井巷侧压理论下角锚杆角锚索的推广研究.docx

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井巷侧压理论下角锚杆角锚索的推广研究

附件1

科技成果验收申请表

成果名称

井巷侧压理论下角锚杆（或锚索）的推广研究

研究起始时间

2012、3～2013、6

完成单位

云冈矿标准化办

申请验收单位

云冈矿

联系人

罗广

联系电话

7083647

申请时间

2013.10

任务来源

计划外

成果是否保密

否

内容简介

一、立项背景

根据集团对掘进巷道必须在肩角部位施工倾斜锚杆（索），不得以顶板角锚杆（索）代替，必须施工在肩角部位，角度（与水平夹角）控制在65-750，锚杆长度不小于1.8米，直径不小于18mm，锚索长度不小于4m，直径不小于15.24mm。

间距与护帮锚杆（索）间距相吻合，要成排成行。

结合云冈矿实际，通过对各生产盘区的掘进巷道的井巷侧压进行了理论上的研究分析后，对本矿掘进巷道的角锚杆（或锚索）及护帮网的推广进行了探索。

二、创新内容及创新点

通过对井巷围岩成拱作用、围岩应力分布、水平巷道侧压估算的研究分析，结合云冈矿井巷工程中各种准备、回采巷道的规格，估算出各井巷的侧压，进而确立适合本矿特点的角锚杆（或锚索）及护帮网的支护规范。

1、围岩成拱作用

巷道开挖后，围岩产生应力集中。

岩壁一定范围内的岩体将产生向内的变形移动并出现松动和冒落，故必须及时进行支护。

若不支护加以控制，任其变形、松动和垮落，最终将会看到巷道上方形成一个相对稳定的拱形空间，该空间称为“冒落拱”，其拱顶轮廓叫做“自然平衡拱”。

若设有支护，拱内岩石便不会冒落，但也要逐渐松动，对支护产生压力，故又称它为“压力拱”。

冒落拱的形成过程大致分成四个阶段。

第一阶段，巷道开挖后，顶板开始下沉，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；第二阶段，顶板裂纹不断增多和加大，中间部分裂纹发展加剧并逐渐张开，处于松动状态，可视为松动阶段；第三阶段，顶板岩石开始冒落，冒落范围不断向上发展，顶板的压力逐渐降低，作用到两帮上的压力逐渐加大，可视为冒落阶段；第四阶段，顶板冒落暂时停止，其界面为拱形，界面上的岩石处于平衡状态，压力完全转嫁到两帮岩石上，可视为成拱阶段。

2、围岩应力分布

1）、应力分布与巷道断面大小及形状的关系：

形状对应力分布的影响往往比断面大小的影响更大。

理论分析与应力实测的结果表明，圆形与椭圆形巷道围岩的应力集中程度最低；平直周边巷道的顶底板沿水平方向容易出现拉应力（最小主应力），由顶、底板向围岩深处，拉应力逐渐减小并转变为压应力，直至等于原岩应力。

矩形断面顶板拉应力最大，梯形断面可减小30%，而拱形、圆形或椭圆形断面可使拉应力更为减小，甚至为零。

平直周边巷道的两帮沿垂直方向的压应力最大（最大主应力），由两帮向围岩深部逐渐减小，直至等于原岩垂直应力。

在巷道两帮沿水平方向产生的压应力（最小主应力），从两帮向围岩深处由零逐渐增大至原岩侧向应力。

平直周边巷道的拐角处容易产生高剪应力，拐角曲率半径愈小，应力集中程度愈高，直角处的集中应力最大。

因此应尽量采用曲线形断面来提高围岩的稳定性。

常见巷道断面形状按其周边破坏的可能性大小，按顺序排列如图。

2）、应力分布与巷道断面的宽高比关系：

巷道的高宽比对围岩应力分布的影响很大（如下表）。

理论分析结果表明，在设计巷道断面时，应使水平轴尺寸（宽度）与垂直轴尺寸（高度）之比等于侧压力系数λ。

这样才能保证在围岩中出现均匀的环向压应力。

减小巷道宽高比，使之接近侧压力系数λ，可减小顶、底板的拉应力及两帮的压应力。

巷道宽高比变化时应力值大小的比较

位置

主应力

圆形巷道

巷道宽高比

椭圆形巷道

矩形巷道

1：

4

2：

3

3：

2

1：

5

1：

3

1：

1

3：

1

5：

1

顶板中点

σmax

0.00

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σmin

-0.25

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-0.42

-0.16

-0.23

-0.44

-0.64

-0.67

两帮中点

σmax

2.75

1.25

2.20

3.75

0.96

1.00

1.30

2.00

2.23

σmin

0.00

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3、水平巷道侧压估算

当巷道两帮围岩不稳定时，巷道出现侧压力。

σ1﹦γd×b1×tg2（450－φch/2）

σ2﹦γch（h0+h）×tg2（450－φch/2）

式中γd——顶板岩石容重，吨/米3；

γch——两帮岩石容重，吨/米3；

φch——两帮岩石的似内摩擦角，度；煤巷两帮煤壁似内摩擦角一般在160~400；

h——巷道高度，米；

b1——压力拱高度，米；b1=a1/f；a1=a+h×tg（450－φch/2）；其中：

a1为压力拱跨度之半；f为普氏系数；a为巷道宽的二分之一。

h0——换算高度，米；h0=γd/γch×b1

σ1——巷道侧帮上端单位面积侧压力，吨/米3；

σ2——巷道侧帮下端单位面积侧压力，吨/米3；

侧压合力Qch=1/2（σ1+σ2）h=1/2γchh（2h0+h）tg（450－φch/2）

根据上式，我矿某断面为矩形，掘进宽度4.2米，掘进高度为2.8米，顶板为粉细砂岩，容重2.5吨/米3，f=3；两帮是煤，容重1.3吨/米3，似内摩擦角为400，则可计算出其巷道侧帮上端与下端面单位面积侧压力为：

则：

压力拱跨度之半a1=a+h×tg（450－φch/2）

=2.1+2.8tg（450－400/2）

=3.41米

压力拱拱高b1=a1/f=3.41/3=1.14米

换算高度h0=γd/γch×b1=2.5/1.3×1.14=2.19米

巷道侧压合力Qch=1/2γchh（2h0+h）tg（450－φch/2）

=1/2×1.3×2.8（2×2.19+2.8）tg（450－400/2）

=2.84吨/米

通过上述计算，可知在所有井巷工程的准备、回采巷道掘进中，根据巷道宽度与高度的不同，都可估算出该巷道的侧压力，为了掘进的安全，采取角锚杆（或锚索）护帮是十分必要的。

4、根据上述理论估算值及结合本矿实际，对角锚杆（索）作如下规范

1）、井下所有掘进巷道的巷帮全部实行挂网支护，即所有在薄煤层、中厚煤层、厚煤层中的掘进巷道。

2）、角锚杆施工方法：

施工位置在顶板肩角下12厘米的巷帮上，以角度（与水平夹角）65-750斜向上伸入到煤柱内（即角锚杆既是角锚杆，又是护帮顶锚杆），顶锚杆托板使用短节钢带且统一横放；角锚杆排距与顶板锚杆排距相同。

3）、护网规定：

a、煤厚小于1.5米，巷掘高在2.6米时，使用1.5米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排两根，间距1.3米;护帮底锚杆排距1.2米，护帮底锚杆的短节钢带布置要成排成行；b、煤厚1.5米以上，巷掘高在2.6米时，使用1.7米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排两根，间距1.4米;护帮底锚杆的短节钢带布置要成排成行；c、煤厚2.0米以上，巷掘高在2.8、3.0米时，使用2.0米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排三根，间距0.9米;护帮中、底部锚杆排距1.2米，护帮中、底部锚杆的短节钢带布置要成排成行；d、煤厚2.0米以上，巷掘高在3.0米以上时，使用2.2米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排三根，间距1.0米;护帮中、底部锚杆排距1.2米，护帮中、底部锚杆的短节钢带布置要成排成行；e、顶、帮网的连接要铺平、铺展，紧贴顶、帮，满足网支护质量的基础设施标准。

4）、角锚索的使用规定：

a、在过断层、破碎带、巷帮炸帮严重等地质构造带时，角锚杆支护对巷帮维护作用降低，采用角锚索，需挂顶网及护帮网的地方，在顶、帮网连接的巷道肩角处，帮网、顶网不得搭接，必须铺设整体网；b、角锚索在顶板肩角下12厘米的巷帮上，以角度（与水平夹角）65-750斜向上伸入到煤柱内，角锚索托板使用长、宽均为250mm，厚10mm的钢托板。

5）、护帮锚杆使用圆钢，直径18mm，长度1.7米；护帮锚索直径17.8mm，长度4米；护帮托板使用短节钢带，宽25cm，长450mm，厚度4mm。

三、经济及社会效益

1、经济效益：

1）、全矿每年掘进总进尺约30000米，如果把角锚杆与护帮顶锚杆合二为一，每米巷道可节省两套锚杆，每套锚杆按80元计算，每年则可节省成本：

30000*80*2=480万元。

2）、由于使用角锚杆（或锚索），全矿每年约20000米巷道可实现“三同时”，而不用重新维护，这样，每米巷道又可节约50元的成本，每年节省成本为：

20000*50=100万元。

2、社会效益：

1）、由于角锚杆（或锚索）及护帮网的联合使用，对于巷道过地质构造及安全掘进，提供了安全保障机制。

2）、角锚杆（或锚索）的使用，对于巷道设计的“三同时”原则的实现及巷道维护，可节省大量的人力物力。

四、总体性能及存在问题

通过巷道侧压理论的估算后角锚杆（或锚索）及护帮网的联合应用，在施工上对于巷道的掘进大大提高了安全性，同时在顶板破碎、过断、过特殊构造区时，有效地保证了巷道的成形和规格。

但在角锚杆（或锚索）的实施过程中，打眼过程中角度的把控及钻眼必须穿越煤层与岩层的过程中，带来一定的不便，延时和费工，生产效率受到一定的制约。

五、推广应用前景

1、通过井巷侧压的计算，可比较准确得出巷道侧压的大小，进而确定角锚杆（或锚索）及护帮网较为经济的支护方式。

2、通过角锚杆（或锚索）及护帮网的联合应用，对于控制掘进巷道的变形，保障巷道的稳定性。

3、提升掘进过程的安全，消除巷道炸帮隐患，防止掘进过程对施工人员的伤害，进而大大提高矿井的综合效能。

申请验收单位意见

领导签字：

单位盖章

组织验收单位初审意见

盖章

井巷侧压理论下角锚杆（或锚索）的推广研究

一、立项背景

根据集团对掘进巷道必须在肩角部位施工倾斜锚杆（索），不得以顶板角锚杆（索）代替，必须施工在肩角部位，角度（与水平夹角）控制在65-750，锚杆长度不小于1.8米，直径不小于18mm，锚索长度不小于4m，直径不小于15.24mm。

间距与护帮锚杆（索）间距相吻合，要成排成行。

结合云冈矿实际，通过对各生产盘区的掘进巷道的井巷侧压进行了理论上的研究分析后，对本矿掘进巷道的角锚杆（或锚索）及护帮网的推广进行了探索。

二、创新内容及创新点

通过对井巷围岩成拱作用、围岩应力分布、水平巷道侧压估算的研究分析，结合云冈矿井巷工程中各种准备、回采巷道的规格，估算出各井巷的侧压，进而确立适合本矿特点的角锚杆（或锚索）及护帮网的支护规范。

1、围岩成拱作用

巷道开挖后，围岩产生应力集中。

岩壁一定范围内的岩体将产生向内的变形移动并出现松动和冒落，故必须及时进行支护。

若不支护加以控制，任其变形、松动和垮落，最终将会看到巷道上方形成一个相对稳定的拱形空间，该空间称为“冒落拱”，其拱顶轮廓叫做“自然平衡拱”。

若设有支护，拱内岩石便不会冒落，但也要逐渐松动，对支护产生压力，故又称它为“压力拱”。

冒落拱的形成过程大致分成四个阶段。

第一阶段，巷道开挖后，顶板开始下沉，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；第二阶段，顶板裂纹不断增多和加大，中间部分裂纹发展加剧并逐渐张开，处于松动状态，可视为松动阶段；第三阶段，顶板岩石开始冒落，冒落范围不断向上发展，顶板的压力逐渐降低，作用到两帮上的压力逐渐加大，可视为冒落阶段；第四阶段，顶板冒落暂时停止，其界面为拱形，界面上的岩石处于平衡状态，压力完全转嫁到两帮岩石上，可视为成拱阶段。

2、围岩应力分布

1）、应力分布与巷道断面大小及形状的关系：

形状对应力分布的影响往往比断面大小的影响更大。

理论分析与应力实测的结果表明，圆形与椭圆形巷道围岩的应力集中程度最低；平直周边巷道的顶底板沿水平方向容易出现拉应力（最小主应力），由顶、底板向围岩深处，拉应力逐渐减小并转变为压应力，直至等于原岩应力。

矩形断面顶板拉应力最大，梯形断面可减小30%，而拱形、圆形或椭圆形断面可使拉应力更为减小，甚至为零。

平直周边巷道的两帮沿垂直方向的压应力最大（最大主应力），由两帮向围岩深部逐渐减小，直至等于原岩垂直应力。

在巷道两帮沿水平方向产生的压应力（最小主应力），从两帮向围岩深处由零逐渐增大至原岩侧向应力。

平直周边巷道的拐角处容易产生高剪应力，拐角曲率半径愈小，应力集中程度愈高，直角处的集中应力最大。

因此应尽量采用曲线形断面来提高围岩的稳定性。

常见巷道断面形状按其周边破坏的可能性大小，按顺序排列如图。

巷道周边破坏可能性比较

1—椭圆形；2—圆形；3—曲墙拱；4—直墙拱；5—梯形；6—矩形

2）、应力分布与巷道断面的宽高比关系：

巷道的高宽比对围岩应力分布的影响很大（如下表）。

理论分析结果表明，在设计巷道断面时，应使水平轴尺寸（宽度）与垂直轴尺寸（高度）之比等于侧压力系数λ。

这样才能保证在围岩中出现均匀的环向压应力。

减小巷道宽高比，使之接近侧压力系数λ，可减小顶、底板的拉应力及两帮的压应力。

巷道宽高比变化时应力值大小的比较

位置

主应力

圆形巷道

巷道宽高比

椭圆形巷道

矩形巷道

1：

4

2：

3

3：

2

1：

5

1：

3

1：

1

3：

1

5：

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顶板中点

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σmin

-0.25

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-0.42

-0.16

-0.23

-0.44

-0.64

-0.67

两帮中点

σmax

2.75

1.25

2.20

3.75

0.96

1.00

1.30

2.00

2.23

σmin

0.00

0.00

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0.00

0.00

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3、水平巷道侧压估算

当巷道两帮围岩不稳定时，巷道出现侧压力。

σ1﹦γd×b1×tg2（450－φch/2）

σ2﹦γch（h0+h）×tg2（450－φch/2）

式中γd——顶板岩石容重，吨/米3；

γch——两帮岩石容重，吨/米3；

φch——两帮岩石的似内摩擦角，度；煤巷两帮煤壁似内摩擦角一般在160~400；

h——巷道高度，米；

b1——压力拱高度，米；b1=a1/f；a1=a+h×tg（450－φch/2）；其中：

a1为压力拱跨度之半；f为普氏系数；a为巷道宽的二分之一。

h0——换算高度，米；h0=γd/γch×b1

σ1——巷道侧帮上端单位面积侧压力，吨/米3；

σ2——巷道侧帮下端单位面积侧压力，吨/米3；

侧压合力Qch=1/2（σ1+σ2）h=1/2γchh（2h0+h）tg（450－φch/2）

根据上式，我矿某断面为矩形，掘进宽度4.2米，掘进高度为2.8米，顶板为粉细砂岩，容重2.5吨/米3，f=3；两帮是煤，容重1.3吨/米3，似内摩擦角为400，则可计算出其巷道侧帮上端与下端面单位面积侧压力为：

则：

压力拱跨度之半a1=a+h×tg（450－φch/2）

=2.1+2.8tg（450－400/2）

=3.41米

压力拱拱高b1=a1/f=3.41/3=1.14米

换算高度h0=γd/γch×b1=2.5/1.3×1.14=2.19米

巷道侧压合力Qch=1/2γchh（2h0+h）tg（450－φch/2）

=1/2×1.3×2.8（2×2.19+2.8）tg（450－400/2）

=2.84吨/米

通过上述计算，可知在所有井巷工程的准备、回采巷道掘进中，根据巷道宽度与高度的不同，都可估算出该巷道的侧压力，为了掘进的安全，采取角锚杆（或锚索）护帮是十分必要的。

4、根据上述理论估算值及结合本矿实际，对角锚杆（索）作如下规范

1）、井下所有掘进巷道的巷帮全部实行挂网支护，即所有在薄煤层、中厚煤层、厚煤层中的掘进巷道。

2）、角锚杆施工方法：

施工位置在顶板肩角下12厘米的巷帮上，以角度（与水平夹角）65-750斜向上伸入到煤柱内（即角锚杆既是角锚杆，又是护帮顶锚杆），顶锚杆托板使用短节钢带且统一横放；角锚杆排距与顶板锚杆排距相同。

3）、护网规定：

a、煤厚小于1.5米，巷掘高在2.6米时，使用1.5米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排两根，间距1.3米;护帮底锚杆排距1.2米，护帮底锚杆的短节钢带布置要成排成行；b、煤厚1.5米以上，巷掘高在2.6米时，使用1.7米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排两根，间距1.4米;护帮底锚杆的短节钢带布置要成排成行；c、煤厚2.0米以上，巷掘高在2.8、3.0米时，使用2.0米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排三根，间距0.9米;护帮中、底部锚杆排距1.2米，护帮中、底部锚杆的短节钢带布置要成排成行；d、煤厚2.0米以上，巷掘高在3.0米以上时，使用2.2米宽的金属菱形网护帮，护帮锚杆一排三根，间距1.0米;护帮中、底部锚杆排距1.2米，护帮中、底部锚杆的短节钢带布置要成排成行；e、顶、帮网的连接要铺平、铺展，紧贴顶、帮，满足网支护质量的基础设施标准。

4）、角锚索的使用规定：

a、在过断层、破碎带、巷帮炸帮严重等地质构造带时，角锚杆支护对巷帮维护作用降低，采用角锚索，需挂顶网及护帮网的地方，在顶、帮网连接的巷道肩角处，帮网、顶网不得搭接，必须铺设整体网；b、角锚索在顶板肩角下12厘米的巷帮上，以角度（与水平夹角）65-750斜向上伸入到煤柱内，角锚索托板使用长、宽均为250mm，厚10mm的钢托板。

5）、护帮锚杆使用圆钢，直径18mm，长度1.7米；护帮锚索直径17.8mm，长度4米；护帮托板使用短节钢带，宽25cm，长450mm，厚度4mm。

三、经济及社会效益

1、经济效益：

1）、全矿每年掘进总进尺约30000米，如果把角锚杆与护帮顶锚杆合二为一，每米巷道可节省两套锚杆，每套锚杆按80元计算，每年则可节省成本：

30000*80*2=480万元。

2）、由于使用角锚杆（或锚索），全矿每年约20000米巷道可实现“三同时”，而不用重新维护，这样，每米巷道又可节约50元的成本，每年节省成本为：

20000*50=100万元。

2、社会效益：

1）、由于角锚杆（或锚索）及护帮网的联合使用，对于巷道过地质构造及安全掘进，提供了安全保障机制。

2）、角锚杆（或锚索）的使用，对于巷道设计的“三同时”原则的实现及巷道维护，可节省大量的人力物力。

四、总体性能及存在问题

通过巷道侧压理论的估算后角锚杆（或锚索）及护帮网的联合应用，在施工上对于巷道的掘进大大提高了安全性，同时在顶板破碎、过断、过特殊构造区时，有效地保证了巷道的成形和规格。

但在角锚杆（或锚索）的实施过程中，打眼过程中角度的把控及钻眼必须穿越煤层与岩层的过程中，带来一定的不便，延时和费工，生产效率受到一定的制约。

五、推广应用前景

1、通过井巷侧压的计算，可比较准确得出巷道侧压的大小，进而确定角锚杆（或锚索）及护帮网较为经济的支护方式。

2、通过角锚杆（或锚索）及护帮网的联合应用，对于控制掘进巷道的变形，保障巷道的稳定性。

3、提升掘进过程的安全，消除巷道炸帮隐患，防止掘进过程对施工人员的伤害，进而大大提高矿井的综合效能。

井巷侧压理论下角锚杆（或锚索）的推广研究

经济社会证明

1、经济效益：

1）、全矿每年掘进总进尺约30000米，如果把角锚杆与护帮顶锚杆合二为一，每米巷道可节省两套锚杆，每套锚杆按80元计算，每年则可节省成本：

30000*80*2=480万元。

2）、由于使用角锚杆（或锚索），全矿每年约20000米巷道可实现“三同时”，而不用重新维护，这样，每米巷道又可节约50元的成本，每年节省成本为：

20000*50=100万元。

2、社会效益：

1）、由于角锚杆（或锚索）及护帮网的联合使用，对于巷道过地质构造及安全掘进，提供了安全保障机制。

2）、角锚杆（或锚索）的使用，对于巷道设计的“三同时”原则的实现及巷道维护，可节省大量的人力物力。