桁架支護(hù)方案(石圪臺(tái)煤礦)分解

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鄂爾多斯市烏蘭煤炭集團(tuán)公司石圪臺(tái)煤礦回風(fēng)順槽繞道支護(hù)方案石 圪 臺(tái) 煤 礦捷馬(濟(jì)寧)礦山支護(hù)設(shè)備制造有限公司2008年08月05日 1 概述烏蘭集團(tuán)石圪臺(tái)煤礦采煤工作面位于3-1-2煤層中部，為3-1-2煤層首采面，采長(zhǎng)150米，走向長(zhǎng)858米。工作面回風(fēng)順槽繞道沿3-1-2煤層中部掘進(jìn)，順槽繞道頂板留設(shè)1m厚的頂煤。順槽繞道埋藏深度為5070米。其與原掘進(jìn)的采煤工作面回風(fēng)順槽之間留設(shè)15米的煤柱。3-1-2煤層頂板為3.6米的砂質(zhì)泥巖，遇水易膨脹軟化，其上為3-1-1煤層房柱式開(kāi)采采空區(qū)。為避免工作面回風(fēng)順槽繞道在工作面回采時(shí)發(fā)生破壞，現(xiàn)對(duì)其支護(hù)方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2、2近距離煤層采空區(qū)下順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)可行性分析錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)作用機(jī)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(cè)幫變形的聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，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(cè)。錨桿桁架系統(tǒng)的力的作用示意圖如圖1所示。同時(shí)，錨桿桁架結(jié)構(gòu)對(duì)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(hù)是一種理想的支護(hù)手段，其不僅是貼頂支護(hù)，而且可以施加較大的預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)。因此錨桿桁架系統(tǒng)是支護(hù)近距離煤層采空區(qū)下順槽的有效手段，具有良好的支護(hù)效果。煤層順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)的可行性研究表明：預(yù)應(yīng)力錨桿可

3、有效提高圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。錨桿與其錨固范圍內(nèi)的錨固體構(gòu)成一種錨固支護(hù)體，在錨桿的約束與抗剪作用下，使塑性破壞后易于松動(dòng)的煤巖體形成具有一定承載能力并可適應(yīng)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(hù)形成的錨固平衡拱是掘進(jìn)迎頭空頂上方頂板自穩(wěn)的基礎(chǔ)。因此，使用錨桿支護(hù)可以有效地阻止頂板松散冒落。巷道支護(hù)關(guān)鍵是頂板，只要錨桿能保持頂板的穩(wěn)定，護(hù)幫并不難。通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性分析研究，認(rèn)為試驗(yàn)巷道采用錨桿支護(hù)是完全必要的。但是，考慮到頂板為典型的復(fù)合頂板，且中間為煤層，同時(shí)上方為采空區(qū)的特殊條件，采用長(zhǎng)錨索或增加錨桿長(zhǎng)度的方法是

4、不可行的，而錨桿桁架系統(tǒng)很好地解決了以上問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際考察，認(rèn)為錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)試驗(yàn)是十分必要的，通過(guò)試驗(yàn)研究以期確定理想的錨桿聯(lián)合支護(hù)形式和科學(xué)的錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)。3 巷道圍巖應(yīng)力分析與支護(hù)設(shè)計(jì)3.1 頂板巖層安全評(píng)價(jià)系數(shù) 莫爾庫(kù)倫安全系數(shù)為了確定巷道頂板錨桿長(zhǎng)度，莫爾庫(kù)倫安全系數(shù)法是確定巷道圍巖破壞范圍的常用方法，莫爾庫(kù)倫安全系數(shù)評(píng)價(jià)公式：式中：K與最大主應(yīng)力有關(guān)的內(nèi)摩擦角；s 最小主應(yīng)力；C內(nèi)摩擦系數(shù)。3.2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)為了分析描述回風(fēng)順槽繞道的受力狀態(tài)，如最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力等受力指標(biāo)，構(gòu)建了2-D有限元分析模型。計(jì)算巷道寬度：3.4 m計(jì)算巷道高度： 2.

5、4 m計(jì)算深度：巷道埋藏深度按70m計(jì)算。圖2 為2-D 有限元分析模型。圖2 有限元計(jì)算模型3.3 圍巖應(yīng)力分析最大、最小主應(yīng)力分布: 圖3、4 為有限元計(jì)算所得巷道圍巖應(yīng)力分布圖，圖3 為最大主應(yīng)力分布圖，圖4 為最小主應(yīng)力分布圖。圖3 最大主應(yīng)力分布圖圖4 最小主應(yīng)力分布圖 莫爾庫(kù)倫安全系數(shù)分布：基于最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，計(jì)算了莫爾庫(kù)倫安全系數(shù)，圖5 是巷道周?chē)獱枎?kù)倫安全系數(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(zhì)泥巖安全系數(shù)小于1.0。圖5 巷道周?chē)踩禂?shù)分布錨桿長(zhǎng)度確定：從上述安全系數(shù)分布結(jié)果看，最小的錨桿長(zhǎng)度應(yīng)該錨固在煤層上方0.6m以上的砂質(zhì)泥巖中，

6、根據(jù)此限制，考慮到一定的安全系數(shù)，頂板錨桿長(zhǎng)度選擇為2.2m。3.4 錨桿形式與支護(hù)參數(shù)3.4.1錨桿類(lèi)型與支護(hù)結(jié)構(gòu)的確定由于311煤層已經(jīng)采用房柱式開(kāi)采采空，留下了煤柱的應(yīng)力集中區(qū)，頂板控制的關(guān)鍵是：（1）組合梁：根據(jù)組合梁理論，采用高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿，將312的頂煤、偽頂和煤線及砂質(zhì)泥巖組成一個(gè)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(zhǎng)錨桿和錨索懸吊在此特殊地質(zhì)條件下是不可能的。因此，為懸吊和限制錨桿加固范圍內(nèi)的組合梁，采用錨桿桁架系統(tǒng)是較好的選擇。最終支護(hù)方案：錨桿桁架系統(tǒng)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿。圖6為選定的頂板支護(hù)方案。圖6 頂板錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)方案3

7、.4.2 錨桿安裝應(yīng)力的確定錨桿支護(hù)一種主動(dòng)支護(hù)方式，適宜的安裝應(yīng)力是發(fā)揮錨桿支護(hù)效能的關(guān)鍵。有效的錨桿安裝應(yīng)力應(yīng)該取得下述支護(hù)效果：頂板巖層中無(wú)離層發(fā)生；頂板巖層中的拉應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力值應(yīng)該盡量小為了設(shè)計(jì)科學(xué)有效的安裝應(yīng)力，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了有限元分析。圖7所示為安裝應(yīng)力計(jì)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(zhǎng)2.2m。桁架傾斜錨桿長(zhǎng)2.4m。傾角45度。模型計(jì)算所選取的錨桿排距為1.0m。為了獲得最佳的安裝應(yīng)力值，通過(guò)改變錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝應(yīng)力，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算。共計(jì)運(yùn)行了10個(gè)模型，下面是部分運(yùn)行結(jié)果：圖7 安裝載荷有限元計(jì)算模型 (1) 3噸安裝應(yīng)力圖8是

8、在3噸安裝應(yīng)力下的頂板變形和應(yīng)力分布。在此安裝應(yīng)力下，無(wú)頂板離層發(fā)生。在巷道上方約1.0m的范圍內(nèi)存在一個(gè)拉應(yīng)力區(qū)。所以此安裝應(yīng)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，減小拉應(yīng)力區(qū)范圍，錨桿安裝應(yīng)力需要進(jìn)一步提高。圖8 圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形計(jì)算結(jié)果（3噸安裝應(yīng)力）(2) 4噸安裝應(yīng)力圖9是在4噸安裝應(yīng)力下的頂板變形和應(yīng)力分布。在此應(yīng)力下，無(wú)頂板離層發(fā)生。拉應(yīng)力區(qū)基本消除，組合梁效果基本達(dá)到。因此，錨桿安裝應(yīng)力選定為4噸以上。圖9圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形（4噸安裝應(yīng)力）3.4.3 錨桿直徑的確定依據(jù)錨桿安裝應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，錨桿的安裝應(yīng)力不應(yīng)大于錨桿抗拉強(qiáng)度的50%。因此錨桿的最小承載

9、能力應(yīng)為12噸。(1) 靜載荷計(jì)算：所選定的頂板支護(hù)系統(tǒng)至少應(yīng)該滿(mǎn)足頂板垂直靜載荷的需要。經(jīng)計(jì)算最小靜載荷為6噸，考慮1.5的安全系數(shù)，錨桿的最小承載能力為9噸。(2) 要求錨桿安裝應(yīng)力不小于錨桿抗拉強(qiáng)度的50%，所以錨桿的最小抗拉強(qiáng)度應(yīng)該12噸。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，垂直錨桿直徑選用F18mm，傾斜錨桿直徑選用F20mm。設(shè)計(jì)中所選用的高強(qiáng)度阻尼螺紋鋼錨桿的力學(xué)性能為：F18mm 屈服強(qiáng)度大于13噸，抗拉強(qiáng)度大于16噸。F20mm 屈服強(qiáng)度大于16噸，抗拉強(qiáng)度大于20噸。3.5 結(jié)論基于石圪臺(tái)煤礦現(xiàn)有的地質(zhì)采礦條件，通過(guò)頂板控制分析和有限元模型計(jì)算，有限元模型計(jì)算進(jìn)行了圍巖應(yīng)力分析、安裝應(yīng)力確定

10、和支護(hù)方案的選擇，通過(guò)上述綜合分析與計(jì)算，得出如下結(jié)論：（1） 錨桿長(zhǎng)度：頂板垂直錨桿采用長(zhǎng)度為2.2米的高強(qiáng)度阻尼螺紋鋼錨桿，傾斜錨桿長(zhǎng)度為2.4米。安裝載荷：安裝載荷對(duì)頂板的綜合承載能力起著重要的作用，經(jīng)過(guò)多個(gè)模型的優(yōu)化計(jì)算，確定安裝載荷應(yīng)不小于4噸。（2） 桁架系統(tǒng)：為了確保312煤層及頂板的穩(wěn)定性，選用錨桿桁架系統(tǒng)。（3） 錨桿直徑：頂板錨桿直徑為F18mm,傾斜錨桿直徑為F20mm。（4） 間排距：模型計(jì)算中排距是按1.0m計(jì)算的，并考慮了必要的安全系數(shù)。在產(chǎn)品試用期建議排距為0.9m最終的支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖6所示。圖10 錨桿桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3.6 材料消耗表表1 每米巷道材料消耗

11、表編號(hào)名稱(chēng)規(guī)格配置單位數(shù)量單價(jià)（元）備注1高強(qiáng)扭矩應(yīng)力錨桿202400 mm阻尼螺母、“三明治”墊圈、高強(qiáng)150×150×8mm托盤(pán)套2.2用于傾斜錨桿2高強(qiáng)扭矩應(yīng)力錨桿182200 mm阻尼螺母、平墊圈、高強(qiáng)150×150×8mm托盤(pán)套2.2用于垂直錨桿3桁架托盤(pán)150×250mm個(gè)2.24桁架角個(gè)2.25U型卡個(gè)2.26球形墊圈個(gè)2.27水平錨索15.242400mm等級(jí)：1860 條1.18錨索索具15.24套2.29樹(shù)脂K2335支8.8合計(jì)每米巷道支護(hù)費(fèi)用為 元此外，為配合錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝，應(yīng)備有錨桿攪拌器、T型扳手、扭矩放大器、

12、錨索張拉器等施工機(jī)具。4 井下工業(yè)性試驗(yàn)及礦壓觀測(cè)4.1 試驗(yàn)巷道概況本次試驗(yàn)施工巷道為312煤層的工作面回風(fēng)順槽繞道。巷道頂板從下往上依次為1m的312煤層、 0.3m的偽頂、0.1m的煤線、3.6m的砂質(zhì)泥巖、311煤層房柱式開(kāi)采采空區(qū)，巷道底板為砂質(zhì)泥巖。巷道埋藏深度大致為60m，巷道為矩形。試驗(yàn)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(duì)于有效地控制頂板，減少錨桿用量，提高掘進(jìn)速度都是至關(guān)重要的，因此必須重視錨桿的安裝。合格的錨桿安裝后應(yīng)具有足夠的安裝載荷，最大的拉拔力以及合理的錨桿外露長(zhǎng)度。為此根據(jù)安裝質(zhì)量要求編寫(xiě)了錨桿的安裝

13、說(shuō)明書(shū)。錨桿安裝過(guò)程如下：（1）鉆孔鉆孔直徑：根據(jù)設(shè)計(jì)支護(hù)需要的錨桿的實(shí)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(zhǎng)度3050mm。錨桿的有效長(zhǎng)度是指從安裝錨桿托盤(pán)的內(nèi)側(cè)表面到錨桿的端部的距離。一般的講，鉆孔深度與安裝錨桿的長(zhǎng)度一致即可。鉆孔角度：按照設(shè)計(jì)要求的角度進(jìn)行施工。釬桿標(biāo)記：為了準(zhǔn)確鉆孔深度，需在釬桿上做鉆孔深度標(biāo)記，用卷尺從鉆頭開(kāi)始向下做一與錨桿長(zhǎng)度一致的標(biāo)記。鉆孔施工：用錨桿鉆機(jī)按鉆孔深度和角度要求嚴(yán)格施工。鉆孔沖洗：鉆孔施工至孔底后，上下移動(dòng)鉆桿，對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗。（2）扭矩應(yīng)力錨桿安裝錨桿組裝：將錨桿減阻墊圈和錨桿托盤(pán)按先后順序穿入錨桿。對(duì)于桁架系統(tǒng)的

14、傾斜錨桿需要先穿球形墊圈，再穿桁架角、最后穿桁架托盤(pán)。裝 樹(shù) 脂：將樹(shù)脂用錨桿推入鉆孔，推入樹(shù)脂時(shí)要用力均勻，盡可能不要把樹(shù)脂穿破。鉆機(jī)推樹(shù)脂：然后將錨桿接入鉆機(jī)，用鉆機(jī)將錨固劑推至鉆孔深處，直到頂不動(dòng)為止。攪拌錨固劑：?jiǎn)?dòng)鉆機(jī)（旋轉(zhuǎn)）攪拌錨固劑，同時(shí)鉆機(jī)推力也要調(diào)至最大，攪拌時(shí)間根據(jù)錨固劑的型號(hào)而定，一般的快速錨固劑攪拌1020秒即可。托盤(pán)與頂板間隙：錨固劑攪拌結(jié)束時(shí)，要確保錨桿托盤(pán)與頂板之間有1015mm的間隙。打開(kāi)阻尼：攪拌錨固劑后，需停頓4060秒（適用快速樹(shù)脂錨固劑），啟動(dòng)錨桿鉆機(jī)（鉆機(jī)只旋轉(zhuǎn)不推進(jìn)）打開(kāi)螺母阻尼，并用錨機(jī)將螺母擰緊。提高安裝應(yīng)力：鉆機(jī)擰緊螺母后卸下鉆機(jī)，再用手動(dòng)扳手

15、或者扭矩放大器，給錨桿施加符合設(shè)計(jì)要求的安裝扭矩或安裝應(yīng)力。錨桿安裝可以總結(jié)為：一推（推樹(shù)脂入孔到規(guī)定位置），二轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)攪拌樹(shù)脂），三等(等樹(shù)脂充分凝固)，四緊(緊固螺母) 在安裝過(guò)程中要嚴(yán)格按安裝步驟。否則會(huì)出現(xiàn)“長(zhǎng)尾錨桿”或打不開(kāi)阻尼現(xiàn)象。這會(huì)大大影響錨桿支護(hù)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(shuō)明 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(xiǎn)型卡中的錨索索具內(nèi)。以相同的方式安裝另一端的U型卡和錨索。水平鋼絞線長(zhǎng)度必需大于兩端U型卡內(nèi)的兩索具直線距離200mm，確保兩端的錨索外露150mm

16、。錨索穿入U(xiǎn)型卡中的索具后，用錨索張拉器拉緊錨索，并達(dá)到所需的八噸張拉力。在底板組裝方法：將兩個(gè)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，用錨索張拉器張緊錨索，并達(dá)到所需的張拉力。（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）注意事項(xiàng) 確保兩端的錨索索具位于U型卡的中間； 水平錨索必需達(dá)到設(shè)計(jì)的張拉力； 錨桿安裝時(shí)必需用扭矩扳手將錨桿螺母擰緊至所要求的扭矩； 在張拉錨索時(shí)，手或手指不能靠近錨索張拉器的伸縮頭附加。4.4 特殊條件下加強(qiáng)支護(hù)措施 巷道施工過(guò)程中，局部地區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響，煤體松

17、軟，頂板下沉量較大，或在巷道的交岔點(diǎn)部分，根據(jù)頂板情況，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)打錨索或架棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，保證施工安全。4.5 礦壓觀測(cè)結(jié)果與分析為全面檢查采煤工作面回風(fēng)順槽繞道錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)的支護(hù)工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道所受到的采動(dòng)影響，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時(shí)采取措施。通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)支護(hù)質(zhì)量，同時(shí)為修改設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。 本次監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：巖體表面位移監(jiān)測(cè)、頂板離層監(jiān)測(cè)、錨桿受力監(jiān)測(cè)及錨桿錨固力檢測(cè)四個(gè)方面。 4.5.1 巖體表面位移監(jiān)測(cè) （1）斷面位置及間距 斷面位置為以采用錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)點(diǎn)為分界線向掘進(jìn)方向布置，每隔30m布置一個(gè)觀測(cè)斷面（為監(jiān)測(cè)斷層附近

18、或特殊圍巖條件的巷道變形，斷面間距可以適當(dāng)擴(kuò)大和縮?。?（2）測(cè)點(diǎn)布置方式及施工要求 錨桿桁架系統(tǒng)支護(hù)的測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)布置圖如下圖所示。 測(cè)點(diǎn)布置圖施工技術(shù)要求：要保證A、B測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)位置，需在各測(cè)點(diǎn)所在位置的煤巖體內(nèi)打一個(gè)深0.5m，直徑為29mm的鉆孔，然后在鉆孔中央放置一段長(zhǎng)0.55m，直徑為20mm的螺紋鋼，并用快硬水泥把鋼筋固定在鉆孔內(nèi)，鋼筋要露出頂板20mm。測(cè)點(diǎn)布置后，應(yīng)注意保護(hù)斷面，防止測(cè)點(diǎn)被破壞。（3）測(cè)試時(shí)間安排及測(cè)試要求測(cè)試斷面布置的當(dāng)天進(jìn)行第一次測(cè)量，以后根據(jù)測(cè)試斷面距采煤工作面的距離而定。當(dāng)測(cè)試斷面距采煤工作面010m范圍內(nèi)，每天觀測(cè)1次；1120m范圍內(nèi)，兩天觀測(cè)1次；2150m范圍內(nèi)， 3天觀測(cè)1次。測(cè)試內(nèi)容為A與B、C與D、A與E及B與E之間的距離，各測(cè)點(diǎn)的位置以外露鋼筋的頂端平面為基準(zhǔn)，測(cè)量要認(rèn)真，讀數(shù)要準(zhǔn)確，并做好記錄（