山西省昔陽縣某煤礦東翼610m大巷錨網(wǎng)技術(shù)方案

XX嶺東翼61 項目負責人： 技術(shù)負責人： 參加人員：年月日

目錄1. 基本狀況 1-41.1. 井田范圍 1-41.2. 區(qū)域地質(zhì)特征 1-51.3. 礦區(qū)地質(zhì)特征 1-51.3.1. 地層 1-51.3.2. 構(gòu)造 1-71.4. 水文地質(zhì) 1-81.5. 煤層狀況 1-91.5.1. 含煤地層 1-91.5.2. 煤質(zhì) 1-91.5.3. 瓦斯煤塵 1-101.6. 煤層頂?shù)装?1-111.7. 施工方法 1-112. 自穩(wěn)隱形拱錨固理論 2-122.1. 自穩(wěn)隱形拱理論體系 2-122.2. 圍巖穩(wěn)定性分析 2-132.2.1. 巷道兩幫穩(wěn)定機理 2-132.2.2. 巷道頂板穩(wěn)定機理 2-142.2.3. 巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)劃 2-162.3. 自穩(wěn)隱形拱方程 2-172.4. 自穩(wěn)隱形拱極限性討論 2-182.5. 自穩(wěn)隱形拱理論對錨桿的解釋 2-192.6. 自穩(wěn)隱形拱的錨固原理 2-202.6.1. 幫錨桿改善巷道穩(wěn)定性的原理 2-202.6.2. 頂錨桿改善巷道穩(wěn)定性的原理 2-202.6.3. 巷道斷面形狀改善巷道穩(wěn)定性的原理 2-212.7. 自穩(wěn)隱形拱理論要點 2-213. 支護方案 3-273.1. 井下礦壓現(xiàn)狀 3-273.2. 錨桿支護 3-284. 基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù) 3-224.1. 基礎(chǔ)參數(shù) 3-224.1.1. 煤體基本參數(shù) 3-224.1.2. 煤層頂板基本參數(shù) 3-224.2. 垂直地應(yīng)力 3-224.3. 巷道斷面形狀選擇 3-234.3.1. 頂板寬度對巷道穩(wěn)定性分析 3-234.3.2. 受力狀態(tài)分析 3-244.3.3. 斷面形狀確定 3-265. 施工參數(shù)設(shè)計 4-285.1. 頂部錨固控制范圍確定 4-285.1.1. 頂部不穩(wěn)定圍巖范圍 4-285.1.2. 巷道失穩(wěn)情況下頂部的不穩(wěn)定范圍 4-295.2. 錨桿 4-305.2.1. 頂錨桿： 4-305.3. 托梁鋼帶 4-315.4. 加固網(wǎng)確定 4-315.5. 錨索 4-315.6. 錨桿間排距 4-325.7. 錨網(wǎng)支護綜合布置圖 4-326. 施工工藝及注意事項 5-356.1. 掘支工藝 5-356.2. 光面爆破施工工藝 5-356.3. 特殊情況處理 5-356.4. 安全技術(shù)措施 5-357. 錨桿施工監(jiān)測 6-367.1. 日常監(jiān)測 6-377.2. 頂板離層監(jiān)測 6-387.3. 巷道表面收斂檢測 6-388. 附錄 7-38

基本狀況XX有限責任公司XX嶺煤礦，前身為XX縣XX嶺煤礦，屬XX縣煤炭工業(yè)局直屬煤礦。該礦始建于1983年7月，1996年12月投產(chǎn)，批準開采15號煤層，現(xiàn)采15號煤層，原礦井設(shè)計生產(chǎn)能力15萬噸/年，改擴建后礦井設(shè)計生產(chǎn)能力45萬噸/年，現(xiàn)實際生產(chǎn)能力15萬噸/年。2005年，在XX縣人民政府與XX公司所屬煤炭公司煤電一體化項目建設(shè)中，由XX公司出資收購，并于2005年10月28日正式接管，成為XX有限責任公司下屬煤礦。XX有限責任公司XX嶺煤礦，位于XX煤田北部平定XX礦區(qū)，行政區(qū)劃隸屬XX縣大寨鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)中心點地理坐標為東經(jīng)113°39′09″，北緯37°30′03″。礦區(qū)向北距XX縣城約17公里，207國道從礦區(qū)東部通過，陽涉鐵路從礦區(qū)西部邊緣通過，距陽涉鐵路XX轉(zhuǎn)運站25公里，交通條件十分較為便利。井田范圍XX嶺位于太行XX麓，地處侵蝕剝蝕中山區(qū)?？傮w地勢中部高周圍低，最高點位于礦區(qū)西南部，海拔1,119.1m，最低點位于東南部，海拔為881.7m，相對高差237.4m。井田面積為6.7481km2XX嶺煤礦采用斜井開拓，主井斜長646m，坡度23°，副井斜長742m，坡度23°。井口坐標為：主井X=4155465.619Y=19734820.133副井X=4154489.241Y=19734892.427采煤開采最大深度600設(shè)計服務(wù)年限為62.5年。區(qū)域地質(zhì)特征XX礦區(qū)位于XX煤田東翼北端，平定、XX兩縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地層大致向西傾斜，傾角一般10度左右。褶曲發(fā)育，較大的斷層有武家坪正斷層，走向北東，傾向南西，最大落差150m；杜莊正斷層，走向北北東，傾向北西，最大落差200m，延伸約15km；斷層多分布于礦區(qū)東部。區(qū)域上出露的地層由東向西依次為奧陶系峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)XX組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組、三疊系下統(tǒng)劉家溝組，第四系不整合覆蓋于各時代的地層之上。主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)XX組。太原組含煤10層，其中15號為穩(wěn)定可采煤層，9號為較穩(wěn)定、大部可采煤層；XX組含煤7層，其中3號為較穩(wěn)定、大部可采煤層。含煤地層總厚168m，煤層總厚11礦區(qū)地質(zhì)特征地層井田出露的地層主要為二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、上統(tǒng)上石盒子組（P2s），井田內(nèi)賦存的地層有奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f），石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、上統(tǒng)太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)XX組（P1s）、下石盒子組（P1x），上統(tǒng)上石盒子組（P2s）。奧陶系為本區(qū)煤系地層之基底。地層由老至新分述如下：（1）、奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f)（2）、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)（3）、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)據(jù)鉆孔資料，該組為一套海陸交互相的砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、石灰?guī)r及煤的沉積建造，是井田內(nèi)主要含煤地層。按其沉積特點及巖性組合劃分為上、中、下三段。本組厚96.40-119.50m，平均厚107.86m。①、下段（C3t1）：從K1砂巖底至K2灰?guī)r底為界，厚度30.06m，主要巖性為灰色、灰黑色泥巖，砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖及煤。K1為煤系地層底界，巖性為灰白色中—細砂巖（晉祠砂巖），為煤系地層的標志層之一。中下部含15號煤層，全區(qū)穩(wěn)定可采。②、中段（C3t2）：從K2灰?guī)r底至K4灰?guī)r頂為界，平均厚度29.04m，巖性為深灰色石灰?guī)r、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰色砂巖及13號、13下號、12號、11號4層煤層。各煤層均不可采。K2：為深灰色致密塊狀石灰?guī)r，堅硬、裂隙發(fā)育，厚度2.80-7.12m,平均厚4.70m，是該段底界的標志層。K3：為深灰色石灰?guī)r，致密堅硬，具裂隙，含動物化石。厚度1.70-2.60m,平均厚2.19m。K4：為灰色石灰?guī)r，裂隙發(fā)育，含動物化石。厚度0.82-2.96m，平均厚1.95m。③、上段（C3t3）：從K4灰?guī)r頂至K7砂巖底為界，巖性主要為深灰、灰色砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，含植物根化石，下部為中—細粒砂巖。含9號、9上號、8號、8上號煤層，其中9號煤為較穩(wěn)定大部可采煤層，其余均不可采。平均厚度48.76m。（4）、二疊系下統(tǒng)XX組（P1s）井田內(nèi)主要含煤地層之一。由灰色、深灰色的泥巖，砂質(zhì)泥巖，中、細粒砂巖和煤組成。本組共含1、2、3、4、5、6號六層煤，其中3、6號層為局部可采煤層，其余為不可采煤層。該組平均厚53.69m。K7為本組底界砂巖，巖性為深灰色細砂巖，往東尖滅，相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖,厚度0-14.70m，平均厚8.73m。（5）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）（6）、上統(tǒng)上石盒子組（P2s）（7）、第四系中上更新統(tǒng)(Q2+3)分布于井田內(nèi)山梁及山坡上，主要巖性為砂質(zhì)粘土及粉砂質(zhì)粘土，底部含鈣質(zhì)結(jié)核，厚度為0-25.00m，平均厚15.00m。（8）、第四系全新統(tǒng)（Q4）分布于河床中，為砂、礫、泥沙、黃土及殘積坡積物。厚度為0-15.00m，平均厚10.00m。構(gòu)造井田地層總體上為一傾向西南單斜構(gòu)造，地層傾角為5—10°。井田北部呈現(xiàn)為軸向北東—南西向的寬緩的向斜構(gòu)造（XX嶺向斜）。井田中東部發(fā)育有三條小斷層。褶曲——XX嶺向斜本褶曲為一向斜構(gòu)造，展布于井田北部，西部走向近東西向，東部走向北東65°左右，兩翼傾角3—10°，基本對稱。斷層①F1正斷層：位于井田中部，斷距5m，傾角70°，傾向南東，井田內(nèi)延伸長達160②F2正斷層：位于井田中南部，斷距5m，傾角75°，傾向南東，井田內(nèi)延伸長達330③F3正斷層：位于井田南部，斷距5m，傾角80°，傾向南東，井田內(nèi)延伸長達300本井田以單斜構(gòu)造為主，北部其上疊加有寬緩褶曲（向斜）構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)大斷層及巖漿巖活動，構(gòu)造屬簡單為一類。水文地質(zhì)井田內(nèi)主要可采煤層為15號煤層，其直接充水含水層為K2石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。按照煤礦床水文地質(zhì)類型劃分原則，15號煤層為以裂隙充水和巖溶充水為主的水文地質(zhì)條件簡單的礦床。充水因素分析礦井前期充水，主要是井巷工程揭露了含水層時，含水層所含的裂隙水就會涌入礦井。當煤層被開采時，受采動影響含水層原始狀態(tài)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，采空區(qū)上方的巖層產(chǎn)生塌陷，形成裂隙，含水層的完整性被破壞，使含水層與采空區(qū)之間發(fā)生水力聯(lián)系，形成礦井的涌水或水量增大，形成采空區(qū)積水。開采后對含水層（帶）的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)從下至上被改變，從而導致地表水、含水層水、上覆采空區(qū)積水的滲漏量大大增加，是形成礦井的充水的重要因素。煤層狀況含煤地層井田內(nèi)含煤地層為太原組和XX組，不同的聚煤環(huán)境，形成了不同的巖性組合、巖相特征，含煤性也存在較大差異。井田內(nèi)含煤地層平均總厚度161.55m，其中含煤層、煤線15層，煤層總厚度9.88m，含煤系數(shù)6%。15號煤層位于太原組的下部，上距9號煤層55-78.2m，平均厚66.90m，煤層厚度4.50—7.05m，平均厚5.14m，含1-2層夾矸，厚度穩(wěn)定，全井田可采。煤層頂板有0.3m的灰色粘土巖偽頂，隨采隨落，不易管理，直接頂為16.25m厚的黑灰色泥巖，老頂為煤質(zhì)物理性質(zhì)和煤巖特征本區(qū)可采煤層均為無煙煤，深灰色，金剛光澤或強玻璃光澤，具內(nèi)生裂隙，裂隙中均有礦物質(zhì)充填，常呈貝殼狀斷口或眼球狀斷口，一般硬度較大，具條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型煤為主，少數(shù)為半暗型煤。由于本區(qū)煤的變質(zhì)程度較高，有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量達87.6-97.3%，屬亮煤。無機組分以粘土為主，為10.2-20.3%，鏡質(zhì)組最大反射率(R°max)，15號煤為2.865-3.423%，平均3.108%?；瘜W性質(zhì)和工藝性能原煤：水分(Mad)為0.75-1.56%，平均1.14%，灰分(Ad)為7.90-36.24%，平均17.25%，揮發(fā)份(Vdaf)8.48-16.44%，平均9.16%，全硫(St.d)為0.56-4.09%，平均1.49%，發(fā)熱量29.96-35.91MJ/kg平均32.78%，磷(P.d)0.005-0.094%，平均0.042%。精煤：水分(Mad)為0.47-1.82%，平均1.11%，灰分(Ad)為3.73-10.44%，平均7.04%，揮發(fā)份(Vdaf)5.95-8.55%，平均7.16%，全硫(St.d)為0.52-1.01%，平均0.71%。原煤灰份成分：SiO235-45%、Al2O330-40%、Fe2O34-5%、CaO5%±、MgO<1%、SO3<1%?；胰埸c：>1500℃。元素分析C90-92%、H2-4%、O1.5-2.0%、N1.0-1.5%。綜上所述：15號煤為低中灰、低中硫、特高熱值為主的之無煙煤。瓦斯煤塵根據(jù)XX省煤炭工業(yè)局“關(guān)于XX市2005年395對煤礦礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果的批復(fù)（XX發(fā)[2005]986）”，XX縣XX嶺煤礦本年度瓦斯絕對涌出量17.01m3/min，相對涌出量47.20m3/t；二氧化碳絕對涌出量0.57m3/min，相對涌出量1.58m3/t，為高瓦斯礦井。煤塵爆炸性及自燃傾向性根據(jù)XX省煤炭工業(yè)局綜合測試中心檢驗報告（報告編號2005-4215–1），該礦15號煤層煤塵火焰長度0mm，加巖粉用量0%，煤塵無爆炸性危險。根據(jù)XX省煤炭工業(yè)局綜合測試中心檢驗報告（報告編號2005-4215–1），15號煤層煤的吸氧量1.2978cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅰ級，容易自燃。煤層頂?shù)装?5號煤層直接頂板為泥巖，厚度16m左右，據(jù)陽煤集團五礦資料，其泥巖抗壓強度223—910Kg/cm2，平均456Kg/cm2。老頂為K2灰?guī)r，厚度2.80—7.05m，屬Ⅰ底板多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，其砂質(zhì)泥巖抗壓強度608—837Kg/cm2，平均722Kg/cm2。施工方法先期鉆眼爆破法，后期使用掘進機破煤。頂板使用單體錨桿鉆施工錨桿。幫部使用風動幫錨桿鉆機錨固理論準確的分析計算必須建立在準確的巖體參數(shù)的基礎(chǔ)上，目前情況下在現(xiàn)場要準確確定參數(shù)比較困難。自穩(wěn)隱形拱理論的出發(fā)點是立足現(xiàn)場，力求用簡化的理論方法設(shè)計錨桿支護系統(tǒng)參數(shù)去適用于現(xiàn)場任何復(fù)雜的現(xiàn)場地層情況。解決現(xiàn)場實際問題。自穩(wěn)隱形拱理論體系自穩(wěn)隱形拱理論準確的詮釋以下幾點：揭露采礦工程中巷道圍巖的穩(wěn)定機理圈定地下巷道圍巖不穩(wěn)定范圍提出提高巷道穩(wěn)定性方案揭露錨桿支護實質(zhì)機理提出現(xiàn)場實用的錨桿設(shè)計方法自穩(wěn)隱形拱理論內(nèi)涵：圍巖穩(wěn)定本質(zhì)——指出巷道圍巖的穩(wěn)定性與支護方式無關(guān)。巷道是否穩(wěn)定是由圍巖的特性及巷道自身所處的采掘關(guān)系確定的；圍巖不穩(wěn)定區(qū)的有限性——對圍巖不穩(wěn)定區(qū)進行了界定錨桿的作用實質(zhì)——錨桿之所以能對巷道圍巖起到支護作用，是因為圍巖自身具有自我承載能力并能自我穩(wěn)定。指出了錨桿作用的局限性。 錨桿的錨固作用只是限制一定范圍巖體使其保持協(xié)調(diào)變形。 錨桿的力學原理是提高圍巖體局部塑性破壞后的承載能力。圍巖支護原理——指出支護范圍的有限性。有限性表現(xiàn)在防止圍巖局部突變上，而不需要支護整個圍巖體破壞區(qū)域。有效的錨固范圍——過大范圍的支護可能引起應(yīng)力集中，并不利于圍巖穩(wěn)定自穩(wěn)隱形拱首先是基于圍巖具有自我穩(wěn)定能力這一基本點上，并認為不論圍巖如何松軟，只要是似連續(xù)介質(zhì)，其即使出現(xiàn)片幫冒頂現(xiàn)象，這樣的冒落在一般情況下不會是無限的，最終必然達到相對穩(wěn)定平衡。即使是松散介質(zhì)，當這種介質(zhì)的結(jié)構(gòu)體互相咬合也能達到相對穩(wěn)定平衡，這稱之為巷道的自穩(wěn)現(xiàn)象。對巷道的支護就是對巷道在達到相對穩(wěn)定平衡過程中自穩(wěn)隱形拱內(nèi)出現(xiàn)的片幫冒頂?shù)木S護，保證在這一過程中只出現(xiàn)變形而不出現(xiàn)片幫冒落。因此，錨桿支護工作只是保護圍巖一定范圍圍巖的這種相互咬合。在巷道的維護中，頂部的維護十分重要。盡管人們提出護頂先護幫是支護的基本。然而，頂部使用錨桿的“似剛性”支護也能有效的將頂部壓力轉(zhuǎn)向兩幫深部，當幫部得到有效支護時最終還是以頂?shù)木S護為重中之重。研究頂部的應(yīng)力狀況及巖體穩(wěn)定狀態(tài)是支護頂部的前提。自穩(wěn)隱形拱理論描述巷道頂部的自穩(wěn)機理，提出自穩(wěn)隱形拱‘承載’垂直地應(yīng)力的假說。并且提出錨桿降低自穩(wěn)隱形拱的原理，以此為基礎(chǔ)來設(shè)計錨桿支護參數(shù)。這是非常重要的設(shè)計觀點。圍巖穩(wěn)定性分析我們已經(jīng)知道了巷道圍巖使用錨桿支護的本質(zhì)是圍巖自身具有穩(wěn)定性，那么，對圍巖穩(wěn)定性的研究將是具有十分重要的意義。巷道圍巖穩(wěn)定問題的研究是一個十分復(fù)雜的問題，隨著力學方法的不斷進展，人們現(xiàn)在能夠比較準確的解決地下工程的計算分析。但是，準確的分析計算必須建立在準確的巖體參數(shù)的基礎(chǔ)上，目前情況現(xiàn)場要準確確定參數(shù)比較困難。為了解決實際問題，我們拋開巖體力學的精確數(shù)據(jù)，遵從錨桿支護的基本觀點，主要分析圍巖體的失穩(wěn)范圍。巷道兩幫穩(wěn)定機理側(cè)幫破裂趨勢線圖2-1。巷道側(cè)幫跨落角Fig.2-側(cè)幫破裂趨勢線圖2-1。巷道側(cè)幫跨落角Fig.2-2.cavingangleofsideofalevel巷道兩幫的受力是在經(jīng)受大到巖體抗剪強度級的摩擦力情況下的單自由面的抗壓狀態(tài)，巷道兩幫的破裂面必然是在與巷道壁面成45°夾角之內(nèi)，因此，其破裂趨勢面如圖2-1所示。由此我們可以推斷，當巷道頂板得到有效維護時，巷道兩幫的可見破裂形狀為一三角形區(qū)域，其最大可見深度為巷道高度的一半。巷道頂板穩(wěn)定機理在原巖中開挖巷道后，頂板應(yīng)力在重新分布時，頂板中的應(yīng)力必然有兩個方向的變化。這兩個方向為垂直和水平應(yīng)力。其變化趨勢為:垂直應(yīng)力從→0；從表面向巷道深部，應(yīng)力分布由0逐漸變到地應(yīng)力。水平應(yīng)力從壓應(yīng)力→拉應(yīng)力。從巖石力學理論角度出發(fā)，圍巖體中的應(yīng)力單元的變形達到塑性就被視為破壞巖體。碹胎穩(wěn)定原理結(jié)構(gòu)頂部只要是弧拱形就能保持穩(wěn)定。圖2-2。圖2-2。不同拱形的碹胎結(jié)構(gòu)。Fig.2-2thearchstructureofd圖2-2。不同拱形的碹胎結(jié)構(gòu)。Fig.2-2thearchstructureofdifferentshape圖2-3。拱形的碹胎結(jié)構(gòu)中只要一塊掉落整個結(jié)構(gòu)就失穩(wěn)Fig.2-3.thearchwouldcrashitselfwhenloseoneblock自穩(wěn)隱形拱原理巖土工程理論不論以什么力學判據(jù)判斷圍巖破壞，其原理都是以圍巖體進入塑性不可逆狀態(tài)為條件的。然而，在長期的地下工程實踐中，我們發(fā)現(xiàn)地下工程中圍巖體產(chǎn)生塑性破壞后，還可以保持巷道的長期穩(wěn)定。尤其是回采巷道和切眼，使用期較短，這類地下工程的圍巖穩(wěn)定更要重視圍巖塑性區(qū)的穩(wěn)定性。圖2-4。巷道頂板的巖體劃分Fig.2圖2-4。巷道頂板的巖體劃分Fig.2-4.divisionforroadwayback巷道頂部潛在的危險是那些單元體中曾經(jīng)存在拉應(yīng)力的巖體，破壞巖體在擠壓狀態(tài)下有時可以不考慮其危害性。根據(jù)這樣的觀點，巷道頂板中單元體中拉應(yīng)力大于零的單元體所組成巖體為潛在危害巖體。如圖2-4所示。這種頂板內(nèi)拉應(yīng)力為零的應(yīng)力單元的連線在巷道的平面應(yīng)變問題中為一橢圓形曲線。這一橢圓形曲線稱之為自穩(wěn)隱形拱。自穩(wěn)隱形拱的基本原理引用了拱形穩(wěn)定機理，但自穩(wěn)隱形拱理論加入了受力狀態(tài)的拱形概念，而不是自身拱的穩(wěn)定問題。圖2-5巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)劃圖2-5巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)劃Fig.2-5.unstablesurroundingsofadrift巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)劃自穩(wěn)隱形拱理論的基本觀點中第一次將巖體的承載能力的界限劃進了破壞巖體，該理論認為巖體的承載能力并不在于其是否達到塑性，并認為達到塑性破壞后既是松散的圍巖都具有支承能力，而那些受拉應(yīng)力的巖體沒有進到塑性破壞卻被列入護防對象.根據(jù)對巷道頂板及側(cè)幫穩(wěn)定性的分析可知，在完全沒有支護情況下巷道冒落片幫的極限為側(cè)幫片入深度最大為。當發(fā)生到這種程度時，自穩(wěn)隱形拱也將會變到最大，這時的自穩(wěn)隱形拱稱為極限自穩(wěn)隱形拱。根據(jù)自穩(wěn)隱形拱理論劃分的不穩(wěn)定危害巖體區(qū)劃如圖2-5所示:自穩(wěn)隱形拱方程當巷道開挖后不能及時支護而使巷道頂板產(chǎn)生變形后，頂板表面處的拉應(yīng)力交界點就會隨之變動而最終使交點擴展到巷道頂板兩角處。這時的隱形拱曲線稱之為自穩(wěn)隱形拱。自穩(wěn)隱形拱是巷道頂部應(yīng)力單元中水平方向的拉應(yīng)力為零的單元的聯(lián)線所形成的曲面，這一曲面在巷道截面上所示的近似曲線方程為：或?qū)憺椋菏街校? 其他符號同前。根據(jù)對巷道頂板及側(cè)幫穩(wěn)定性的分析可知，在完全沒有支護情況巷道冒落片幫的極限為側(cè)幫片入深度最大為。當發(fā)生到這種程度時，自穩(wěn)隱形拱也將會變到最大，這時的自穩(wěn)隱形拱稱為極限自穩(wěn)隱形拱。極限自穩(wěn)隱形拱方程如下：如果令:，有:極限自穩(wěn)隱形拱離頂板的最大高度自穩(wěn)隱形拱極限性討論如果令：則有：式2-2說明：當圍巖松軟到極限時。圍巖的不穩(wěn)定范圍只與巷道的寬度有關(guān)，其外不穩(wěn)定界面是一個橢圓。長短軸由地下空間的寬度決定。因此，按照自穩(wěn)隱形拱理論的巷道幫部破壞極限概念：完全破碎圍巖體巷道幫部完全失穩(wěn)時極限狀態(tài)的水平最大破壞寬度為：完全破碎圍巖體巷道幫部完全失穩(wěn)時極限狀態(tài)的垂直最大破壞范圍為：自穩(wěn)隱形拱理論對錨桿的解釋錨桿支護作用的懸吊機理，巖梁機理，擠壓加固機理，擠壓拱作用，松動圈觀點，關(guān)鍵圈機理等都是從不同的側(cè)重點揭露了錨桿支護的作用機理的某一方面。錨桿之所以能對巷道圍巖起到支護作用，是因為圍巖自身具有自我承載能力并能自我穩(wěn)定。錨桿的錨固作用只是限制一定范圍巖體使其保持協(xié)調(diào)變形。錨桿的力學原理是提高圍巖體局部力學參數(shù)，尤其能大大提高塑性破壞后的承載能力。*錨桿的懸吊作用機理是錨桿制約圍巖縱向變形的能力;*錨桿的組合梁作用機理是錨桿制約圍巖橫向變形的能力;*錨桿的擠壓加固作用機理是錨桿制約圍巖縱向和橫向變形的能力自穩(wěn)隱形拱的錨固原理對巷道圍巖的維護可以改變巷道圍巖穩(wěn)定區(qū)域的大小和形狀，不同的支護方式對圍巖穩(wěn)定區(qū)域大小形狀的改變有所不同，因此也就有不同的支護效果。圖2-7.頂錨桿改變自穩(wěn)隱形拱Fig.2-7changedself-stabilizedarchwithcertainbolting圖STYLEREF1\s26幫錨桿使極限自穩(wěn)隱形拱縮小Fig.STYLEREF1\s26sideboltreducingself-stabilizedarch幫錨桿改善巷道穩(wěn)定性的原理圖STYLEREF1\s28.巷道斷面形狀對圍巖穩(wěn)定性的影響fig.STYLEREF1\s28affectionofanentrysection2134圖STYLEREF1\s28.巷道斷面形狀對圍巖穩(wěn)定性的影響fig.STYLEREF1\s28affectionofanentrysection2134頂錨桿改善巷道穩(wěn)定性的原理巷道頂板錨桿的加固作用能夠改變自穩(wěn)隱形拱的大小。在圖中我們能清楚地看到，如果頂部采取預(yù)應(yīng)力錨桿支護使巷道頂部的自穩(wěn)隱形拱變化。不斷變小的自穩(wěn)隱形拱使巷道頂板的穩(wěn)定性增加。巷道圍巖的不穩(wěn)定區(qū)域就大大減小。圖2-7。巷道斷面形狀改善巷道穩(wěn)定性的原理對于特定條件的巷道來說，圍巖及其狀態(tài)一定，自穩(wěn)隱形拱的位置與巷道的斷面形狀有著十分密切的關(guān)系。拱形巷道的自穩(wěn)隱形拱比矩形巷道的自穩(wěn)隱形拱低的多，這就證明了其穩(wěn)定性要好得多。從圖STYLEREF1\s28中4號曲線可以看出，采用拱形斷面的巷道，巷道的穩(wěn)定情況會得到很大的改善。自穩(wěn)隱形拱理論要點①、自穩(wěn)隱形拱理論揭示地下工程巷道圍巖穩(wěn)定狀況和錨桿作用實質(zhì)并以此原理為基礎(chǔ)設(shè)計錨固支護參數(shù)解決工程實際問題。②、巷道圍巖的穩(wěn)定性與支護方式無關(guān)，巷道是否穩(wěn)定是由圍巖的特性及巷道自身所處的采掘關(guān)系確定的；沒有支護的巷道出現(xiàn)片幫冒頂一般不會無限的發(fā)展下去。③、巷道圍巖體達到塑性破壞后仍然可能是主要承載體，而那些圍巖變形過程中存在拉應(yīng)力的單元體雖然沒有達到破壞卻應(yīng)被視為有害巖體加以預(yù)防支護。④、巷道頂板應(yīng)力單元體中水平應(yīng)力為零的單元聯(lián)線，稱為自穩(wěn)隱形拱。自穩(wěn)隱形拱是地下巷道頂部穩(wěn)定的界面，并以此界面將頂部垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)向巷道兩幫。⑤、平面應(yīng)變問題中巷道頂板中的自穩(wěn)隱形拱形狀近似為一橢圓曲線。⑥、巷道圍巖塑性帶在一定條件下也能形成承載隱形拱而自穩(wěn)。松軟破碎頂板巷道會形成次生隱形拱，次生隱形拱類似砌碹體，主要承載自穩(wěn)隱形拱包絡(luò)線內(nèi)的圍巖自重。⑦、錨桿支護工作只是保護圍巖一定范圍圍巖的相互咬合。防止自穩(wěn)隱形拱內(nèi)圍巖局部突變，保護圍巖的外界視覺。⑧、幫錨桿的有效作用可以消除極限自穩(wěn)隱形拱，縮小圍巖的不穩(wěn)定范圍。⑨、頂錨桿的有效作用可以縮小自穩(wěn)隱形拱，增加頂板的穩(wěn)定性。⑩、錨桿支護設(shè)計中至少要有兩根錨桿深入到自穩(wěn)隱形拱內(nèi)５００mm以上病事假預(yù)應(yīng)力。錨桿在安裝后2小時內(nèi)要施加預(yù)應(yīng)力達到１5０Ｎ·eq\o\ac(○,11)、改變巷道斷面形狀或在頂板適當位置加裝預(yù)應(yīng)力錨桿可以降低自穩(wěn)隱形拱的高度，取得較好的支護效果?；A(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)根據(jù)所取煤巖樣采用做快速測試法。所測試數(shù)據(jù)如下：煤體基本參數(shù)抗壓強度：17普氏系數(shù)：f=1.7抗拉強度：１.１抗剪強度:4.8煤層頂板基本參數(shù)抗壓強度：43普氏系數(shù)：f=4.3抗拉強度：2.86抗剪強度:9.52垂直地應(yīng)力垂直埋深570米巷道斷面形狀選擇頂板寬度對巷道穩(wěn)定性分析自穩(wěn)隱形拱理論指出，巷道頂部形狀寬度對巷道穩(wěn)定性影響很大。通過以下數(shù)值分析可以更清楚。以下選擇了同樣寬度的矩形巷道和梯形巷道作比較更能說明問題。Y方向的位移云圖Y方向的應(yīng)力的比較從應(yīng)力云圖分析可知，滿足同樣條件的巷道，采用梯形斷面其頂部應(yīng)力等值線要遠離很多。因此，我們下一步所選斷面要盡量考慮縮小頂寬。610水平大巷斷面力學狀態(tài)模擬矩形斷面與拱形斷面垂直應(yīng)力比較矩形斷面與拱形斷面垂直應(yīng)力比較矩形斷面與拱形斷面主應(yīng)力比較矩形斷面與拱形斷面主應(yīng)力比較受力狀態(tài)分析運用flac模擬計算得到了施工過程中各步的圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力場、位移場、周邊位移、周邊應(yīng)力及位移與應(yīng)力的等值線圖等。由圖可見，圓角平頂巷道可以很好地改善圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，降低應(yīng)力集中程度，而且由于在角部的圓弧形狀，使得錨桿施工更加容易，是工程適用的斷面形式。因此在較松軟煤層巷道的大跨度平頂巷道設(shè)計中，兩角采用弧形來代替直角矩形可以使應(yīng)力集中現(xiàn)象和頂中出現(xiàn)的拉應(yīng)力現(xiàn)象得到很好的改善，更加有利于巷道的穩(wěn)定。當圍巖壓力大，圍巖不能自穩(wěn)時，就需借助支護和圍巖加固手段以控制圍巖，維護采礦工程的穩(wěn)定，實現(xiàn)安全施工，并滿足在服務(wù)年限內(nèi)的安全運行和使用要求。地下工程穩(wěn)定所涉及的因數(shù)比較多，尤其在一些復(fù)雜的地質(zhì)條件下，更是一個困難的問題。在采礦工程，受礦體賦存條件的制約，巷道等地下工程的位置、圍巖性質(zhì)及地質(zhì)環(huán)境條件無法隨意選擇，決定了其維護工程的困難性。但是，即使如此，工程中總還有一些可以控制或可調(diào)節(jié)的因素。因此在采礦工程中的設(shè)計與施工中，就要根據(jù)其穩(wěn)定性的基本原則，充分利用有利的條件，采取合理措施，保證在經(jīng)濟的原則下，實現(xiàn)工程的穩(wěn)定。從前面的分析中可知，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是實現(xiàn)巖石采礦工程穩(wěn)定的最經(jīng)濟最可靠的方法。所以巖石內(nèi)的應(yīng)力及其強度是決定圍巖穩(wěn)定的首要因素，當巖體應(yīng)力超過強度而設(shè)置支護時，支護應(yīng)力與支護強度變成為巖石工程穩(wěn)定的決定因素。因此，維護巖石采礦工程穩(wěn)定的出發(fā)點和基本原則，就是合理解決這兩對矛盾。地下的地質(zhì)條件相當復(fù)雜，即使在同一煤層中，巖性的好壞也會相差很大，其強度甚至可以相差十余倍，巖石性質(zhì)的好壞，是影響穩(wěn)定最根本、最重要的因素。選擇合理的巷道斷面形狀和尺寸十分重要。巖石怕拉耐壓，巖石的應(yīng)力狀態(tài)也影響巖石的強度大小。因此，確定巷道的斷面形狀應(yīng)盡量使圍巖均勻受壓。如果不易實現(xiàn)，也應(yīng)盡量不使圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力，使巷道的高徑何地應(yīng)力場匹配，這就是前面討論等軸壓比和零應(yīng)力軸比的意義。當然，也應(yīng)注意避免圍巖出現(xiàn)過高的應(yīng)力集中，造成超高強度的破壞。選擇合理的位置和方向。巖石工程的位置應(yīng)選擇在避免受構(gòu)造應(yīng)力影響的地方；如果無法避免，則應(yīng)盡量弄清楚構(gòu)造應(yīng)力的大小、方向等情況。國外特別強調(diào)使巷道軸線方向和最大主應(yīng)力一致，尤其要避免與之正交。實踐還表明，順層巷道的圍巖穩(wěn)定性往往較穿層巷道差。支護應(yīng)特別注意這種地壓的不均勻性。斷面形狀確定從應(yīng)力分析可知，圓角形巷道的受力性能明顯好于帶尖角形的巷道。另外，按照自穩(wěn)隱形拱在巷道頂板中起著抵抗垂直地應(yīng)力的作用，降低自穩(wěn)隱形拱的高度非常有利于巷道頂板的維護。人為地縮小頂板寬度是減小自穩(wěn)隱形拱高度的唯一途徑。而降低自穩(wěn)隱形拱的高度有利于錨桿深入到自穩(wěn)隱形拱中?？s小頂板有效寬度可采用兩條途徑實現(xiàn)：※將直角矩形巷道頂角改為弧形或多角形縮小頂寬。※在巷道兩角一定距離處加預(yù)應(yīng)力錨桿，使預(yù)應(yīng)力錨桿深入到原寬巷道頂板極限自穩(wěn)隱形拱內(nèi)，這樣可以起到縮小頂部的有效寬度。運輸巷道斷面考慮到運輸設(shè)備尺寸、通風要求和巷道圍巖變形預(yù)留量。并根據(jù)概況實際情況，將巷道斷面形式選為圓角矩形。掘進斷面選擇如下參數(shù)：巷道斷面：圓角矩形凈寬4800mm凈高35回風巷道25004800圖3-1.運輸巷道斷面圖fig.3-1.cross-sectionofthelevel25004800圖3-1.運輸巷道斷面圖fig.3-1.cross-sectionofthelevel自然弧形35005000圖3-2.回風巷道斷面圖fig.3-2.cross-sectionofthelevelforair43001800支護方案井下礦壓現(xiàn)狀經(jīng)過現(xiàn)場觀察實際地質(zhì)狀況分析，從井下的礦壓顯現(xiàn)情況看，地壓的大小并不與垂直地壓成正比。目前井下所采用的錨網(wǎng)參數(shù)有些不盡合理，例如穩(wěn)定巖層中使用錨索，煤體使用鋼筋網(wǎng)和菱形網(wǎng)公用，錨桿無預(yù)應(yīng)力等問題。下一步，+610m水平運輸大巷和回風大巷的層位，掘進斷面，支護形式需要研究確定。只要經(jīng)過現(xiàn)場觀測，井下巷道合理的確定掘進支護參數(shù)才能夠帶來安全生產(chǎn)，更可能帶來良好的經(jīng)濟效益。錨桿支護近年來采礦工程支護實踐和理論都已證明，錨固技術(shù)對于解決采礦工程中的難題具有非常明顯的優(yōu)點。合理的采用錨固技術(shù)，設(shè)計優(yōu)化的參數(shù)對本項目尤為重要。井下現(xiàn)在開始使用的錨網(wǎng)參數(shù)是采用經(jīng)驗結(jié)合其他地區(qū)的參數(shù)設(shè)計的。從實際情況看，雖然支護強度很大，但頂板的控制范圍不足，幫部鋼筋梯子托梁選型也較大，但由于幫部松軟的煤層使得這種梯子梁的應(yīng)用不能發(fā)揮最好的作用。因此，頂錨桿和幫部托梁參數(shù)都需要另行研究確定。根據(jù)XX嶺井下實際情況，將回風巷道定為錨網(wǎng)噴支護，運輸巷道定為錨梁網(wǎng)噴支護形式。施工參數(shù)設(shè)計頂部錨固控制范圍確定頂部不穩(wěn)定圍巖范圍自穩(wěn)隱性拱方程為：式中：在煤層中的方程常數(shù)運輸大巷自穩(wěn)隱形拱離頂板的距離回風大巷：自穩(wěn)隱形拱離頂板的距離在巖石中的方程常數(shù)：運輸大巷自穩(wěn)隱形拱離頂板的距離回風大巷：自穩(wěn)隱形拱離頂板的距離以上計算分析可知：運輸巷道頂部不穩(wěn)定高度小于２米回風大巷頂部不穩(wěn)定高度小于1.8巷道失穩(wěn)情況下頂部的不穩(wěn)定范圍運輸大巷回風大巷極限自穩(wěn)隱形拱離頂板的最大深度為運輸巷：回風巷：以上計算分析可知：運輸巷道頂部極限不穩(wěn)定高度為４米回風大巷頂部極限不穩(wěn)定高度為３根據(jù)計算，如果在掘進中發(fā)現(xiàn)頂板破碎，需增加４.３米長的錨索。每隔３米錨桿參數(shù)頂錨桿：長度：頂部超過自穩(wěn)隱形拱且巷道肩部超出極限自穩(wěn)隱形拱以外500mm。頂部錨桿長度確定為：2直徑：根據(jù)地應(yīng)力變化及其他情況，確定為：ф20桿體材料：左旋螺紋鋼托盤：運輸巷道使用T型強力托梁螺母：球形快裝螺母錨固劑：樹脂藥卷1個Z2350錨桿預(yù)緊力：150N.M頂錨桿型號：左旋ф20/M22×2000幫錨桿：長度：幫部錨桿超出極限破壞區(qū)200mm幫部錨桿長度確定為：18直徑：根據(jù)地應(yīng)力變化及其他情況，確定為：ф18桿體材料：左旋螺紋鋼托盤：鐵質(zhì)120mm×1螺母：球形快裝螺母錨固劑：樹脂藥卷1個Z2350錨桿預(yù)緊力：150N.M頂錨桿型號：左旋ф18/M20×2000托梁鋼帶頂部：T型強力托梁長度2400mm規(guī)格：T130×2400/4+1加固網(wǎng)確定為了保持圍巖的完整性，利用網(wǎng)子可以被動的形成防護煤體自然坍塌或是圍巖體快的吊落。選擇10#鐵絲編制的70×70菱形網(wǎng)。錨索頂部破碎時必須用礦用錨索加固，規(guī)格φ15.24，錨索長度4300mm。錨固長度1500mm。每孔1個K2335+2個Z2370樹脂錨固劑。錨桿間排距間距800mm排距800mm噴射混凝土噴厚100mm初噴時間在錨桿支護后48小時進行，復(fù)噴在初噴喉10天進行。錨網(wǎng)支護綜合布置圖錨桿布置綜合見圖4-1，4-2。使用該初步設(shè)計的支護圖進行施工中進行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)收集并經(jīng)過優(yōu)化整理后修該初步設(shè)計，確定合理參數(shù)。圖4-1.運輸巷道斷面圖fig.4-1.cross-sectionofthelevel巷道斷面：圓角矩形。掘進寬度4800mm，頂寬2500mm；巷道高度3500mm；起弧點在墻高圖4-1.運輸巷道斷面圖fig.4-1.cross-sectionofthelevel巷道斷面：圓角矩形。掘進寬度4800mm，頂寬2500mm；巷道高度3500mm；起弧點在墻高1800mm，形成自然弧形錨網(wǎng)支護：排距800mm，錨桿間距800mm孔徑配合：鉆頭直徑φ28，藥卷直徑φ23，錨桿直徑φ20頂部錨桿：無縱筋左旋螺紋鋼錨桿。規(guī)格φ20/M22×2000，滾制絲扣，球形快速安裝螺母幫部錨桿：無縱筋左旋螺紋鋼錨桿。規(guī)格φ18/M20×1800，滾制絲扣，球形快速安裝螺母，球面鐵托板120×120×8錨固方式：加長錨固。使用樹脂錨固劑，每個錨桿1個CK2335+1個Z2360網(wǎng)片：網(wǎng)目80×80鐵絲網(wǎng)，用12#鐵絲編織錨索：頂板破碎時候加強支護用。規(guī)格φ15.24，長度4300mm。使用樹脂錨固劑，每個錨桿1個CK2335+2個Z2360，每3.2米一根托梁：T型強力托梁，規(guī)格：T130×2600/800（4+1）混凝土噴層：厚度100mm，初噴30mm，復(fù)噴在10天后進行80048003500T型強力托梁規(guī)格：T130×2600/800（4+1）金屬網(wǎng)子網(wǎng)目80×80混凝土噴層厚100mm錨桿：φ20/M22×2000mm樹脂錨固劑：CK2335+Z2360頂板破碎的時候加錨索：規(guī)格φ15.24，長度4300mm樹脂錨固劑CK2335+2×Z2360弧拱起拱點墻高：1800圖4-2.回風巷道斷面圖fig.4-2.cross-sectionofthelevelforair圖4-2.回風巷道斷面圖fig.4-2.cross-sectionofthelevelforair巷道斷面：半圓拱形，掘進寬度5000mm，高度4300mm；墻高1800mm，拱高2500mm錨網(wǎng)支護：排距800mm，錨桿間距800mm孔徑配合：鉆頭直徑φ28，藥卷直徑φ23，錨桿直徑φ20錨桿：無縱筋左旋螺紋鋼φ20/M22×2000，滾制絲扣；球面鐵托板120×120×8；球形快速安裝螺母錨固方式：加長錨固，使用樹脂錨固劑，每個錨桿1個CK2335+1個Z2360網(wǎng)子：網(wǎng)目60×60鐵絲網(wǎng)，用12#鐵絲編織混凝土噴層：厚度100mm，初噴30mm，復(fù)噴在10天后進行5000800800金屬網(wǎng)網(wǎng)目80×80混凝土噴層100mm無縱筋左旋螺紋鋼錨桿規(guī)格：φ20/M22×2000樹脂錨固劑CK2335+Z2360施工工藝及注意事項掘支工藝采用全斷面一次掘進。必須嚴格施工工藝保證圍巖的完整性是錨桿支護技術(shù)的前提。光面爆破施工工藝個別部位需要采用爆破法破巖時，必須嚴格爆破工藝。拱基線以上周邊眼嚴格按照爆破圖表。放完炮后手工刷大到設(shè)計輪廓。如果不嚴格重視爆破工作，錨桿支護可能失敗。特殊情況處理⑴、掘進中可能會有許多變化。掘進過程中遇地質(zhì)條件惡化，必須立即采取加固措施并向科研攻關(guān)組報告，以便及時調(diào)整支護方式。⑵、如果掘進中頂板管理不善，自穩(wěn)隱形拱將向上移，極限自穩(wěn)隱形拱將向外擴展。這些變化都不利于巷道的穩(wěn)定性。出現(xiàn)這種情況時應(yīng)該采取加固措施。首先采用錨索對圍巖事假預(yù)