桁架支护施工方案石圪台煤矿.docx
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桁架支护施工方案石圪台煤矿
鄂尔多斯市乌兰煤炭集团公司石圪台煤矿
131201回风顺槽绕道支护方案
石圪台煤矿
捷马（）矿山支护设备制造
2008年08月05日
1概述
乌兰集团石圪台煤矿131201采煤工作面位于3-1-2煤层中部，为3-1-2煤层首采面，采长150米，走向长858米。
131201工作面回风顺槽绕道沿3-1-2煤层中部掘进，顺槽绕道顶板留设1m厚的顶煤。
顺槽绕道埋藏深度为50～70米。
其与原掘进的131201采煤工作面回风顺槽之间留设15米的煤柱。
3-1-2煤层顶板为3.6米的砂质泥岩，遇水易膨胀软化，其上为3-1-1煤层房柱式开采采空区。
为避免131201工作面回风顺槽绕道在工作面回采时发生破坏，现对其支护方式进行重新设计。
2近距离煤层采空区下顺槽锚杆桁架系统支护可行性分析
锚杆桁架系统支护作用机理分析
锚杆桁架系统是一种控制巷道顶板、巷道两肩和侧帮变形的联动结构，该组合式桁架系统不仅可以改变巷道围岩的受力状态，而且还可以有效的限制巷道顶板的变形，并将顶板的变形延伸到巷道两侧。
锚杆桁架系统的力的作用示意图如图1所示。
同时，锚杆桁架结构对控制垂直节理的作用非常明显。
图1锚杆桁架系统力的作用示意图
锚杆桁架系统支护是一种理想的支护手段，其不仅是贴顶支护，而且可以施加较大的预应力，实现主动支护。
因此锚杆桁架系统是支护近距离煤层采空区下顺槽的有效手段，具有良好的支护效果。
煤层顺槽锚杆桁架系统支护的可行性
研究表明：
预应力锚杆可有效提高围岩的残余强度，充分发挥围岩自身的承载能力。
锚杆与其锚固围的锚固体构成一种锚固支护体，在锚杆的约束与抗剪作用下，使塑性破坏后易于松动的煤岩体形成具有一定承载能力并可适应围岩变形的锚杆平衡拱，从而提高顶板的整体性，防止顶板松散冒落。
从巷道纵向看，锚杆支护形成的锚固平衡拱是掘进迎头空顶上方顶板自稳的基础。
因此，使用锚杆支护可以有效地阻止顶板松散冒落。
巷道支护关键是顶板，只要锚杆能保持顶板的稳定，护帮并不难。
通过对锚杆支护后围岩稳定性分析研究，认为试验巷道采用锚杆支护是完全必要的。
但是，考虑到顶板为典型的复合顶板，且中间为煤层，同时上方为采空区的特殊条件，采用长锚索或增加锚杆长度的方法是不可行的，而锚杆桁架系统很好地解决了以上问题。
根据现场的实际考察，认为锚杆桁架系统支护试验是十分必要的，通过试验研究以期确定理想的锚杆联合支护形式和科学的锚杆桁架系统支护参数。
3巷道围岩应力分析与支护设计
3.1顶板岩层安全评价系数
莫尔库伦安全系数
为了确定巷道顶板锚杆长度，莫尔库伦安全系数法是确定巷道围岩破坏围的常用方法，莫尔库伦安全系数评价公式：
式中：
K——与最大主应力有关的摩擦角；
——最小主应力；
C——摩擦系数。
3.2计算模型与计算参数
为了分析描述回风顺槽绕道的受力状态，如最大主应力、最小主应力和剪应力等受力指标，构建了2-D有限元分析模型。
计算巷道宽度：
3.4m
计算巷道高度：
2.4m
计算深度：
巷道埋藏深度按70m计算。
图2为2-D有限元分析模型。
图2有限元计算模型
3.3围岩应力分析
最大、最小主应力分布:
图3、4为有限元计算所得巷道围岩应力分布图，图3为最大主应力分布图，图4为最小主应力分布图。
图3最大主应力分布图
图4最小主应力分布图
莫尔库伦安全系数分布：
基于最大主应力和最小主应力计算结果，计算了莫尔库伦安全系数，图5是巷道周围莫尔库伦安全系数分布图。
从本图可以看出，直接位于煤层上方的0.6m的砂质泥岩安全系数小于1.0。
图5巷道周围安全系数分布
锚杆长度确定：
从上述安全系数分布结果看，最小的锚杆长度应该锚固在煤层上方0.6m以上的砂质泥岩中，根据此限制，考虑到一定的安全系数，顶板锚杆长度选择为2.2m。
3.4锚杆形式与支护参数
3.4.1锚杆类型与支护结构的确定
由于3－1－1煤层已经采用房柱式开采采空，留下了煤柱的应力集中区，顶板控制的关键是：
（1）组合梁：
根据组合梁理论，采用高强度高预应力锚杆，将3－1－2的顶煤、伪顶和煤线及砂质泥岩组成一个完整的组合梁。
以提高该组合岩层的自承载能力。
（2）悬吊：
由于上部采空区的限制，采用长锚杆和锚索悬吊在此特殊地质条件下是不可能的。
因此，为悬吊和限制锚杆加固围的组合梁，采用锚杆桁架系统是较好的选择。
最终支护方案：
锚杆桁架系统＋高强预应力锚杆。
图6为选定的顶板支护方案。
图6顶板锚杆桁架系统支护方案
3.4.2锚杆安装应力的确定
锚杆支护一种主动支护方式，适宜的安装应力是发挥锚杆支护效能的关键。
有效的锚杆安装应力应该取得下述支护效果：
①顶板岩层中无离层发生；
②顶板岩层中的拉应力区和拉应力值应该尽量小
为了设计科学有效的安装应力，本设计进行了有限元分析。
图7所示为安装应力计算有限元模型。
此模型中包括2根垂直锚杆和1套桁架系统。
垂直锚杆长2.2m。
桁架倾斜锚杆长2.4m。
倾角45度。
模型计算所选取的锚杆排距为1.0m。
为了获得最佳的安装应力值，通过改变锚杆和桁架系统的安装应力，进行支护设计参数的优化计算。
共计运行了10个模型，下面是部分运行结果：
图7安装载荷有限元计算模型
（1）3吨安装应力
图8是在3吨安装应力下的顶板变形和应力分布。
在此安装应力下，无顶板离层发生。
在巷道上方约1.0m的围存在一个拉应力区。
所以此安装应力不能保证形成理想的组合梁，为了提高组合梁的承载效果，减小拉应力区围，锚杆安装应力需要进一步提高。
图8围岩应力分布与围岩变形计算结果（3吨安装应力）
（2）4吨安装应力
图9是在4吨安装应力下的顶板变形和应力分布。
在此应力下，无顶板离层发生。
拉应力区基本消除，组合梁效果基本达到。
因此，锚杆安装应力选定为4吨以上。
图9围岩应力分布与围岩变形（4吨安装应力）
3.4.3锚杆直径的确定
依据锚杆安装应力计算结果，锚杆的安装应力不应大于锚杆抗拉强度的50%。
因此锚杆的最小承载能力应为12吨。
（1）静载荷计算：
所选定的顶板支护系统至少应该满足顶板垂直静载荷的需要。
经计算最小静载荷为6吨，考虑1.5的安全系数，锚杆的最小承载能力为9吨。
（2）要求锚杆安装应力不小于锚杆抗拉强度的50%，所以锚杆的最小抗拉强度应该12吨。
根据上述计算结果，垂直锚杆直径选用18mm，倾斜锚杆直径选用20mm。
设计中所选用的高强度阻尼螺纹钢锚杆的力学性能为：
18mm－屈服强度大于13吨，抗拉强度大于16吨。
20mm－屈服强度大于16吨，抗拉强度大于20吨。
3.5结论
基于石圪台煤矿现有的地质采矿条件，通过顶板控制分析和有限元模型计算，有限元模型计算进行了围岩应力分析、安装应力确定和支护方案的选择，通过上述综合分析与计算，得出如下结论：
（1）锚杆长度：
顶板垂直锚杆采用长度为2.2米的高强度阻尼螺纹钢锚杆，倾斜锚杆长度为2.4米。
安装载荷：
安装载荷对顶板的综合承载能力起着重要的作用，经过多个模型的优化计算，确定安装载荷应不小于4吨。
（2）桁架系统：
为了确保3－1－2煤层及顶板的稳定性，选用锚杆桁架系统。
（3）锚杆直径：
顶板锚杆直径为18mm,倾斜锚杆直径为20mm。
（4）间排距：
模型计算中排距是按1.0m计算的，并考虑了必要的安全系数。
在产品试用期建议排距为0.9m
最终的支护设计方案如图6所示。
图10锚杆桁架系统结构示意图
3.6材料消耗表
表1每米巷道材料消耗表
编号
名称
规格
配置
单位
数量
单价
（元）
备注
1
高强扭矩应力锚杆
ф20－2400mm
阻尼螺母、“治”垫圈、高强150×150×8mm托盘
套
2.2
用于倾斜锚杆
2
高强扭矩应力锚杆
Ф18－2200mm
阻尼螺母、平垫圈、高强150×150×8mm托盘
套
2.2
用于垂直锚杆
3
桁架托盘
150×250mm
个
2.2
4
桁架角
个
2.2
5
U型卡
个
2.2
6
球形垫圈
个
2.2
7
水平锚索
ф15.24－2400mm
等级：
1860
条
1.1
8
锚索索具
ф15.24
套
2.2
9
树脂
K2335
支
8.8
合计
每米巷道支护费用为元
此外，为配合锚杆和桁架系统的安装，应备有锚杆搅拌器、T型扳手、扭矩放大器、锚索拉器等施工机具。
4井下工业性试验及矿压观测
4.1试验巷道概况
本次试验施工巷道为3－1－2煤层的131201工作面回风顺槽绕道。
巷道顶板从下往上依次为1m的3－1－2煤层、0.3m的伪顶、0.1m的煤线、3.6m的砂质泥岩、3－1－1煤层房柱式开采采空区，巷道底板为砂质泥岩。
巷道埋藏深度大致为60m，巷道为矩形。
试验巷道锚杆桁架系统的排距定为0.9m。
4.2锚杆施工工艺
为了充分发挥每根锚杆的作用，正确的安装锚杆对于有效地控制顶板，减少锚杆用量，提高掘进速度都是至关重要的，因此必须重视锚杆的安装。
合格的锚杆安装后应具有足够的安装载荷，最大的拉拔力以及合理的锚杆外露长度。
为此根据安装质量要求编写了锚杆的安装说明书。
锚杆安装过程如下：
（1）钻孔
①钻孔直径：
根据设计支护需要的锚杆的实际情况而定。
一般钻孔直径为28mm。
②钻孔深度：
钻孔深度需大于锚杆有效长度30～50mm。
锚杆的有效长度是指从安装锚杆托盘的侧表面到锚杆的端部的距离。
一般的讲，钻孔深度与安装锚杆的长度一致即可。
③钻孔角度：
按照设计要求的角度进行施工。
④钎杆标记：
为了准确钻孔深度，需在钎杆上做钻孔深度标记，用卷尺从钻头开始向下做一与锚杆长度一致的标记。
⑤钻孔施工：
用锚杆钻机按钻孔深度和角度要求严格施工。
⑥钻孔冲洗：
钻孔施工至孔底后，上下移动钻杆，对钻孔进行冲洗。
（2）扭矩应力锚杆安装
①锚杆组装：
将锚杆减阻垫圈和锚杆托盘按先后顺序穿入锚杆。
对于桁架系统的倾斜锚杆需要先穿球形垫圈，再穿桁架角、最后穿桁架托盘。
②装树脂：
将树脂用锚杆推入钻孔，推入树脂时要用力均匀，尽可能不要把树脂穿破。
③钻机推树脂：
然后将锚杆接入钻机，用钻机将锚固剂推至钻孔深处，直到顶不动为止。
④搅拌锚固剂：
启动钻机（旋转）搅拌锚固剂，同时钻机推力也要调至最大，搅拌时间根据锚固剂的型号而定，一般的快速锚固剂搅拌10～20秒即可。
⑤托盘与顶板间隙：
锚固剂搅拌结束时，要确保锚杆托盘与顶板之间有10～15mm的间隙。
⑥打开阻尼：
搅拌锚固剂后，需停顿40～60秒（适用快速树脂锚固剂），启动锚杆钻机（钻机只旋转不推进）打开螺母阻尼，并用锚机将螺母拧紧。
⑦提高安装应力：
钻机拧紧螺母后卸下钻机，再用手动扳手或者扭矩放大器，给锚杆施加符合设计要求的安装扭矩或安装应力。
锚杆安装可以总结为：
一推（推树脂入孔到规定位置），二转（旋转搅拌树脂），三等（等树脂充分凝固），四紧（紧固螺母）
在安装过程中要严格按安装步骤。
否则会出现“长尾锚杆”或打不开阻尼现象。
这会大大影响锚杆支护效果甚至失效。
4.3锚杆桁架系统施工工艺
锚杆桁架系统安装说明
锚杆桁架系统示意图
（1）倾斜锚杆与垂直锚杆的安装步骤同上。
（2）水平锚索安装
将U型卡一端挂在桁架角上，再将钢绞线的一端穿入U型卡中的锚索索具。
以相同的方式安装另一端的U型卡和锚索。
水平钢绞线长度必需大于两端U型卡的两索具直线距离200mm，确保两端的锚索外露150mm。
锚索穿入U型卡中的索具后，用锚索拉器拉紧锚索，并达到所需的八吨拉力。
在底板组装方法：
将两个U型卡分别放置在巷道底板上，将钢绞线穿入安装在U型卡上索具中，然后在将U型卡挂在桁架角上，用锚索拉器紧锚索，并达到所需的拉力。
（3）中间锚杆安装
如果有顶板钢带，中间锚杆的安装需要跟两端的倾斜锚杆配套安装，然后再安装水平锚索。
（4）注意事项
①确保两端的锚索索具位于U型卡的中间；
②水平锚索必需达到设计的拉力；
③锚杆安装时必需用扭矩扳手将锚杆螺母拧紧至所要求的扭矩；
④在拉锚索时，手或手指不能靠近锚索拉器的伸缩头附加。
4.4特殊条件下加强支护措施
巷道施工过程中，局部地区受地质构造影响，煤体松软，顶板下沉量较大，或在巷道的交岔点部分，根据顶板情况，应适当补打锚索或架棚进行加强支护，保证施工安全。
4.5矿压观测结果与分析
为全面检查131201采煤工作面回风顺槽绕道锚杆桁架系统支护的支护工作状态，监控巷道所受到的采动影响，掌握围岩的变形规律，以确定巷道的稳定程度，以便及时采取措施。
通过监测来验证设计的正确性，检验支护质量，同时为修改设计提供科学依据。
本次监测的主要容包括：
岩体表面位移监测、顶板离层监测、锚杆受力监测及锚杆锚固力检测四个方面。
4.5.1岩体表面位移监测
（1）断面位置及间距
断面位置为以采用锚杆桁架系统支护点为分界线向掘进方向布置，每隔30m布置一个观测断面（为监测断层附近或特殊围岩条件的巷道变形，断面间距可以适当扩大和缩小）。
（2）测点布置方式及施工要求
锚杆桁架系统支护的测试断面测点布置图如下图所示。
测点布置图
施工技术要求：
①要保证A、B测点的连线与底板垂直，C、D的连线与底板平行。
②为准确定位测点位置，需在各测点所在位置的煤岩体打一个深0.5m，直径为29mm的钻孔，然后在钻孔中央放置一段长0.55m，直径为20mm的螺纹钢，并用快硬水泥把钢筋固定在钻孔，钢筋要露出顶板20mm。
③测点布置后，应注意保护断面，防止测点被破坏。
（3）测试时间安排及测试要求
测试断面布置的当天进行第一次测量，以后根据测试断面距采煤工作面的距离而定。
当测试断面距采煤工作面0～10m围，每天观测1次；11～20m围，两天观测1次；21～50m围，3天观测1次。
测试容为A与B、C与D、A与E及B与E之间的距离，各测点的位置以外露钢筋的顶端平面为基准，测量要认真，读数要准确，并做好记录（各测试断面的记录表见附表）。
本测试采用的测量仪器为测杆。
在测试过程中发现异常情况时，应及时向带队人员反映，并通知有关技术管理人员，等问题解决后再进行作业。
4.5.2顶板离层监测（窥视仪）
为检验锚杆桁架系统支护的支护效果，监测在不同支护方式下的顶板离层情况，采用钻孔窥视仪进行观测，其可以直接观察8m深钻孔的岩层结构、层理、各类弱面和离层情况。
在巷道中线附近，沿与顶板垂直的方向打一个直径为28mm，长度为8m的钻孔。
钻孔打完后要用清水冲洗20秒，钻孔要平直，以利于观测，钻孔打完后30分钟进行观测。
以后根据具体情况，对其进行观测，尤其要观测受采动影响的情况下，顶板的离层情况。
4.5.3锚杆受力监测
为掌握锚杆预应力的大小，判断施工质量，进一步根据锚杆的工作状态判断其参数是否合理，锚杆是否发生断裂、屈服等，需进行锚杆受力测试。
本测试采用托板压力盒进行。
使用时，首先将压力盒套在锚杆托盘和外锚杆头的螺母之间，然后紧固螺母，对锚杆施加预应力，记录下压力盒指示的初始值，此后，每3天量测一次，在采煤工作面推进至距顶板压力盒位置20m的围后，每天量测一次。
4.5.4锚杆锚固力检测
考虑到巷道顶板线至上方采空区的距离为4.6m的特殊条件，必须对锚杆的锚固力进行重点检测。
只有锚固力能达到设计要求的条件下，才可以采用锚杆桁架系统支护，锚杆的预应力才可以实现。
为此，在施工前和施工过程中需进行锚杆拉拔试验。
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