第二講 煤礦巷道錨索支護的設計及示例Microsoft PowerPoint 演示文稿

第二講煤礦巷道錨索支護的設計及示例云南能源職業(yè)技術學院主講：曾正良副教授2/5/20231第一節(jié)錨索支護設計

一、支護設計為擴大錨桿支護的使用范圍，充分發(fā)揮錨桿支護的經(jīng)濟、快速、安全可靠的優(yōu)點，在大斷面、地質(zhì)構(gòu)造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高地應力、綜放巷道等困難、復雜的巷道中，為增加錨桿支護的可靠性，可使用小孔徑預應力錨索進行加強支護。2/5/20232

預應力錨索加強支護在煤巷支護中占有重要地位。由于它的錨固深度大，可將下部不穩(wěn)定巖層錨固在上部穩(wěn)定的巖層中，可靠性較好；且可施加預應力，實現(xiàn)主動支護，因而是煤巷推廣錨桿支護技術中一項重要的保證措施。1.錨索加強支護設計原則錨索的主要作用是將頂板下部不2/5/20233穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，因而可按懸吊理論進行支護設計。但由于巖層自身具有承載能力，尤其是采用錨桿支護的頂板，圍巖強度得到了提高，設計中應考慮此因素。在設計時可按最危險的極限狀態(tài)計算，即下部巖層或煤體的重量通過錨索懸吊，同時根據(jù)巖層的強度、裂隙、錨桿支護參數(shù)等考慮巖層的自身2/5/20234承載能力，折減計算值。設計參數(shù)包括錨索的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)及材料，錨索的間排距、錨固長度、鉆孔深度等。由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復雜多變，在施工階段應加強監(jiān)測，及時反饋監(jiān)測結(jié)果，以現(xiàn)場監(jiān)測信息為依據(jù)，修改和完善設計。小孔徑(φ28～φ32mm)錨索結(jié)構(gòu)較為簡單，可分為三部分：內(nèi)錨固2/5/20235段、鋼絞線自由段和外錨固段，如圖1—1所示，圖1—2所示為錨索加固。2.錨索參數(shù)的確定(1)錨索支護材料①錨索：小孔徑樹脂錨固預應力錨索索體材料采用鋼絞線。鋼絞線為一組鋼絲以螺旋狀沿同一根縱軸繞轉(zhuǎn)而成，目前廣泛采用7股φ5mm高強度鋼絞線。應選擇預應力鋼絞線，具2/5/20236圖1—1小孔徑預應力錨索結(jié)構(gòu)1—毛刺；2—鋼絞線；3—鉆孔；4—巷道圍巖表面；5—槽鋼；6—鋼墊板；7—鎖具；L1—內(nèi)錨固段長度；L2—錨索有效長度；L3—錨索外露長度2/5/20237圖1—2—517m馬頭門修復錨索加固方案2/5/20238有強度高、韌性好、低松弛等特點，既有一定剛度又有一定柔性，可盤成卷便于運輸，又能自身攪拌樹脂藥卷快速安裝，適合在空間尺寸較小的巷道中使用。錨索的技術特征見表1—1所示。新型19根鋼絲代替了原來的7根鋼絲(圖1—3)，索體結(jié)構(gòu)更加合理，而且明顯提高了錨索的延伸率。如2/5/20239表1—17股高強度鋼絲(錨索)技術特征2/5/202310圖1—3錨索索體結(jié)構(gòu)圖2/5/202311φ22mm的高強度、低松弛鋼絞線的拉斷力超過600kN，是φ15.20mm的鋼絞線拉斷力的2.3倍；索體延伸率接近7%，比φ15.20mm的鋼絞線提高一倍。真正實現(xiàn)了大直徑、大延伸率與高噸位。新型錨索岔經(jīng)在高地應力巷道、特大斷面巷道、受強烈采動影響巷道得到應用，取得良好的支護效果。

2/5/202312②鎖具:鎖具是為保持預應力鋼絞線的拉力并將其傳遞到被錨圍巖上所用的永久性錨固裝置。鎖具應具有可靠的錨固性能和足夠的承載能力，以保證充分發(fā)揮預應力鋼絞線的強度。目前，小孔徑預應力錨索的鎖具以瓦片式為主，可承受動、靜荷載。鎖具由錨環(huán)和錨塞組成，其結(jié)構(gòu)見圖1—4。這種鎖具有多種規(guī)格，應按鋼絞2/5/202313

圖1—4鎖具結(jié)構(gòu)圖

2/5/202314線規(guī)格選取，保證瓦片與鋼絞線有良好的匹配關系。③錨固劑：應根據(jù)鉆孔直徑和設計的錨固長度選擇合理的樹脂藥卷型號、規(guī)格和數(shù)量。采用普通樹脂藥卷加長錨固，使用錨桿鉆機帶動鋼鉸線攪拌樹脂藥卷，安裝工序簡單。由于樹脂藥卷凝結(jié)時間短，一般等待1h后即可安裝鎖具進行張拉，實現(xiàn)錨索2/5/202315的快速安裝和及時承載，有利于巷道快速施工和圍巖穩(wěn)定。在服務時間比較長的巷道，如大巷、采區(qū)集中巷及硐室中，為了提高錨索錨固效果，同時防止索體銹蝕，最好先進行樹脂端部錨固，然后注漿，實現(xiàn)樹脂注漿聯(lián)合全長錨固。對于圍巖破碎、巖體含水等樹脂藥卷不能保證足夠錨固力的條件下，也可以2/5/202316采用聯(lián)合全長錨固方式。采用端錨時優(yōu)先選用樹脂錨固劑；全長錨固時選用水泥(砂)漿。④托盤：托盤強度與錨索強度相匹配。錨索托板最常用的是平托板，由一定厚度和面積(如300mm×300mn×l6mm)的普通鋼板制成。另一種是采用一段槽鋼制成，應選用16號以上槽鋼，材料極限強度不低于3502/5/202317kPa。有的礦區(qū)還采用工字鋼或廢舊溜槽制作錨索托板。這幾種托板只適用于錨索垂直巷道表面布置，而且力學性能差。當錨索預緊力和承受的載荷比較大時，平托板四周易翹起，托板承載顯著降低；槽鋼托板易變形、扭曲，甚至壓穿槽鋼，使錨索失效。(2)支護方式選擇采用聯(lián)合支護，即先錨網(wǎng)噴支2/5/202318護，再進行錨索加強支護。對于拱型錨噴巷道，大斷面硐室及交岔點加固，應采用點式錨索支護；當巷道圍巖裂隙比較發(fā)育或上部為復合頂時，宜采用“錨索+鋼帶支護”。(3)錨索支護參數(shù)的確定原則①最小錨固長度：水泥(砂)漿錨固錨固長度大于3.5m；樹脂錨固錨固長度大于1.5m。2/5/202319②錨索長度：錨索長度5.0～10.0m，根據(jù)工程條件選取。③錨索間排距按下式選取S≤L／2式中L—錨索孔長度，m；S—錨索孔間排距，m。3.施工工藝錨索施工可分為地面準備、鉆2/5/202320孔、錨固、張拉4個主要工序，見圖1—5所示。(1)地面準備首先檢查鋼絞線，截去松絲、嚴重銹蝕和死彎部分，按設計長度截斷鋼絞線，除去鐵銹和污泥，在錨固頭安裝毛刺(齒)和擋圈，最后盤成圈。(2)鉆孔鉆孔是錨索施工中控制工期的關2/5/202321圖1—5錨索施工工藝2/5/202322鍵工序。為確保鉆孔效率和保證鉆孔質(zhì)量，采用錨桿鉆機或輕型專用錨索鉆機?？蛇B接B19或B22鉆桿,Ф27~29mm旋轉(zhuǎn)式鉆頭。鉆機鉆孔時，按錨索設計長度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊，鉆桿用完，孔深也恰好到位。鉆孔深度要超出錨索設計長度0.5m左右。在鉆孔時要保持鉆機不挪動，以免鉆孔軸線不在一直線上，給錨索安裝帶來困難，其2/5/202323工藝類似錨桿鉆孔。鉆孔結(jié)束，逐根拔出鉆桿和鉆具，將沖擊器清洗好備用。用一根聚乙烯管復核孔深，并以高壓風吹孔，待孔內(nèi)粉塵吹干凈，且孔深不少于錨索設計長度時，拔出聚乙烯管，塞好孔口。兩種特殊情況的處理：①滲水的處理。在鉆孔過程中或2/5/202324鉆孔結(jié)束后吹孔時，從孔中吹出的都是一些小石粒和灰色或黃色團粒而無粉塵，說明孔內(nèi)有滲水，巖粉多貼附于孔壁，這時，若孔深已夠，則注入清水，以高壓風吹凈，直至吹出清水；若孔深不夠，雖沖擊器工作，仍有進尺，也必須立即停鉆，拔出鉆具，洗孔后再繼續(xù)鉆進，如此循環(huán)，直至結(jié)束。有時孔內(nèi)滲水量大，有積2/5/202325水，吹出的是泥漿和碎石，這種情況巖粉不會糊住孔壁，只要沖擊器工作，就可繼續(xù)鉆。如果滲水量太大，以至淹沒了沖擊器，沖擊器會自動停止工作，應拔出鉆具進行壓力注漿。②塌孔、卡鉆的處理。當鉆孔穿越強風化巖層或巖體破碎帶時，往往發(fā)生塌孔。塌孔的主要標志是從孔中吹出黃色巖粉，夾雜一些原狀的（非2/5/202326鉆頭碎的、非新鮮的、無光澤的）石塊，這時，不管鉆進深度如何，都要立即停止鉆進，拔出鉆具，進行固壁注漿，注漿壓力采用0.4MPa，漿液為水泥砂漿和水玻璃的混合液，24h后重新鉆孔。雨季，常常順巖體破碎帶向孔內(nèi)滲流泥漿，固壁注漿前，必須用水和風把泥漿洗出（塌入鉆孔的石塊不必清除），否則，不僅固壁注2/5/202327漿效果差，還容易造成假象。(3)錨固根據(jù)選用的錨固劑不同，錨固工藝也有所差別。注水泥漿與樹脂膠泥工藝相似，將注漿管和排氣管綁在鋼絞線上，排氣管綁在最上端，注漿管綁在下端，輕輕送人孔底，封孔后開始注水泥漿或樹脂膠泥，直到排氣管不出氣或出漿為止。2/5/202328采用樹脂藥卷錨固時，按先后順序?qū)⒊旎蚩焖贅渲幘砗椭兴贅渲幘硭腿肟變?nèi)，用鋼絞線輕輕將樹脂卷送人孔底，用攪拌連接器將鋼絞線與鉆機連接起來，開動鉆機，邊攪拌邊推進，攪拌20～30s，將鋼絞線卷入孔底，不落鉆機停轉(zhuǎn)，等待1～2min，落下鉆機，卸下攪拌連續(xù)器，完成錨索的內(nèi)錨固。2/5/202329(4)張拉注水泥漿錨固需養(yǎng)護6～7d，注漿脂膠泥錨固需養(yǎng)護4～5h，樹脂藥卷錨固需養(yǎng)護1h。養(yǎng)護好后再裝托梁、托板、鎖具，并使它們緊貼頂板，掛上張拉千斤頂，開泵進行張拉，觀測壓力讀數(shù)。若千斤頂行程不夠，應迅速回程，然后繼續(xù)張拉，達到設計預力時，停止張拉，卸下千斤2/5/202330頂；若鋼絞線外露長度過長影響行人、運輸?shù)葧r，從錨具量起，留出長5.0～10cm鋼絞線，其余部分可用液壓剪剪斷多余的外露鋼絞線。

二、質(zhì)量控制1.錨位點放線，各方向允許誤差均為±1.0cm。2.腳手架的搭設必須穩(wěn)定，對緊固件的緊固必須有人復核。2/5/2023313.錨索孔徑允許誤差±2.0mm。4.若遇坍孔，應立即停鉆，進行固壁注漿處理，注漿24h后重新掃孔鉆進。5.洗孔要干凈徹底，孔中不得留有巖粉和水。6.錨索的編制要確保每一根鋼絞線始終均勻排列、平直、不扭不叉，銹、油污要除凈，對有死彎、機械損2/5/202332傷及銹坑者應剔出。7.錨索的長度要根據(jù)鉆孔的實際深度確定，允許誤差±2.0cm，并對錨索按孔號相應編號。8.錨索安放要平直，張拉段要放在錨孔中央。9.錨索的張拉要在錨固段達到設計強度后，方可進行。10.張拉前張拉設備要標定，重復2/5/202333三次取平均值。各根鋼紋線拉力不均勻系數(shù)在0.95～1.05之間，各根鋼紋線的拉力差為±5%。11.補張拉在張拉完成后6～10d進行，張拉力取設計預拉力的20%。三、安全措施1.施工前進行技術安全交底，施工中應明確分工，統(tǒng)一指揮。2.各種機械機具應處于完好可靠2/5/202334狀態(tài)。3.上崗前要做好安全檢查工作，由班組長負責，責任到人，互相監(jiān)督，施工人員進入現(xiàn)場應戴好安全帽，操作人員應精力集中，遵守有關安全操作規(guī)程。4.機械、電器設備應專人操作。5.電（氣）焊操作工應有操作證。2/5/2023356.風動鉆機管路連接應牢靠，避免脫開甩出傷人。7.切割鋼絞線使用的砂輪切割機要設安全護罩，以免斷片傷人。2/5/202336第二節(jié)錨索設計示例示例：綜采工作面全煤切眼錨網(wǎng)支護設計和施工近年來隨著采礦機械的快速發(fā)展、在采煤工作面中綜采工作面所占份額不斷提高，因此，綜采工作面全煤切眼支護設計和施工十分重要。

一、綜采切眼錨網(wǎng)支護基本特點

2/5/202337（一）綜采切眼斷面及支護形式由于綜采工作面切眼的凈寬為6.0～6.5m，斷面積17～19m2。為此，一般采用先掘后擴的方式達到設計斷面。斷面形狀多為梯形或矩形，采用工字鋼梯形棚、單體液壓支柱聯(lián)合支護方式或錨網(wǎng)梁（錨索）與單體支柱聯(lián)合錨網(wǎng)支護方式。

（二）綜采切眼錨網(wǎng)支護技術要求2/5/202338綜采工作面切眼由于安裝設備的需要，巷道斷面大，且布置在煤層中，采用錨網(wǎng)支護方式時，應滿足以下幾條要求：1.從錨桿支護機理可以看出，錨桿的錨固強度是保證錨桿支護效果的關鍵因素，因此，設計時應首先確定合理的錨固力，正確選擇錨桿類型。在一般的排間距情況下，應選用高錨2/5/202339固力錨桿，頂板錨桿錨固力以大于70kN為宜。目前多選用樹脂錨固劑和金屬桿體錨桿加長或全長錨固以實現(xiàn)高強錨固支護的要求。2.綜采切眼巷道跨度大，巷中頂板錨桿支護效果尤為重要，以選用長錨桿或錨索加強支護為宜。否則，需在巷中增設中間立柱支撐。3.為增加頂板巖煤梁的抗剪能2/5/202340力，為巖梁提供兩個支點，應使靠近巷道兩幫的錨桿向煤體傾斜一定角度。試驗表明，錨桿向煤體一般傾斜20°～40°(與鉛垂線夾角)為宜。其角度的大小主要由煤層的賦存條件決定，一般應使傾斜錨桿端部的水平投影落在巷幫破煤深度之外，以使頂板形成的承載結(jié)構(gòu)兩端有穩(wěn)定的支點。4.綜采切眼多為導硐擴幫施工，2/5/202341為確保施工安全，應加強臨時支護，在臨時支護保護下進行錨網(wǎng)支護作業(yè)。二、綜采切眼錨網(wǎng)支護設計施工下面舉例說明大跨度綜采切眼錨索支護設計和施工情況。

（一）地質(zhì)生產(chǎn)條件1301工作面是XX煤礦首采面，采用綜采開采。切眼沿3下號煤層傾向布置，原設計切眼斷面為梯形，上寬2/5/2023428.0m，下寬8.494m，高3.0m，切眼長度170m，沿煤層底板掘進，留頂煤，平均埋藏深度458m，煤層平均厚度6.8m，傾角平均5°，單軸抗壓強度20.93MPa。頂板為細、粉砂巖互層，抗壓強度68.7MPa；底板為粉砂巖，抗壓強度65.2MPa，底板與煤層間夾有厚0～0.5m的粘土層。3下號煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育，該切眼的圍2/5/202343巖條件屬Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖。煤層及頂?shù)讕r性見表1—1。（二）支護設計1.斷面形狀選擇1301工作面切眼沿3下號煤底板掘進，采用矩形斷面，切眼掘進寬度8.494m，高3.0m，切眼切眼頂部采用微拱型，以便提高頂煤的自穩(wěn)性。考慮到切眼煤頂會發(fā)生整體下沉，采2/5/202344表1—13下號煤層及頂?shù)讕r性2/5/202345用微拱后，隨著煤頂?shù)南鲁林饾u變?yōu)槠巾?。如掘出的切眼為平頂，當煤頂下沉后，出現(xiàn)頂部下彎而不利于頂煤穩(wěn)定，設計的頂部微拱高度200～250mm。2.支護形式確定為確保支護形式合理，首先應對全煤切眼頂煤冒落范圍進行分析計算。實際計算表明，頂煤潛在冒落拱2/5/202346范圍很大，不論按懸吊理論作用布置還是按加固作用布置，用常規(guī)錨桿支護都難以奏效，必須在常規(guī)錨桿支護的基礎上采取加固措施。經(jīng)分析，該首采面錨桿支護試驗采用以樹脂全長錨固錨桿、金屬網(wǎng)和鋼筋梯為基本支護；以攪拌樹脂藥卷錨固，小孔徑預應力錨索為補強加固措施的支護形式。其中，錨桿以加固作用為主，旨2/5/202347在使其長度范圍以內(nèi)的頂煤形成“似整體結(jié)構(gòu)”；錨索以懸吊作用為主，旨在把潛在冒落范圍內(nèi)的頂煤懸吊在上部較穩(wěn)定的直接頂巖層上，阻止其發(fā)生垮落。3.錨網(wǎng)支護參數(shù)確定1)頂板錨桿：選用φ20×2500mm螺紋鋼錨桿，全長樹脂藥卷錨固；錨桿間排距，導硐部分600mm2/5/202348×800mm，擴幫部分700mm×700mm。2)幫錨桿：選用擬φ6×2000mm可切割玻璃鋼錨桿，兩卷樹脂藥卷錨固，錨桿間排距擴幫部分600mm×700mm。3)金屬網(wǎng)：采用8號鍍鋅鐵絲編制，或菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔為50mm×50mm。2/5/2023494)鋼筋帶：采用φ12圓鋼焊接而成。4.錨索補強加固參數(shù)確定切眼跨度大(8.494m)，為防頂煤錨固層整體切落，設計采用小孔徑預應力錨索補強加固，由錨索承擔冒落拱巖石全部載荷。錨索以懸吊作用為主，根據(jù)1301切眼頂板巖性條件，確定錨索長度為2/5/2023506.0m（實際長度6.5m），選用φ15.24×6000mm錨索，其破斷力260kN，3卷樹脂藥卷錨固，預緊力大于100kN，每排布置4根，間排距1600mm×1400mm。1301切眼錨桿錨索支護結(jié)構(gòu)如圖1—1所示。5.支護說明1301綜采切眼原設計采用工字鋼2/5/202351圖1—11301切眼錨桿錨索支護結(jié)構(gòu)1—錨索φ15.24×6000mm；2—錨桿φ20×2500mm；3—鋼筋梯；4—菱形網(wǎng)50mm×50mm2/5/202352架棚背板支護，其導硐部分早已施工完畢。為保證切眼導硐部分的安全，決定在工字鋼架棚支護基礎上，采用錨網(wǎng)梯、單體液壓支柱聯(lián)合支護（單體液壓支柱替代擴幫側(cè)工字鋼棚腿），錨索補強加固支護方式。頂板采用φ20×2500mm樹脂全長錨固螺紋鋼錨桿，間排距600mm×800mm，南幫（導硐外側(cè)）2/5/202353錨桿采用φ20×2200mm樹脂藥卷加長錨固的螺紋鋼錨桿，間排距600mm×800mm。（三）施工工藝首先在已施工的導硐內(nèi)，按設計方案要求安裝導硐錨網(wǎng)、錨