4205巷支护设计新11Word文件下载.docx
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井下相对位置对掘进巷道的影响
工作面有淋水（对应上部为2#层采空区的积水），影响不大，与3#层间距5-6米
邻近采掘情况对掘进巷道的影响
邻近巷道对本面掘进无影响
（2）煤岩层赋存特征
煤（岩）层赋存特征见表2-2、表2-3。
表2-2煤层特征表
项目
单位
指标
备注
煤层厚度（最小—最大/平均）
米
4.2-7.8
煤层倾角（最小—最大/平均）
度
1°
—3°
煤层硬度
F
4
煤层层理
发育程度
局部
煤层节理
自燃发火期
月
12—24
绝对瓦斯涌出量
m3/min
1.38
煤尘爆炸指数
%
36.2-41.9
表2-3煤层顶底板情况表
顶、底板名称
岩石名称
厚度（米）
岩性特征
顶板
伪顶
3#层直接顶
炭质泥岩、煤与泥岩互层
4.82
水平层理、硬度小
老顶
3#煤层无老顶
底板
直接底
含炭泥岩
0.97
灰黑色块状
老底
砂质泥岩
5
黑灰色-白灰色层理明显
附：
综合柱状图
3原支护系统分析
3.1目前3#煤层东Ⅳ盘区4205巷的支护方案
4205巷支护设计为：
锚杆、锚索、W型钢带、钢筋托梁、金属网、塑料网联合支护方式。
（1）顶板采用6排锚杆支护，锚杆长度为2.4米，间排距均为0.85米，两边锚杆距帮0.375米，采用加长锚固方式，每根锚杆采用两卷树脂药卷一支规格为K2335（0.3米），另一支规格为Z2360（0.6米），顶部锚杆扭距不低于150N·
m。
锚索排距1.6米，间距1.7米，锚索长度为6.5米，布置3排锚索，用一根长3.6米的W型钢带连接起来且挂金属网，金属网网格规格为5×
5厘米，金属网规格为（长×
宽）5×
2米。
顶板两肩部锚杆与顶板水平成75°
（2）巷道两帮支护：
两帮采用钢筋托梁组成一体加锚杆支护3排，间排距为0.85米。
距顶0.3米，距底1.2米，锚杆长度2.3米。
并铺设塑料网，顶帮网搭接不小于20cm，并扭结牢固。
两帮锚杆上段锚杆与帮水平80°
（3）顶部每两排锚杆布置3根锚索，锚索有效锚固长度1.2m，每根锚索采用Z2360（0.6米）树脂药卷两支。
每三根锚索用一根长3.6米的W型钢带连接起来。
3.2目前支护系统存在的问题
根据对小峪煤矿井下支护的情况考察，目前的支护体系主要存在如下问题：
（1）锚杆预应力低：
从现场观测，原支护系统中锚杆的预应力普遍偏低（保持能力差），锚杆主动支护的工作理念没得到很好的体现。
（2）支护系统无让均压性能：
锚杆、锚索无让压性能，不适应综放工作面动压影响，易出现锚索破断现象。
（3）锚杆、锚索变形不协调：
支护系统设计耦合性能差，没有起到锚杆—锚索系统共同支护顶板的作用。
（4）顶板支护强度偏大（锚索密度大）：
巷道顶板采用锚索与锚杆联合支护，对于实际的采深和受动压影响程度分析，目前支护系统的顶板支护强度偏高。
（5）巷道掘进速度慢：
由于巷道顶板锚杆与锚索的支护密度大，锚杆、锚索的结构不合理，巷道掘进速度慢，巷道支护效率低。
（6）支护系统本身强度不匹配（杆体、托盘等）。
4锚杆支护基本理念
根据3#煤层东Ⅳ盘区4205巷的地质采矿条件分析，4205巷在掘进过程中和长壁工作面回采期间将经受较大的应力和变形过程，尤其在地质构造区域，锚索与锚杆的受力将明显增加。
巷道支护设计时需要充分考虑巷道受动压和构造影响的特性。
作为回采巷道锚杆支护设计和产品开发必须考虑以下四个关键因素：
（1）锚杆支护系统的支护机理；
（2）巷道围岩应力变形的关系；
（3）支护系统工作特性与围岩应力、围岩变形关系的耦合；
（4）支护系统的让压性。
4.1锚杆支护理念
科学的锚杆支护设计，不是简单的在顶板安装锚杆，而应该使每一根安装的锚杆都发挥它的最大作用。
在理论界和科研界，有许多锚杆支护理论，不同的理论会给锚杆不同的支护机理，典型的支护理论有梁理论、弹塑性松动圈理论、楔体加固理论、拱理论、悬吊理论等。
在实际顶板控制实践中，锚杆的支护机理往往是几种理论综合作用的结果。
对于煤系地层来说，由于煤系地层是层状沉积岩层，组合梁是最适合的理论。
然而，无论哪种理论，与其它支护相比，锚杆支护的最基本点是在一定范围的围岩中，通过锚杆支护系统对围岩主动施加主动力，对围岩实现主动早期支护，以增加围岩的强度和自承载能力。
锚杆支护和其它支护的最大区别就是锚杆是主动和早期支护，而主动早期支护的源泉就是安装应力；
没有安装应力的锚杆支护，其作用只能是简单的悬吊，与一般棚子支护没有太大的差别。
锚杆支护系统在整个支护期间所受的力不仅仅包括安装应力，而且还包括围岩变形过程中所产生的附加应力。
所以，科学的锚杆支护系统设计，从支护原理讲必须考虑下列参数：
●安装应力—主动支护的源泉
●支护强度—满足安装应力和变形附加载荷的要求
●支护范围—松散破碎圈
4.2围岩—应力变形的关系
围岩既是被支护的对象，又是支护体的一部分（自承载），锚杆支护设计必须把围岩和锚杆系统作为一个整体考虑。
根据传统理论，围岩应力—变形特性曲线如图4.1所示。
图4.1围岩应力和变形特性曲线
从图4.1可以看出，在此条件下，从支护角度讲围岩应力和变形曲线可分为三个阶段：
A区（围岩弹性变形区）：
在此区域内,围岩基本处于弹性变形阶段,围岩保持完好,围岩变形小。
在此区域内增加支护强度不能明显改善围岩变形。
为了经济合理地进行巷道支护,支护体的工况点应设在低位（100t/m），相应的锚杆支护系统应该具有最小让压距离40mm。
B区（围岩弹塑性区）：
在此区域内,围岩基本处于弹塑性变形阶段,围岩基本保持稳定,弹塑性变形区没有超过锚杆的支护范围,锚杆系统仍然起到支护作用。
在此区域内,支护强度的微减将引起变形的剧烈增加。
C区（围岩破坏区）：
在此区域内，围岩破坏，支护系统承受破碎岩石的静载荷。
随着破坏区域的增加，载荷增加。
对于锚杆支护,如果锚杆系统的支护范围小于破坏范围，则锚杆系统受力将变为0，彻底失去其支护作用，锚杆支护系统将与围岩一起移动。
4.3耦合支护理念
耦合支护包括锚杆系统和围岩耦合、锚索系统和围岩耦合、锚杆间耦合及锚杆与锚索间的耦合。
锚杆系统和围岩耦合：
锚杆支护系统的支护强度和变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。
锚索系统和围岩耦合：
同样，锚索系统作为支护体的一部分，变形性能也必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。
锚杆间的耦合：
由于顶板和两帮在不同位置的锚杆所经受的位移和应力过程不同，所以不同的锚杆受力差别很大，这有可能造成受力大的锚杆首先破断，而把其本应承担的力传递到邻近的锚杆，造成锚杆依次顺序破断。
锚杆和锚索间的耦合：
锚杆和锚索间的变形耦合也非常重要。
从支护体本身来讲，锚杆和锚索具有如下区别：
●延伸率：
锚杆的延伸率远大于锚索的延伸率
●承载能力：
锚杆的承载能力远小于锚索的承载能力
●支护范围：
锚索长度一般来说大于锚杆长度。
如果在设计和使用过程中应用不当，这些差别会导致锚杆或锚索由于变形协调不好而破坏，尤其会出现锚索大量破断现象。
53#煤层东Ⅳ盘区4205巷支护方案设计
5.13#煤层东Ⅳ盘区4205巷支护设计的关键因素
根据4205巷的采矿与地质条件分析，其巷道支护的关键因素如下：
（1）支护系统的让压均压耦合性
一般情况下，综放工作面顺槽变形较大。
为了尽量保证支护系统适应围岩变形特性，每根锚杆都均匀受力，防止锚杆承受过度载荷而破断，锚杆必须具备变形让压和均压性能。
然而，这种变形让压必须是有“控制”的让压，让压性能对顶板支护效果影响很大，合理的让压性能应该做到锚杆在一定吨位上稳定让压，以保证每根锚杆受力均匀并防止锚杆破断，也就是先支护后让压。
让压距离的大小必须保证围岩稳定。
（2）锚杆、锚索的安装应力
锚杆、锚索的安装应力是巷道支护成功最关键的因素之一，支护系统必须有一定的安装应力以防止围岩的早期变形破坏。
安装应力是控制围岩早期变形的重要参数，安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，锚杆受力增加，甚至会造成巷道围岩产生大面积失控变形、支护系统失效、巷道变形严重。
煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁，为了使组合梁达到其最佳强度，应该设计合适的锚杆长度及锚杆系统的安装应力。
达到最佳组合梁的锚杆系统设计应满足下列条件；
①通过调整安装应力，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层，这需要选择合理的锚杆类型和安装应力；
②锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区；
③锚杆应能够锚固在稳定的岩层中；
④锚固系统应有足够的能力来控制顶板，并且在整个需要支护期间内不失效。
（3）合理支护强度
在厚煤层开采、大断面掘进的条件下，必须设计合理的支护强度。
（4）表面控制
由于受到地质构造的影响，部分围岩已变的比较破碎。
对于松软破碎的煤层巷道，作为支护系统的重要组成部分的表面控制对保证巷道的支护效果起着至关重要的作用，合理的表面控制措施要求护表构件不仅要有合理的刚度和护表面积，而且要求其抗弯性能要好。
表面支护的作用是保证巷道顶板不出现漏顶现象，避免因锚杆或锚索周围的煤岩体松散冒落而造成锚杆系统失效。
通过有效的表面控制措施来减少巷道的变形量，减少网兜。
（5）辅助支护
合理有效的辅助支护可以与锚杆支护系统形成一个整体，保障巷道支护的长期有效性和稳定性，适应地质和采矿条件的变化。
为适应综放工作面动压的影响，需增加辅助支护的强度来减少巷道的变形以满足生产需要，实现矿井安全生产。
5.23#煤层东Ⅳ盘区4205巷支护系统及支护参数的确定
5.2.1支护强度的确定
巷道开挖后围岩将发生变形甚至破坏，围岩的变形大小和破坏程度存在着一定的关系。
巷道支护的目的是为了在保证围岩不破坏的条件下控制部分的围岩的变形而允许有一定的变形产生，这样才能经济有效地设计支护系统和支护巷道围岩。
因此，为了设计锚杆支护系统，必须对围岩应力和变形特性曲线进行研究。
对于3#煤层东Ⅳ盘区4205巷，根据其所处位置的采矿地质条件，考虑到地质构造等因素的影响，采用有限元数值模拟方法得到围岩应力和变形特性曲线如图4.1所示。
锚杆支护系统应该适应围岩应力和变形的特性。
一方面锚杆支护系统应该保证围岩基本在弹性或弹塑性范围内，另一方面锚杆支护系统的变形特性必须适合围岩变形特性的要求。
根据围岩应力和变形特性曲线研究，针对3#煤层东Ⅳ盘区4205巷的具体条件，支护系统的工况点确定如下：
最小支护强度:
100t/m
巷道围岩位移:
40mm
锚杆系统的允许的最小变形40mm。
锚杆工况点应在弹性范围内。
根据以上工况点的要求，设计并制造出了高强高预应力锚杆，其具体参数如下：
锚杆材质要求：
钢材屈服强度：
>
500MPa
屈服载荷：
17t
最大抗拉载荷：
>
22t
锚杆几何参数和布置:
直径：
20mm
每排5根锚杆，排距1000mm
让压装置:
最大让压距离45mm
让压点:
12t
5.2.2锚杆长度的确定
支护系统成功的关键是锚杆支护参数设计要合理。
支护参数包括锚杆长度、锚杆安装应力等关键因素。
锚杆的长度确定：
根据围岩松散破碎圈分析，锚杆的长度选为2400mm，以保证锚杆锚固在稳定层位中。
5.2.3锚杆安装应力（预应力）设计
为了保证锚杆系统及时早期支护，设计合适的安装应力至关重要。
为科学设计锚杆安装应力，采用有限元数值方法进行分析。
基于数值计算结果可知：
4.0t的安装载荷达到了最佳组合梁的准则，所以锚杆安装应力最小应为4t。
根据有限元分析，提高安装应力可以减小或消除顶板中的拉应力区，可以消除顶板岩层的离层，从而取得最佳组合梁的效果。
3#煤层东Ⅳ盘区4205巷沿底掘进所需的最小锚杆安装应力为4t。
5.2.4锚杆让压设计
有两种途径可以实现锚杆让压功能：
一种是把杆体本身做成可变形结构，但变形参数难控制且成本太高；
另一种是保持杆体本身不变，利用让压均压环进行让压。
根据不同要求，让压均压环根据需要可以设计制造成不同特性。
让压均压环实物照片如图5.1所示。
让压均压环的基本设计参数如下：
（1）让压点：
让压点即让压均压环设计的起始让压载荷；
（2）让压载荷的稳定性：
一旦让压均压环开始让压，载荷需基本保持稳定，过大的载荷下降会导致顶板支护效果不佳；
（3）最大让压距离：
让压均压环从稳定让压开始到载荷开始增加的距离，其大小根据巷道变形地压的具体情况定。
图5.1让压均压环成品
根据小峪煤矿的条件，让压点设计为12t。
在一般情况下最大弹性让压距离不应小于30mm。
让压均压环必须稳定一致地达到设计标准。
为了保证让压均压环的参数符合设计参数要求，根据设计参数，选用一定的材料对让压均压环的外形尺寸进行了设计，并生产出样品。
在捷马实验室中对进行了数以百计的实验。
实验后的样品如图5.2所示，图5.3是单个典型的带让压环锚杆测试曲线。
图5.2实验后的让压均压环
图5.3典型让压均压锚杆实验曲线
5.2.5表面控制及其辅助支护措施
（1）表面控制
由于3#煤层东Ⅳ盘区4205巷将受到综放工作面超前支承压力的影响，部分区域还受到构造影响，因此，巷道的表面控制对于整个支护系统至关重要。
合理的表面控制措施应能够将锚杆系统组合到一起，以起到共同支护围岩的作用。
合理的护表构件应该满足以下要求：
①护表面积大，护表作用强，有利于锚杆安装应力扩散和锚杆作用范围扩大；
②要有合理的强度；
③抗弯模量大，抗弯性能好，适应围岩变形的能力要强。
根据上述要求，经综合考虑4205巷顶板采用W钢带配合金属网的方式作为表面控制措施，两帮采取钢带托盘与锚杆托盘配合使用的方式结合金属网进行表面控制。
（2）辅助支护及其锚索参数
由于3#煤层东Ⅳ盘区4205巷将经历动压影响，巷道的煤顶容易离层。
为了把顶煤、砂质泥岩悬吊在上面稳定的岩层中，辅助支护是必须的。
辅助支护措施采用快装“鸟窝”锚索（图5.4），该锚索与国内普通锚索相比具有下述特点：
，求到09律509____________________________________________________________________________
图5.4快装防冲“鸟窝”锚索结构图
●索头保护套用于防止锚索索头在运输及安装过程中散股。
一旦散股，会给锚索安装带来很大不便。
●鸟窝具有以下作用：
⏹对中：
鸟窝的大小一般设计制造的比钻孔小2mm，这样可以保证锚索在孔中对中，使得树脂在锚索周围均匀分布。
从而用较少的树脂用量取得最大的拉拔力。
⏹更好地搅拌树脂：
鸟窝可以起到均匀搅拌树脂的作用，从而增加锚索的拉拔力。
⏹树脂—锚索有机结合：
鸟窝是中空的，在树脂搅拌过程中，树脂充满鸟窝，可以使树脂和锚索成为一整体，从而进一步增加锚索的拉拔强度，减少树脂用量。
⏹提高安装速度：
通过鸟窝与树脂的充分搅拌，使锚索与树脂成为一个整体，从而可以实现锚索的快速安装。
●加强管：
加强管是为了安装方便，在锚索接触树脂后，锚索更容易送入孔中。
①锚索长度：
考虑到巷道受工作面回采时的动压影响及顶板岩层的特点，顶板锚索长度需要适当，锚索长度选用6300mm。
②锚索直径：
Φ17.78mm，最大抗拉载荷为36t。
③锚索类型：
快装“鸟窝”锚索。
最终确定采用直径为17.78mm的快装“鸟窝”锚索进行支护，这样锚索在回采期间还可以发挥相当于沿空留巷中木垛所发挥的作用。
锚索的具体间排距见支护平、剖面图。
锚索垂直顶板施工，锚索安装应力不小于8t。
④锚索托盘：
采用高强的200×
200×
10的球型托盘。
（3）树脂
为了达到所需要的锚杆的安装应力，达到锚杆的最大抗拉强度，锚索选用K2350的树脂2卷端锚。
5.2.7支护方案及支护参数小结
（1）锚杆
顶板锚杆：
锚杆排距：
1000mm
锚杆间距：
1100mm
锚杆类型：
Q500高强预应力让均压锚杆
让压环：
D20-12型
锚杆长度：
锚杆长度2400mm
锚杆直径：
Φ20mm
锚杆钻孔直径：
28mm
锚杆树脂：
顶板CK2335×
2
锚杆托盘：
150×
8mm的高强球型托盘
表面支护：
金属网、W钢带。
两帮锚杆：
1000mm（如图5.23和图5.24所示）
普强锚杆
锚杆长度1800mm
Φ18mm
K2350×
1
120×
6mm的高强球型托盘与钢带托盘（300×
275×
2.75mm）联合使用
塑料网。
（2）锚索
锚索长度：
6300mm
锚索直径：
Ф17.8mm
锚索钻孔直径：
锚索树脂：
K2350×
2
锚索托盘：
10mm高强托盘
图54205巷锚杆支护平面图
图54205巷锚杆支护剖面图
5.2.83#煤层东Ⅳ盘区4205巷每米支护材料消耗表及配套施工工具
表5.1每米巷道产品表
序号
材料名称
规格尺寸
配置
每米材料消耗量
单价
（元）
1
让压锚杆
Φ20×
2400mm
#500杆体，三明治垫圈，螺母，150×
8mm的高强托盘
5套
56.40
鸟窝锚索
Φ17.78×
钢绞线、鸟窝、加强管、索具，球形垫圈，200×
10mm的高强托盘
1.5套
149.00
3
锚杆让压环
D20-12
5个
4.20
锚索让压环
S18-21
1.5个
7.10
Φ18×
1800mm
#335杆体，三明治垫圈，螺母，120×
6mm的高强托盘
6套
33.65
6
钢带托盘
300×
2.75mm
与帮锚杆配合使用
6个
13.50
7
W钢带
BHW270-2.5-4700mm
5孔，孔间距1100mm
1条
164.50
8
锚固剂
CK2335
凝固时间30S
10支
2.10
9
K2350
凝固时间60S
9支
3.00
10
金属网
合计
表5.2施工机具
名称
规格
数量
单价（元）
锚杆搅拌器
M22-B19
140.00
锚索搅拌器
K17
T-型扳手
M22
机械式扭矩放大器
JND22/3.5
1800.00
5.3建议及说明
（1）4205巷主体支护方案采用：
让压锚杆＋鸟窝锚索＋金属网＋W钢带复合支护。
（2）施工现场要准备一定数量的木块，在巷道凹陷较大部位要添加背板。
（3）遇到断层破碎带时，应及时调整原支护方案，缩小锚杆（锚索）间排距，加强支护。
（4）具体支护方案与矿上协商后进行试验，支护方案根据现场的地质情况与支护效果及时作出调整。
（5）根据邻近矿区（柴沟煤矿、虎龙沟煤矿的支护经验），小峪煤矿顶板采用直径18mm的高强锚杆能满足生产需要，因刚进行试验，采用保守方案，建议经过试验区后对巷道进行支护评估，以优化支护系统，降低支护成本。
6锚杆锚索施工工艺
6.1让压锚杆安装与施工
6.1.1钻孔施工
①钻孔直径：
ф28mm
②钻孔深度：
钻孔深度需大于锚杆有效长度长度30mm。
锚杆有效长度为2360mm，钻孔深度应为2390mm。
③钻孔角度：
钻孔角度以设计图为准。
④钎杆标记：
为了能够准确确定钻孔深度，需在钎杆上做钻孔深度标记，确保钻孔深度准确。
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。
6.1.2扭矩应力锚杆安装
①锚杆组装：
将锚杆减阻垫圈、让压环和锚杆托盘按先后顺序穿入锚杆。
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：
将锚杆接入钻机，用钻机将锚固剂推至钻孔底部，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10～15秒。
⑤托盘与顶板间隙：
搅拌锚固剂结束时，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，需停顿一段时间，待锚固剂凝固，启动锚杆钻机（钻机只旋转不推进）打开螺母阻尼，并用锚杆钻机将螺母拧紧。
⑦提高安装应力：
钻机拧紧螺母后卸下钻机，再用手动扳手或扭矩放大器给锚杆施加合适的安装扭矩，确保锚杆安装应力达到4t（具体安装扭矩待井下试验后确定）。
6.1.3顶板锚杆安装质量检查标准
合格的锚杆安装应该满足下列标准：
①充填阻尼必须全部脱落，否则锚杆无法达到安装应力。
②塑料垫圈必须溶化掉。
③锚杆正常条件下外露长度为20～60mm；
巷道成型不好时，外露长度不能大于80mm（必要时加木垫板）。
④用扭矩扳手检验，扭矩不能低于规定值（具体标准由井下试验后确定）。
6.2锚索安装与施工
6.2.1锚索施工与安装
（1）采用专门用于围岩加固的高强快装后应力“鸟窝”锚索。
（2）锚索钻孔直径D28mm,钻孔深度需要
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