的效率，同時防止錨桿錨索破斷。（3）表面支護(hù)問題。（4）錨桿、錨索與圍巖之間變形耦合問題。（5）支護(hù)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。（6）施工標(biāo)準(zhǔn)及檢驗標(biāo)準(zhǔn)的建立。（7）礦壓觀測及評價。4 整體耦合讓均壓支護(hù)理念4.1耦合讓均壓的概念在巷道穩(wěn)定控制中，錨桿支護(hù)的最基本點是通過錨桿支護(hù)系統(tǒng)對圍巖施加主動力實現(xiàn)早期主動支護(hù)以增加圍巖的強(qiáng)

12、度和承載能力。實現(xiàn)錨桿支護(hù)系統(tǒng)與圍巖共同作用保持圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)彈塑性力學(xué)基本原理，所謂耦合的概念對一個單獨的支護(hù)體相對圍巖來講就是在保證圍巖穩(wěn)定的條件下，支護(hù)體（錨桿或索）和圍巖間必須達(dá)到圍巖應(yīng)力錨桿載荷平衡（應(yīng)力耦合），圍巖位移錨桿變形協(xié)調(diào)（變形耦合）。為了保證圍巖穩(wěn)定性和防止錨桿（索）破斷，錨桿（索）支護(hù)設(shè)計必須滿足下列條件：（1）足夠的安裝載荷以保證及時主動支護(hù)。（2）適宜的支護(hù)強(qiáng)度以保證錨桿（索）和圍巖間的應(yīng)力載荷平衡（應(yīng)力-載荷耦合）。（3）圍巖表面位移滿足圍巖穩(wěn)定性要求。（4）足夠的延伸距離以保證錨桿（索）和圍巖間的變形協(xié)調(diào)（變形耦合）。4.2整體耦合讓均壓設(shè)計理念巷道錨桿（索

13、）支護(hù)是按一定設(shè)計的間排距由數(shù)根錨桿（索）組成。由于沿巷道周邊變形大小不一，錨桿和錨索物理力學(xué)性質(zhì)和幾何尺寸不同，導(dǎo)致不同位置的錨桿（索）變形和載荷不同。為了充分發(fā)揮每根個體錨桿（索）的作用， 防止錨桿（索）早期破斷，實現(xiàn)共同協(xié)調(diào)支護(hù)圍巖的作用，個體支護(hù)體間也必須達(dá)到變形和受力耦合（均壓）。整體耦合定義為：個體支護(hù)體和圍巖間的耦合（讓壓）和支護(hù)體和支護(hù)體之間的耦合（均壓）。所以整體耦合包括以下幾方面的內(nèi)容：（1）錨桿系統(tǒng)和圍巖耦合：錨桿支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度和變形性能必須與圍巖耦合，以達(dá)到圍巖的穩(wěn)定平衡。（2）錨索系統(tǒng)和圍巖耦合：同樣，錨索系統(tǒng)作為支護(hù)的一部分，其變形性能必須與圍巖耦合，以達(dá)到圍巖

14、的穩(wěn)定平衡。（3）錨桿間的耦合：由于不同位置的錨桿所經(jīng)受的位移和應(yīng)力過程不同，其受力差別很大，這有可能引起受力大的錨桿首先破斷，進(jìn)而把其承載的力傳替到鄰近的錨桿造成錨桿順序依次破斷。（4）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(hù)體本身來講，錨桿和錨索存在著物理力學(xué)性質(zhì)和幾何尺寸的差別，這種差別如果在設(shè)計和使用過程中應(yīng)用不當(dāng)，會引起錨桿或錨索由于變形協(xié)調(diào)不好造成受力不均甚至破斷。一般而言，錨桿與錨索在延伸率、承載能力和支護(hù)范圍上存在較大的差別。延伸率：錨桿的延伸率遠(yuǎn)大于錨索的延伸率；承載能力：錨桿的承載能力遠(yuǎn)小于錨索的承載能力；支護(hù)范圍：錨索長度一般來說大于錨桿長度。（5）表面

15、支護(hù)對耦合的影響：合理的表面支護(hù)可以在盡量小的設(shè)計支護(hù)強(qiáng)度下取得最佳的耦合效果。4.3整體耦合讓均壓參數(shù)確定方法根據(jù)整體耦合讓均壓基本理念，在巷道支護(hù)設(shè)計中，必須根據(jù)具體的地質(zhì)和采礦條件，對耦合讓均壓參數(shù)進(jìn)行整體設(shè)計。包括：錨桿（索）的安裝載荷、圍巖應(yīng)力錨桿（索）載荷平衡（最小支護(hù)強(qiáng)度）、圍巖變形錨桿（索）延伸長度耦合（支護(hù)體最小延伸長度）、錨桿錨索間的耦合。4.3.1錨桿的安裝應(yīng)力錨桿的安裝應(yīng)力是控制圍巖早期變形的重要參數(shù)，是主動及時支護(hù)的源泉。安裝應(yīng)力過小會使圍巖發(fā)生過大的早期變形，松散破碎圈增大，引起頂板破碎，巷道變形增加。安裝應(yīng)力的主要作用有：（1）壓實浮巖、浮煤、金屬網(wǎng)和鋼帶等，減少

16、圍巖的早期變形量，使得錨桿支護(hù)能夠起到早期主動支護(hù)的作用。同時安裝應(yīng)力能保證錨桿支護(hù)系統(tǒng)按照設(shè)計的支護(hù)工況點工作。圖1是實驗室和現(xiàn)場拉拔曲線圖?？梢钥闯觯?a)在無安裝載荷條件下，隨著圍巖的變形，首先要壓實錨桿托盤和頂板間的浮煤、浮矸、金屬網(wǎng)和鋼帶，在此頂板變形期間，錨桿體受力緩慢，當(dāng)頂板變形達(dá)到40mm時，錨桿體才真正承載，此時圍巖可能已經(jīng)發(fā)生了破壞而進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。在這種情況下，錨桿已失去了主動早期加固圍巖的作用。(b)在安裝載荷為5t條件下，托盤和頂板間的浮煤、浮矸、金屬網(wǎng)和鋼帶在安裝應(yīng)力的作用下已經(jīng)壓實，圍巖受到5t的主動支護(hù)力。隨著圍巖的變形，錨桿體迅速受力，當(dāng)頂板變形達(dá)到4mm時，

17、錨桿體達(dá)到屈服承載能力。支護(hù)系統(tǒng)真正起到了早期（3mm圍巖變形）和主動（5t）的支護(hù)作用。（2）減少和消除頂板離層和拉應(yīng)力區(qū)，增加圍巖的自承載能力。頂板的離層和拉應(yīng)力區(qū)與安裝應(yīng)力的大小有直接關(guān)系。適當(dāng)?shù)陌惭b應(yīng)力可以消除拉應(yīng)力和防止頂板離層產(chǎn)生。圖1 22mm桿體錨桿的實驗室和現(xiàn)場拉拔曲線比較圖由于地質(zhì)采礦條件的復(fù)雜性，不可能用一個公式來確定安裝應(yīng)力的大小。目前的確定方法主要是基于數(shù)值分析和工程類比。捷馬公司經(jīng)過長期的深井高應(yīng)力支護(hù)實踐（新汶、潞安、兗礦、華亭、肥城、寧煤、平煤、邯鄲、焦作等）和大量數(shù)值分析取得了一些成果，在間排距不大于1000mm，采深在8001000m的條件下，巖石巷道的安裝

18、應(yīng)力不小于4t，全煤巷道在48t之間。4.3.2 最小支護(hù)強(qiáng)度（應(yīng)力載荷耦合）和最小延伸長度（變形耦合）（1）耦合工況點的概念。圍巖既是被支護(hù)的對象，又是支護(hù)體的一部分（自承）。錨桿支護(hù)設(shè)計必須把圍巖和錨桿系統(tǒng)作為一個整體考慮。隨著開采深度的不斷增加，巷道圍巖變形與應(yīng)力的關(guān)系變得越來越復(fù)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(dāng)變形超過錨桿（錨索）的可延伸長度時導(dǎo)致錨桿（錨索）破壞，最終整個支護(hù)體失穩(wěn)。在有沖擊傾向的圍巖條件下，由于動壓沖擊引起瞬時壓力，造成支護(hù)體（包括錨桿、錨索以及圍巖）瞬時破壞，一般的來說，是由于錨桿或錨索首先破壞而導(dǎo)致整個支護(hù)體失穩(wěn)。所以，合理的支

19、護(hù)設(shè)計必須具有一定的變形讓壓性能，以達(dá)到支護(hù)體的特性曲線和圍巖特性曲線耦合，保證在由于變形壓力引起超負(fù)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(yīng)力變形特性曲線如圖2所示。從圖2可以看出，從支護(hù)角度講特性曲線可分為三個區(qū)：圖2圍巖應(yīng)力變形特性曲線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(hù)強(qiáng)度不能明顯改善圍巖變形。B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(hù)范圍，錨桿系統(tǒng)仍然起到支護(hù)作用。在此區(qū)域內(nèi)，支護(hù)強(qiáng)度的微變將引起變形的劇烈增加。C區(qū)（圍巖破壞區(qū)）:此時

20、圍巖破壞，支護(hù)系統(tǒng)承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(hù)，如果錨桿系統(tǒng)的支護(hù)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(hù)作用，錨桿支護(hù)系統(tǒng)與圍巖同步移動。A區(qū)和B區(qū)的交點定義為耦合工況點。其包括兩個參數(shù)：支護(hù)系統(tǒng)的最小支護(hù)強(qiáng)度和最小延伸長度。在圖2的條件下分別為100t和45mm。（2）支護(hù)體（錨桿，錨索）和圍巖間的耦合一個成功的錨桿支護(hù)系統(tǒng)，不僅要求支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到要求，還要根據(jù)圍巖應(yīng)力和變形特性曲線特征設(shè)計合理的錨桿特性曲線，以適應(yīng)圍巖應(yīng)力和變形的需要。下面先回顧一下已經(jīng)用過的三代錨桿的特性曲線并分析其存在的問題。第一、二 代錨桿：普強(qiáng)全螺紋鋼錨桿和普強(qiáng)滾

21、絲錨桿。這兩類錨桿除了預(yù)應(yīng)力上稍有差別外，特性曲線基本相同。這種類型的錨桿在淺部地區(qū)效果較好，基本上解決了用錨網(wǎng)支護(hù)代替棚子支護(hù)的問題。在深部和地壓大的礦井，其支護(hù)效果不理想，巷道變形量大，翻修量大。其錨桿支護(hù)特性曲線如圖3所示。由此可以看出，第一代錨桿的設(shè)計支護(hù)強(qiáng)度過低（安裝應(yīng)力幾乎沒有）。在應(yīng)力較大的條件下，根本達(dá)不到控制圍巖穩(wěn)定的要求，導(dǎo)致松散破碎區(qū)變大，最終超過錨固區(qū)。此時，錨桿系統(tǒng)失效并導(dǎo)致錨桿與圍巖同步移動?，F(xiàn)場所表現(xiàn)的就是錨桿不破斷但巷道變形大甚至冒頂。圖3第一，二代錨桿支護(hù)工作曲線及其耦合第三代錨桿:高強(qiáng)錨桿。超高強(qiáng)錨桿是利用Q500和Q600鋼材制造的錨桿。其特點是強(qiáng)度大，但

22、加工性能不好。成品錨桿在破壞時大多在絲部脆斷，延伸率極小，無塑性變形階段。盡管其強(qiáng)度高，但由于其與圍巖變形不適應(yīng)，錨桿破斷率極高，其特性曲線如圖4所示。圖中的錨桿支護(hù)系統(tǒng)特性曲線的實線部分是錨桿在絲部斷裂時的狀態(tài)，實線+虛線是錨桿在桿體破斷時的特性曲線。由此可以看出，錨桿在絲部斷裂時的允許變形和圍巖變形相差甚大。此時盡管錨桿擁有較高的強(qiáng)度，但在圍巖大變形條件下必然斷裂。錨桿在桿體斷裂時，盡管錨桿的整體變形達(dá)到圍巖變形的要求，然而錨桿處于塑性變形狀態(tài)下工作，此時由于巷道支護(hù)安全的需要，設(shè)計錨桿時應(yīng)盡量設(shè)計錨桿的工況點在彈性范圍內(nèi)，否則變形的安全距離太小，微小的擾動和圍巖變形變化也會導(dǎo)致錨桿破斷。

23、此時如果單一地增加錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，則錨桿支護(hù)系統(tǒng)所需的最小支護(hù)強(qiáng)度超過500 t。按每排5根錨桿計算，則單根錨桿的支護(hù)強(qiáng)度不小于100t。在目前的鋼材產(chǎn)品和制造水平下，還沒有這樣的錨桿。圖4第三代錨桿工作特性曲線及其耦合耦合讓均壓錨桿（索）。耦合讓均壓錨桿是根據(jù)鋼材的原始特性，通過耦合讓均壓元件來改善錨桿（索）的工作特性曲線，使其與圍巖特性曲線耦合，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)目標(biāo)（圖5）。圖5耦合讓均壓錨桿工作特性曲線和耦合1）耦合讓均壓元件的參數(shù)有兩種途徑可以實現(xiàn)錨桿耦合讓均壓功能：一種是內(nèi)讓壓結(jié)構(gòu)，把桿體本身做成可變形結(jié)構(gòu)，但變形參數(shù)難控制且成本太高；另一種是保持桿體本身不變，利用耦合讓均壓元件

24、讓均壓耦合。根據(jù)不同要求，耦合讓均壓環(huán)根據(jù)需要可以設(shè)計制造成不同特性。這里不闡述耦合讓均壓環(huán)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和制造過程，只簡單介紹設(shè)計原理和結(jié)果。耦合讓壓均壓環(huán)的基本設(shè)計參數(shù)包括：n 讓壓點：讓壓點即讓壓均壓環(huán)設(shè)計的起始讓壓載荷。讓壓點的大小，應(yīng)保證錨桿在巷道掘進(jìn)過程中承受的總載荷小于錨桿的實際屈服極限，以保證錨桿在掘進(jìn)過程中不發(fā)生屈服破壞，同時為動壓變形階段留有充分的余地。n 讓壓載荷的穩(wěn)定性：一旦讓壓均壓環(huán)開始讓壓，載荷需基本保持穩(wěn)定，過大的載荷下降會導(dǎo)致頂板支護(hù)效果不佳。讓壓穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)可以用讓壓穩(wěn)定系數(shù)來衡量：W讓壓穩(wěn)定性系數(shù)，t/mm。W應(yīng)以不大于0.2為宜。Rt讓壓終端載荷，tR0讓壓點

25、起始載荷，tD最大讓壓距離，mm。n 最大讓壓距離：耦合讓均壓環(huán)從穩(wěn)定讓壓開始到載荷開始增加的距離，其大小根據(jù)巷道變形的具體情況按圍巖應(yīng)力-變形關(guān)系確定。2）錨桿和錨索間的耦合錨桿和錨索是由不同性質(zhì)的金屬材料制成，本身的延伸率差別很大，在應(yīng)用中其幾何參數(shù)和安裝載荷差別很大，所以在大采深高應(yīng)力條件下，兩者之間變形耦合和載荷耦合都很差，很難達(dá)到共同支護(hù)圍巖的效果。由于這種現(xiàn)象的存在，很多深井巷道在高支護(hù)強(qiáng)度條件下仍然發(fā)生大量的支護(hù)體破斷現(xiàn)象。圖6是錨索延伸率（35%）和錨桿延伸率（15%）的實驗室對比試驗。如果錨桿、錨索支護(hù)體系在井下的實際工作狀態(tài)與實驗室一致的話，低延伸率的錨索必然首先破斷。然而

26、，井下實際施工和實驗室相差太大，錨桿、錨索的實際工作曲線比實驗室復(fù)雜得多，這樣更增加了錨索破斷的概率?，F(xiàn)場實際應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生下列情況：圖6錨索延伸率和錨桿延伸率實驗室試驗比較a）無安裝載荷錨桿和高安裝載荷錨索。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場很普遍，錨桿的安裝載荷很小但錨索施加高安裝載荷（這與國內(nèi)施工機(jī)具有直接的關(guān)系）。圖7是錨桿錨索的工作曲線。此時，錨桿無安裝載荷而錨索的安裝載荷為10t。工作曲線表明，隨著圍巖變形，錨桿初期受力很小，而錨索載荷增加很快，在圍巖位移達(dá)到40mm時，錨桿才真正受力，而此時錨索已經(jīng)破斷。即錨桿和錨索耦合性能差，起不到共同支護(hù)頂板的作用。圖7錨桿錨索的工作曲線b）錨桿安裝載荷為46t

27、，錨索為20t。圖8為錨桿錨索系統(tǒng)的實際工作曲線，由此可以看出，更高的錨索安裝應(yīng)力條件下，錨索破斷前允許的頂板下沉量更小。（允許變形量僅為34mm），這間接減少了錨索的工作延伸率。而錨桿的安裝應(yīng)力4t時，其允許變形量為75mm。錨桿和錨索允許變形量的安裝差別，必然導(dǎo)致錨索首先破斷。圖8錨桿錨索的工作曲線為了解決這個問題，必須采取耦合措施使得錨桿和錨索實現(xiàn)變形和載荷耦合協(xié)調(diào)，達(dá)到共同支護(hù)圍巖的目的。圖9為整體耦合讓均壓鳥窩錨索，圖10為一般錨索和整體耦合讓均壓鳥窩錨索的工作特性曲線比較。根據(jù)需要，可以設(shè)計錨索的耦合讓壓點、讓壓距離達(dá)到錨索與錨桿耦合。圖9 整體耦合讓均壓鳥窩錨索圖10普通錨索和整

28、體耦合讓均壓鳥窩錨索的工作特性曲線比較4.3.3 表面支護(hù)表面控制是指錨桿托盤、鋼帶（鋼筋梁）和金屬網(wǎng)等。錨桿托盤是錨桿支護(hù)頂板的受力點，托盤的強(qiáng)度必須與錨桿匹配，托盤的大小必須保證在錨桿達(dá)到其屈服載荷之前圍巖不會被壓壞。所以，其尺寸和強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)桿體強(qiáng)度和圍巖強(qiáng)度確定。不合適的托盤會導(dǎo)致錨桿失效。圖11是現(xiàn)場兩種不同規(guī)格的托盤拉拔試驗。3條曲線分別是實驗室和現(xiàn)場200×200mm、120×120mm托盤條件下的拉拔結(jié)果。很明顯可以看出，120×120mm托盤受力面積太小，隨著圍巖的變形，托盤壓入頂板造成錨桿受力急劇減少，完全改變了設(shè)計的錨桿工作曲線；盡管采用了高強(qiáng)

29、錨桿，但錨桿受力達(dá)不到其屈服載荷，錨桿對圍巖支護(hù)力大大降低，從而造成圍巖移動量大。達(dá)不到設(shè)計的耦合讓均壓支護(hù)的效果。圖11 不同托盤對錨桿支護(hù)的影響試驗結(jié)果5 支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的確定根據(jù)地質(zhì)采礦條件和現(xiàn)場觀測分析，考慮錨桿初次支護(hù)系統(tǒng)失效的幾個關(guān)鍵因素：錨桿（索）長度，整體耦合讓均壓性能，安裝應(yīng)力的大小，為了實現(xiàn)盡量減少二次支護(hù)最終徹底取消二次支護(hù)，現(xiàn)對支護(hù)系統(tǒng)做出如下調(diào)整和改進(jìn)。圖12整體耦合讓均壓高強(qiáng)錨桿Q500礦用螺紋鋼，屈服噸位為16.018t，抗拉噸位為21.143t。兩幫：Q500礦用螺紋鋼，屈服噸位12.974t，抗拉噸位為17.126t。讓壓裝置：最大讓壓距離 30mm，讓壓

30、點：頂板1215t，兩幫：710t樹脂錨固劑：Ck2335×2。護(hù)表措施：頂板：編織網(wǎng)W鋼帶高強(qiáng)托盤（150×150×8mm） 兩幫：編織網(wǎng)W鋼帶高強(qiáng)托盤（150×150×8mm）間排距：錨桿排距初步確定為900mm，根據(jù)實驗情況適當(dāng)調(diào)整。間距如圖13和圖14所示。（2）輔助支護(hù) 錨索類型：整體耦合讓均壓鳥窩錨索 錨索直徑：17.78mm，最大破斷力36t 讓均壓裝置：雙泡讓壓管，最大讓壓距離 50mm，讓壓點：頂板2225t 樹脂錨固劑：根據(jù)現(xiàn)場情況確定。 錨索長度：中間錨索：9300mm；兩邊錨索：6300mm錨索托盤： 間排距：錨索布置如

31、圖所示圖13 巷道支護(hù)斷面圖圖14 頂板支護(hù)平面圖表2 支護(hù)所需產(chǎn)品列表及每米材料消耗量整體耦合讓均壓鳥窩錨索17.78×9300mm索具、加強(qiáng)管、索頭保護(hù)套、球墊、300×300×12mm高強(qiáng)托盤，雙泡讓均壓裝置0.56套整體耦合讓均壓鳥窩錨索17.78×6300mm索具、加強(qiáng)管、索頭保護(hù)套、球墊、300×300×12mm高強(qiáng)托盤，雙泡讓均壓裝置1.11套W鋼帶2.75×275×4100mm頂板錨桿用1.11條W鋼帶2.75×275×3300mm經(jīng)估算，每米支護(hù)材料成本1790元左右。表3 所

32、需設(shè)備與配套工具（現(xiàn)場試驗后確定）序號工具名稱規(guī)格尺寸數(shù)量備注1頂板錨桿鉆機(jī)礦上自備2幫錨桿鉆機(jī)風(fēng)煤鉆3鉆桿、鉆頭礦山自備4錨桿攪拌器B19/M246捷馬公司5錨桿攪拌器B19/M226捷馬公司6錨索攪拌器B19/K17.7812捷馬公司7扭矩放大器B19/M24-3.56捷馬公司8扭矩放大器B19/M22-3.56捷馬公司9T型扳手M243捷馬公司10T型扳手M223捷馬公司11錨索張拉器K17.78礦上自備6試驗前的準(zhǔn)備工作（1）錨桿安裝應(yīng)力檢測確定錨桿安裝應(yīng)力與安裝扭矩的關(guān)系，確定施工與檢驗標(biāo)準(zhǔn)。（2）拉拔試驗確定圍巖的可錨性及錨固段的錨固長度。（3）施工工藝（作業(yè)規(guī)程）的確定試驗之前與

33、礦方一起就試驗巷道制定專門的作業(yè)規(guī)程，確定施工工藝。7 現(xiàn)場試驗觀測及評價7.1 支護(hù)產(chǎn)品性能測試（1）試驗室內(nèi)測試捷馬公司對所提供的支護(hù)產(chǎn)品錨桿桿體、錨桿托盤、錨桿阻尼、耦合讓均壓裝置和錨索索體、錨索托盤、索具等產(chǎn)品在出廠前對其定量抽檢和檢測，確保所提供的支護(hù)產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計的性能要求和各項技術(shù)指標(biāo)。（2）井下現(xiàn)場測試現(xiàn)場測試主要是對錨桿的安裝應(yīng)力、扭矩應(yīng)力比、錨桿錨固力、錨固劑性能等實際技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試，以確定錨桿的安裝參數(shù)和工藝要求。（3）試驗段技術(shù)要求試驗段內(nèi)的巷道采用矩形巷道。l 整體耦合讓均壓應(yīng)力顯示錨桿（錨桿型號：NMG2024），錨桿預(yù)應(yīng)力大于4噸，錨桿破壞性實驗的拉拔力20噸，日

34、常質(zhì)量監(jiān)測錨桿的錨固力不低于16噸。頂板錨桿最終緊固扭矩不低于220Nm，兩幫錨桿最終緊固扭矩不低于220Nm（具體數(shù)值試驗后確定）。l 整體耦合讓均壓鳥窩錨索：錨索預(yù)應(yīng)力1012噸，錨索錨固力不小于36噸。7.2 施工工藝 施工質(zhì)量是巷道支護(hù)試驗?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵因素，一定要有合適的施工機(jī)具和正確的施工方法才能保證施工質(zhì)量。為此，捷馬（濟(jì)寧）礦山支護(hù)設(shè)備制造有限公司總結(jié)多年的施工經(jīng)驗，得出了一套適合現(xiàn)場實際的施工工藝。實踐表明，采用此施工工藝可有效提高錨桿的安裝應(yīng)力，保證施工質(zhì)量。錨桿安裝工藝（1）基本參數(shù)：錨桿類型：整體耦合讓均壓應(yīng)力顯示錨桿錨桿長度：2400mm，2000mm錨桿直徑：20m

35、m，18mm鉆孔直徑：28mm樹脂錨固劑：CK2335×2（2）安裝步驟： 打孔，用錨桿機(jī)打鉆孔?？咨畋儒^桿托盤到末端長20mm。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(jī)的上推力把樹脂推入孔中直到錨桿托盤離頂板10mm左右。注意在上推樹脂時盡量不要旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁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1520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60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(yīng)給最大扭矩而不要施加上推力以最大限度的上緊螺母。用扭矩放大器或手動加長扳手，進(jìn)一步上緊螺母，達(dá)到規(guī)

36、定的安裝應(yīng)力。 錨桿安裝可以總結(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(yán)格按安裝步驟。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(hù)效果甚至失效。（3）錨桿安裝質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)：合格的錨桿安裝應(yīng)該滿足下列標(biāo)準(zhǔn)： 充填在螺母的樹脂阻尼必須全部脫落，否則錨桿無法達(dá)到安裝載荷。 塑料墊圈必須溶化掉。 錨桿外露長度為30mm80mm。 用扭矩扳手檢驗，錨桿安裝扭矩不低于220Nm。 錨索安裝與測試（1）錨索井下安裝培訓(xùn)捷馬公司對所提供的產(chǎn)品進(jìn)行全面的技術(shù)培訓(xùn)。（2）錨索拉拔試驗 17.8mm的整體耦合讓均壓鳥窩錨索的

37、拉拔力需要大于36噸，設(shè)計選用Z2350樹脂3只，正常情況下可以滿足錨索的拉拔力。（3）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）35cm。（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）將安裝好索具、耦合讓均壓裝置、球墊和高強(qiáng)托盤的錨索將錨固劑緩緩?fù)迫脬@孔，直至推不動為止。（4）將預(yù)先安裝在鉆機(jī)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(jī)推力要最大。錨固劑攪拌時間為2530秒，攪拌錨固劑停止時要確保錨索托盤靠近巖面。（5）錨固劑攪拌完畢后1520分鐘后，用錨索漲拉器拉緊錨索，錨索預(yù)應(yīng)力要達(dá)到1012噸。7.3巷道支護(hù)效果及

38、礦壓觀測成果為全面檢測老石旦煤礦16404工作面回風(fēng)順槽采用整體耦合讓均壓應(yīng)力顯示錨桿和整體耦合讓均壓鳥窩錨索支護(hù)段巷道的支護(hù)狀態(tài)，監(jiān)控巷道所受到的掘進(jìn)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)，應(yīng)通過監(jiān)測來驗證支護(hù)設(shè)計的合理性，檢驗支護(hù)質(zhì)量，同時為修改支護(hù)設(shè)計提供科學(xué)依據(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、錨桿錨索受力狀態(tài)監(jiān)測、錨桿安裝應(yīng)力監(jiān)測與錨桿錨固力監(jiān)測。7.3.1 煤巖體表面位移監(jiān)測 （1）斷面位置及間距以采用整體耦合讓均壓應(yīng)力顯示錨桿支護(hù)的巷道斷面為開始點，第一觀測斷面位置距離開始點50m，然后向掘進(jìn)方

39、向掘進(jìn)50m布置下一個斷面（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(dāng)擴(kuò)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巷道位移監(jiān)測斷面測點布置如圖15所示。 圖15 測點布置圖（3）施工技術(shù)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(zhǔn)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，并用樹脂藥卷把鋼筋固定在鉆孔內(nèi)，鋼筋要露出2050mm（也可以采用木樁或別的材料作為基點）。 測點布置后，應(yīng)注意保護(hù)斷面，防止測點被

40、破壞。（4）測試時間安排及測試要求測試斷面布置的當(dāng)天進(jìn)行第一次測量，以后每兩天觀測一次，一周后改為5天觀測一次，直到巷道基本穩(wěn)定為止。采煤工作面回采期間，應(yīng)根據(jù)情況增加觀測次數(shù)。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(zhǔn)，測量要認(rèn)真，讀數(shù)要準(zhǔn)確，并做好記錄。本測試采用的測量儀器為米尺加測繩（采用測桿也可以）。在測試過程中發(fā)現(xiàn)異常情況時，應(yīng)及時向帶隊人員反映，并通知相關(guān)科室，等問題解決后再進(jìn)行作業(yè)。（5）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(jìn)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，確定巷道的穩(wěn)定程度和錨桿的支護(hù)效果。7.3.2 頂板離層監(jiān)測在試驗段的第一個觀測斷面左右2m范圍內(nèi)的頂板安設(shè)第一個頂板離層指示儀，以后每隔50m安設(shè)一個頂板離層指示儀。在距工作面50m內(nèi)觀察離層值，50m以外改為觀察兩個刻度墜的顏色（綠色表示頂部離層值較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)；黃色表示離層松動已經(jīng)達(dá)到警戒值；紅色則表示頂板離層松動值較大，已經(jīng)進(jìn)入危險狀態(tài)），離層指示儀應(yīng)有專人班班觀察，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時通知相關(guān)科室，保證礦井安全生產(chǎn)。為準(zhǔn)確定位頂板的離層部位和離層量，采用鉆孔窺視儀進(jìn)行觀測，其可以直接觀察10m深鉆孔的巖層結(jié)構(gòu)、層理、各類弱面和離層情況。在要觀測離層的斷面，在中線附近沿與頂板