桁架支護施工方案(石圪臺煤礦)

1、鄂爾多斯市烏蘭煤炭集團公司石圪臺煤礦131201 回風(fēng)順槽繞道支護方案石圪臺煤礦捷馬()礦山支護設(shè)備制造2008年08月05日1 概述烏蘭集團石圪臺煤礦 131201 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 150 米，走向長 858 米。131201 工作面回風(fēng)順槽繞道沿 3-1-2 煤層中部掘進，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。其與原掘進的 131201 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 煤層房柱式開采采空區(qū)。為避免 131201

2、工作面回風(fēng)順槽繞道在工作面回采時發(fā)生破壞，現(xiàn)對其支護方式進行重新設(shè)計。2 近距離煤層采空區(qū)下順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護可行性分析錨桿桁架系統(tǒng)支護作用機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，錨桿桁架結(jié)構(gòu)對控制垂直節(jié)理的作用非常明顯。FFFF斜F錨斜桿F合FF FF斜斜合頂板FF平F平底板圖 1 錨桿桁架系統(tǒng)力的作用示意圖錨桿桁架系統(tǒng)支護是一種理想的支護手段， 其不僅是貼頂支護， 而且可以施加較大的預(yù)應(yīng)力，實現(xiàn)主

3、動支護。 因此錨桿桁架系統(tǒng)是支護近距離煤層采空區(qū)下順槽的有效手段，具有良好的支護效果。煤層順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護的可行性研究表明：預(yù)應(yīng)力錨桿可有效提高圍巖的殘余強度， 充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。錨桿與其錨固圍的錨固體構(gòu)成一種錨固支護體， 在錨桿的約束與抗剪作用下， 使塑性破壞后易于松動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， 錨桿支護形成的錨固平衡拱是掘進迎頭空頂上方頂板自穩(wěn)的基礎(chǔ)。因此，使用錨桿支護可以有效地阻止頂板松散冒落。巷道支護關(guān)鍵是頂板， 只要錨桿能保持頂板的穩(wěn)定， 護幫并不難。 通過對錨桿支護后圍巖穩(wěn)定性

4、分析研究， 認(rèn)為試驗巷道采用錨桿支護是完全必要的。 但是，考慮到頂板為典型的復(fù)合頂板， 且中間為煤層， 同時上方為采空區(qū)的特殊條件， 采用長錨索或增加錨桿長度的方法是不可行的， 而錨桿桁架系統(tǒng)很好地解決了以上問題。 根據(jù)現(xiàn)場的實際考察，認(rèn)為錨桿桁架系統(tǒng)支護試驗是十分必要的， 通過試驗研究以期確定理想的錨桿聯(lián)合支護形式和科學(xué)的錨桿桁架系統(tǒng)支護參數(shù)。3 巷道圍巖應(yīng)力分析與支護設(shè)計3.1頂板巖層安全評價系數(shù)莫爾庫倫安全系數(shù)為了確定巷道頂板錨桿長度， 莫爾庫倫安全系數(shù)法是確定巷道圍巖破壞圍的常用方法，莫爾庫倫安全系數(shù)評價公式：SFK3C1式中： K與最大主應(yīng)力有關(guān)的摩擦角；3 最小主應(yīng)力；C摩擦系數(shù)。

5、3.2計算模型與計算參數(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。計算巷道寬度： 3.4 m計算巷道高度 ： 2.4 m計算深度 ：巷道埋藏深度按70m計算。圖 2 為 2-D 有限元分析模型。圖 2 有限元計算模型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)力分布圖莫爾庫倫安全系數(shù)分布： 基于最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力計算結(jié)果，計算了莫爾庫倫安全系數(shù)，圖 5 是巷道周圍莫爾庫倫安全系數(shù)分布

6、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 巷道周圍安全系數(shù)分布錨桿長度確定： 從上述安全系數(shù)分布結(jié)果看， 最小的錨桿長度應(yīng)該錨固在煤層上方0.6m 以上的砂質(zhì)泥巖中，根據(jù)此限制，考慮到一定的安全系數(shù)，頂板錨桿長度選擇為2.2m。3.4錨桿形式與支護參數(shù)錨桿類型與支護結(jié)構(gòu)的確定由于 311 煤層已經(jīng)采用房柱式開采采空，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，采用長錨桿和

7、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圍的組合梁， 采用錨桿桁架系統(tǒng)是較好的選擇。最終支護方案：錨桿桁架系統(tǒng)高強預(yù)應(yīng)力錨桿。圖6 為選定的頂板支護方案。圖 6頂板錨桿桁架系統(tǒng)支護方案錨桿安裝應(yīng)力的確定錨桿支護一種主動支護方式，適宜的安裝應(yīng)力是發(fā)揮錨桿支護效能的關(guān)鍵。有效的錨桿安裝應(yīng)力應(yīng)該取得下述支護效果：頂板巖層中無離層發(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)計科學(xué)有效的安裝應(yīng)力，本設(shè)計進行了有限元分析。圖7 所示為安裝應(yīng)力計算有限元模型。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 2.2m。桁架傾斜錨桿長 2.4m。傾角 45 度。模型

8、計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， 通過改變錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝應(yīng)力， 進行支護設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化計算。 共計運行了 10 個模型，下面是部分運行結(jié)果：圖 7 安裝載荷有限元計算模型(1) 3 噸安裝應(yīng)力圖 8 是在 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，無頂板離層發(fā)生。在巷道上方約 1.0m 的圍存在一個拉應(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)圍， 錨桿安裝應(yīng)力需要進一步提高。圖 8 圍巖應(yīng)力分布與圍巖變形計算結(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

9、。在此應(yīng)力下，無頂板離層發(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）錨桿直徑的確定依據(jù)錨桿安裝應(yīng)力計算結(jié)果， 錨桿的安裝應(yīng)力不應(yīng)大于錨桿抗拉強度的 50%。因此錨桿的最小承載能力應(yīng)為 12 噸。(1) 靜載荷計算：所選定的頂板支護系統(tǒng)至少應(yīng)該滿足頂板垂直靜載荷的需要。經(jīng)計算最小靜載荷為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度的50%，所以錨桿的最小抗拉強度應(yīng)該 12噸。根據(jù)上述計算結(jié)果，垂直錨桿直徑選用18mm，傾斜錨桿直徑選用20mm。設(shè)計中所選用

10、的高強度阻尼螺紋鋼錨桿的力學(xué)性能為：18mm 屈服強度大于 13 噸，抗拉強度大于16 噸。20mm 屈服強度大于 16 噸，抗拉強度大于20 噸。3.5結(jié)論基于石圪臺煤礦現(xiàn)有的地質(zhì)采礦條件，通過頂板控制分析和有限元模型計算，有限元模型計算進行了圍巖應(yīng)力分析、安裝應(yīng)力確定和支護方案的選擇，通過上述綜合分析與計算，得出如下結(jié)論：（1） 錨桿長度：頂板垂直錨桿采用長度為2.2 米的高強度阻尼螺紋鋼錨桿， 傾斜錨桿長度為 2.4 米。安裝載荷：安裝載荷對頂板的綜合承載能力起著重要的作用，計算，確定安裝載荷應(yīng)不小于4 噸。經(jīng)過多個模型的優(yōu)化（2） 桁架系統(tǒng)：為了確保3 1 2 煤層及頂板的穩(wěn)定性，選用

11、錨桿桁架系統(tǒng)。（3） 錨桿直徑：頂板錨桿直徑為18mm,傾斜錨桿直徑為20mm。（4） 間排距：模型計算中排距是按產(chǎn)品試用期建議排距為0.9m1.0m 計算的，并考慮了必要的安全系數(shù)。在最終的支護設(shè)計方案如圖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每米巷道材料消耗表編名稱規(guī)格配置單數(shù)單價備注號位量（元）1高強扭矩阻尼螺母、“治”墊圈、2.用于傾應(yīng)力錨桿 202400 mm高強 150× 150×8mm托套斜錨桿2盤2高強扭矩 182200 mm阻尼螺母、平墊圈、高套2.用于垂應(yīng)力錨桿強 150×150× 8mm托盤2直錨桿3桁架托盤

12、150× 250mm個2.24桁架角個2.25U 型卡個2.26球形墊圈個2.27水平錨索 15.24等級： 1860條1.2400mm18錨索索具 15.24套2.29樹脂K2335支8.8合計每米巷道支護費用為元此外，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、錨索拉器等施工機具。4 井下工業(yè)性試驗及礦壓觀測4.1試驗巷道概況本次試驗施工巷道為3 1 2 煤層的 131201 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、 3 11 煤層房柱式開采采空區(qū)，巷道底板為砂

13、質(zhì)泥巖。巷道埋藏深度大致為60m，巷道為矩形。試驗巷道錨桿桁架系統(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，正確的安裝錨桿對于有效地控制頂板，減少錨桿用量，提高掘進速度都是至關(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度。 為此根據(jù)安裝質(zhì)量要求編寫了錨桿的安裝說明書。錨桿安裝過程如下：（1）鉆孔鉆孔直徑 ：根據(jù)設(shè)計支護需要的錨桿的實際情況而定。一般鉆孔直徑為 28mm。鉆孔深度 ：鉆孔深度需大于錨桿有效長度 30 50mm。錨桿的有效長度是指從安裝錨桿托盤的側(cè)表面到錨桿的端部的距離。 一般的講，鉆孔深度與

14、安裝錨桿的長度一致即可。鉆孔角度： 按照設(shè)計要求的角度進行施工。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， 用卷尺從鉆頭開始向下做一與錨桿長度一致的標(biāo)記。鉆孔施工： 用錨桿鉆機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，上下移動鉆桿，對鉆孔進行沖洗。（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按先后順序穿入錨桿。 對于桁架系統(tǒng)的傾斜錨桿需要先穿球形墊圈，再穿桁架角、最后穿桁架托盤。裝 樹 脂：將樹脂用錨桿推入鉆孔， 推入樹脂時要用力均勻， 盡可能不要把樹脂穿破。鉆機推樹脂 ：然后將錨桿接入鉆機， 用鉆機將錨固劑推至鉆孔深處， 直到頂不動為止。攪拌錨固

15、劑 ：啟動鉆機（旋轉(zhuǎn)）攪拌錨固劑，同時鉆機推力也要調(diào)至最大，攪拌時間根據(jù)錨固劑的型號而定，一般的快速錨固劑攪拌1020 秒即可。托盤與頂板間隙 ：錨固劑攪拌結(jié)束時，要確保錨桿托盤與頂板之間有 1015mm的間隙。打開阻尼 ：攪拌錨固劑后，需停頓 40 60 秒（適用快速樹脂錨固劑），啟動錨桿鉆機（鉆機只旋轉(zhuǎn)不推進）打開螺母阻尼，并用錨機將螺母擰緊。提高安裝應(yīng)力： 鉆機擰緊螺母后卸下鉆機， 再用手動扳手或者扭矩放大器， 給錨桿施加符合設(shè)計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（推樹脂入孔到規(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

16、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型卡中的錨索索具。 以相同的方式安裝另一端的 U型卡和錨索。水平鋼絞線長度必需大于兩端 U型卡的兩索具直線距離 200mm，確保兩端的錨索外露 150mm。錨索穿入 U型卡中的索具后，用錨索拉器拉緊錨索，并達到所需的八噸拉力。在底板組裝方法：將兩個 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

17、U 型卡掛在桁架角上， 用錨索拉器緊錨索， 并達到所需的拉力。（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 確保兩端的錨索索具位于U型卡的中間； 水平錨索必需達到設(shè)計的拉力； 錨桿安裝時必需用扭矩扳手將錨桿螺母擰緊至所要求的扭矩； 在拉錨索時，手或手指不能靠近錨索拉器的伸縮頭附加。4.4特殊條件下加強支護措施巷道施工過程中，局部地區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響，煤體松軟，頂板下沉量較大，或在巷道的交岔點部分， 根據(jù)頂板情況，應(yīng)適當(dāng)補打錨索或架棚進行加強支護， 保證施工安全。 4.5 礦壓觀測結(jié)果與分析為全面檢查 131201 采煤工作面

18、回風(fēng)順槽繞道錨桿桁架系統(tǒng)支護的支護工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道所受到的采動影響，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時采取措施。通過監(jiān)測來驗證設(shè)計的正確性，檢驗支護質(zhì)量，同時為修改設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。 本次監(jiān)測的主要容包括：巖體表面位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、錨桿受力監(jiān)測及錨桿錨固力檢測四個方面。巖體表面位移監(jiān)測（1）斷面位置及間距斷面位置為以采用錨桿桁架系統(tǒng)支護點為分界線向掘進方向布置，每隔 30m布置一個觀測斷面（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)擴大和縮?。?。（2）測點布置方式及施工要求錨桿桁架系統(tǒng)支護的測試斷面測點布置圖如下圖所示。A 測點頂板測點E測點CD煤壁煤壁測

19、點底板B測點布置圖施工技術(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，并用快硬水泥把鋼筋固定在鉆孔，鋼筋要露出頂板 20mm。測點布置后，應(yīng)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(dāng)天進行第一次測量，以后根據(jù)測試斷面距采煤工作面的距離而定。當(dāng)測試斷面距采煤工作面 010m圍，每天觀測 1 次；1120m圍，兩天觀測 1 次；21 50m圍， 3 天觀測 1 次。測試容為 A 與 B、C與 D、A 與 E 及 B 與 E 之間的距