煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计方案

霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 0 煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计方案 1 锚杆支护设计方法介绍 现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验和围岩分类的经验设计法，基于某种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而达不到理想的设计效果。只有采用包括试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法 ,才是符合井下巷道围岩特性的科学的设计方法。其中试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性 能测试等内容，在此基础上进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用数值计算和经验法相结合的方法进 行，根据围岩参数和已有实测数据确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井下，并进行详细的围岩位移和锚杆 受力监测，根据监测结果验证或修正初始设计。正常施工后还要进行日常监测，保证巷道安全。本设计包括试验点调查和地质力学评估，锚杆支护初始设计，井下施工所需材料、设备和工艺，矿压监测设计和仪器等内容。 2 试验点调查和地质力学评估 霍尔辛赫回风大巷及辅运大巷的布置如图 1。 图 1 回风大巷及辅运大巷布置图 根据矿方提供的地质资料，回风大巷现在都是沿顶板掘进，辅运大巷沿底板掘进，从顶板地应力测试孔所取出的岩芯来看（图 2），巷道直接顶是 15m 左右的砂质泥岩， 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 1 灰黑色，裂隙发育；砂质泥岩之上为约 3m 左右的泥岩，灰黑色、无岩芯；泥岩之上为砂质泥岩，厚度约为 1m，灰黑色、岩芯成小片状，有自然裂隙；砂质泥岩之上为泥岩，厚度约为 黑色、水平纹理发育，可见植物化石，基本无岩芯；再往上为泥质砂岩，厚度为 色，夹薄层细砂岩。 岩 性 厚度（ m） 累计厚度 （ m） 岩层柱状 岩 性 描 述 泥岩 灰黑色，岩芯破碎，取芯 20% 砂质泥岩 1 19 灰黑色，岩芯成小段状，取芯 40% 泥岩 3 18 灰黑色，岩芯破碎，取芯 30% 砂质泥岩 15 15 灰黑色，节理发育，岩芯呈小段状，裂隙发育，有夹层泥，取芯率 40% 图 2 综合柱状图 质构造 根据矿方提供的山西省沁水煤田长治矿区霍尔辛赫井田 3 号煤层勘探（精查）地质报告评审意见书，井田内沿走向及倾向伴有落差大小不一的断层 6 条，其中正断层 3 条，逆断 层 3 条。作为井田北界的二岗山南北正断层全长大于 40中井田内 3 号煤层处延伸 差 130m。井田内未发现陷落柱和岩浆岩。构造属简单类型。 文地质情况 根据矿方提供的资料，矿井主要含水层为奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层及太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层，各含水层富水性奥灰岩的含水性较强，其余含水层一般较弱，对矿井充水影响较小；奥灰水水位标高为 于 3 号煤层底板 于承压开采，一般情况下在无构造沟通时 3号煤层不会发生底板突 水。 应力 2007 年在回风大巷及辅运大巷进行了水压致裂地应力测量，测试结果回风大巷附近最大水平主应力为 向为 E，最小水平主应力为 直主应力为 运大巷附近最大水平主应力为 向为 E，最小水平主应力为 直主应力为 结强度测试 采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度。该测试工作必须在井下施工之前进行完毕。测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷，分别在巷道顶板和两帮设计锚 固深度上进行三组拉拔试验。粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。 3 锚杆支护初始设计 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 2 计原则 护参数确定的原则 (1) 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。 (2) 高预应力和预应力扩散 原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。 (3) “三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少 单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。 (4) 临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。 (5) 相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。 (6) 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。 (7) 在保证 巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。 护参数确定的依据 (1) 邻近工作面或类似巷道现有支护状况和矿压观测数据； (2) 回风大巷及辅运大巷详细的地质资料以及地质力学测试数据； (3) 数值模拟分析结果； (4) 现有科技成果和工程实践经验。 道支护断面设计 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 3 考虑到掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量，设计回风大巷及辅运大巷的掘进断面尺寸如下：回风大巷断面呈矩形，净断面宽 进断面分别为宽 进断 面 运大巷掘进断面尺寸为：巷道断面呈矩形，净宽 进断面为宽 车线附近断面为宽 进断面 杆支护初始设计 运大巷模拟方案 辅运大巷埋深 420m 左右，地应力较高，煤层强度较低，巷道服务时间长，因此需要采用强力锚杆 +锚索支护系统进行支护。为了得到最优支护设计方案，采用了三维离散元软件（ 3行了数值模拟研究。 模拟方案如下： （ 1）无支护条件下的巷道变形 和应力分布。 （ 2）采用锚杆支护条件下的巷道变形和应力分布。 （ 3）改变顶板锚杆数目，分别模拟了顶板锚杆为 6， 7， 8 根三种。 （ 4）改变锚杆排距，分别模拟了锚杆排距： 80010001200m 三种情况。 （ 5）改变锚索，分别模拟了有锚索和无锚索两种情况。 运大巷数值模拟结果 （ 1）无支护条件下巷道围岩变形和应力分布 图 3 给出了无支护条件下巷道围岩变形分布。从图 3 可以看出巷道顶板和两帮变形较大：其中顶板中间部分变形最大，达到 75道两帮变形为 6075道局部最大变形 达到 图 4 给出了无支护条件下巷道垂直应力分布。从垂直应力分布看，巷道顶板和底板垂直应力下降最为明显，应力等值线呈拱形分布，应力下降区进入顶、底板深度很大，随着进入顶底板深度增加，垂直应力恢复为正常水平；而巷道两帮表面垂直应力下降明显，低于正常水平，但进入两帮较深部位，垂直应力迅速升高，高于正常水平，随着进入深度增加，两帮垂直应力恢复正常水平。 图 5 给出了无支护条件下巷道水平应力分布。从水平应力分布看，巷道两帮水平应力下降区进入两帮深度很大，而且两帮表面水平应力下降剧烈，是潜在的拉深伸应力破坏区 ；巷道顶底板表面水平应力下降幅度较大，但随着进入顶底板深度加深，水平应力逐渐升高，并出现一个水平应力升高区，然后又逐渐恢复正常水平。 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 4 图 3 无支护巷道围岩变形 图 4 无支护巷道垂直应力分布 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 5 图 5 无支护巷道水平应力分布 （ 2）锚杆支护条件下巷道变形 锚杆支护可以显著改善围岩的应力分布状态，保持围岩的完整性，提高围岩自身的承载能力，减少巷道的变形和位移。本节采用如下锚杆支护参数对锚杆支护的作用进行了研究： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 22000400400排 3 根 7 4 图 6 给出了无支护条件下巷道围岩变形分布。从 6 可以看出巷道顶板中部变形最大，变形范围达到 6273帮变形范围为 5063道顶板和两帮局部最大变形达到 对比有支护和无支护条件下巷道变形图，可以看到锚杆支护可以控制巷道围岩变形，显著减少围岩位移。在本模型中，支护对于减少两帮变形的效果非常显著，锚杆支护后单侧帮位移减少 15右。锚杆支护条件下顶板位移显著减少，最大减少幅度达到 15右。 图 7 给出了锚杆支护条件下巷道垂直应力分布，与 无支护条件下垂直应力分布图 4 相比，应力分布特征类似，但是巷道顶底板浅部围岩中的低应力区范围有明显的减少。 图 8 给出了锚杆支护条件下巷道水平应力分布，与无支护条件下水平应力分布 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 6 图 5 相比，应力分布特征类似，但是巷道两帮浅部围岩中的水平低应力区范围有明显的的减少。 通过对锚杆支护和无支护条件下巷道围岩应力分布状态对比可以发现，锚杆支护可以改善顶板和两帮的应力分布状态，保持围岩的完整性，提高围岩自身的承载能力，从而达到改善支护效果的作用。 图 6 锚杆支护条件下巷道围岩变形 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 7 图 7 锚杆支护条件下巷道垂直应力 分布 图 8 锚杆支护条件下巷道水平应力分布 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 8 （ 3）顶板锚杆数目对巷道稳定性的影响 顶板锚杆数目的多少不仅决定了锚杆支护强度的高低，而且能影响锚杆的支护刚度。因此改变增件锚杆数目能够影响巷道的支护效果。 为了研究锚杆数目对巷道稳定性的影响，采用如下三种不同顶板锚杆数目的支护参数进行模拟： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 22000400400排 3 根 6 4 22000400400排 3 根 7 4 22000400400排 3 根 8 4 图 9、 10、 11 分别给出了三种支护方案的模拟结果。 图 9 顶板 6 根锚杆巷道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 9 图 10 顶板 7 根锚杆巷道变形图 图 11 顶板 8 根锚杆巷道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 10 图 9、 10、 11 分别给出了顶板锚杆为 6、 7、 8 时的位移分布图。从 3 个位移分布图可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比较明显的变化。 6 根锚杆巷道变形最大，局部最大位移达 73.7 7 根锚杆巷道局部最大位移为 72.4 8 根锚杆巷道变形最小，局部最大位移为 71.9 模拟结果表明随着锚杆数目的增加，巷道变形有所减少，随着锚杆数目减少，巷道变形显著增加。当锚杆增加到一定数目后，再增加锚杆对巷道变形减少帮助不大。 （ 4）锚杆排距对巷道稳定性的影响 锚杆排距的大小决定了锚杆支护密度，即支护强度的高低，并且能影响锚杆支护的刚度。因此改变锚杆排距能够影响巷道的支护效果。 为了研究锚杆排距对巷道稳定性的影响，采用如下三种不同排距的支护参数进行模拟： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 2200400400排 3 根 7 4 22000400400排 3 根 7 4 22200400400排 3 根 7 4 图 12、 13、 14 分别给出了三种支护方案的模拟结果。 图 12 排距 800道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 11 图 13 排距 1000道变形图 图 14 排距 1200道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 12 图 12、 13、 14 分别给出了排距 80010001200位移分布图。从3 个位移分布图可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比较明显的变化。排距 800 巷道变形最小，局部最大位移达 71.7 距 1000巷道局部最大位移为 72.4 距 1200巷道变形最大，局部最大位移为 73.3 模拟结果表明随着排距的增加，巷道变形明显增大，随着排距的减少，变形有所减少。当排距减少到一定程度后，减少排距对降低巷道变形作用帮助不大。 （ 5）锚索对巷道稳定性的影响 锚索是锚杆支护系统的重要补强构件，锚索不仅具有很高的承载能力，能够有效改善支护效果，而且能够降低锚杆支护密度，提高掘进速度，因此研究锚索对巷道稳定性的影响非常必要。 为了研究锚 索对巷道稳定性的影响，采用如下两种支护参数进行模拟： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 22000400400排 3 根 7 4 22000400400 7 4 图 15、 16 分别给出了两种支护方案的模拟结果。 图 15 有锚索巷道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 13 图 16 无锚索巷道变形图 图 15、 16 分别给出了有锚索和无锚索巷道位移分布图。从图中可以看出，巷道变形特征基本相同，但无锚索巷道变形明显大于有锚索巷道，有锚索巷道 最大变形为 72.4 锚索巷道变形为 模拟结果表明，锚索支护对巷道稳定性有明显的影响，采用锚索作为补充支护方式可以明显减少巷道变形。 运大巷数值模拟研究结论 （ 1）数值模拟研究表明改变锚杆数目、排距等对巷道的稳定性都有明显的影响。 （ 2）数值模拟研究结果表明锚索对巷道的稳定性有重要的影响，能明显减少巷道围岩的变形。 （ 3） 3值模拟软件虽然考虑了岩层中重要的分层结构面，但无法详细研究岩体破坏后新形成的裂隙面对岩层的削弱作用，而这些岩体破坏后新形成的裂隙面会随时间的推移 发生滑动和弱化，表现为长期变形现象。目前还没有软件能够详细研究岩体破坏后的行为。因此本研究得到的变形量一般仅考虑了巷道开挖后短时间内的变形行为，没有考虑动态载荷和蠕变的影响。因此不应该用现场实测的变形量等同于模拟的变形量。二者没有可比性。 （ 4）在不同锚杆参数模拟过程中可以发现，各个方案模拟得到的变形量差别一 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 14 般只有 220种差别只是表明巷道变形初期的差别，这种微小的差别会对巷道的长期稳定性发挥重要的影响。因为如果巷道在支护初期能够减少几个毫米的变形，其裂隙的发展和弱化速度将被大大的减缓，在巷道以后服 务期内，几个毫米的差别可能发展为几百个毫米。 （ 5）根据数值模拟结果和现场经验进行优选，最终确定支护参数为锚杆直径（顶和帮） 22距 1000杆长度（顶、帮） 2400板 7 根锚杆、帮 4根锚杆、锚索支护参数为隔排 3 根布置。 风大巷模拟方案 回风大巷埋深 420m 左右，地应力较高，煤层强度较低，巷道服务时间长，因此需要采用强力锚杆 +锚索支护系统进行支护。为了得到最优支护设计方案，采用了三维离散元软件（ 3行了数值模拟研究。 模拟方案如下： （ 1）无支护条件下的巷道变形和应 力分布。 （ 2）采用锚杆支护条件下的巷道变形和应力分布。 （ 3）改变顶板锚杆数目，分别模拟了顶板锚杆为 5， 6， 7 根三种。 （ 4）改变锚杆排距，分别模拟了锚杆排距： 80010001200m 三种情况。 （ 5）改变锚索，分别模拟了有锚索和无锚索两种情况。 风大巷数值模拟结果 （ 1）无支护条件下巷道围岩变形和应力分布 图 17 给出了无支护条件下巷道围岩变形分布。从图 17 可以看出巷道顶板和两帮变形较大：其中顶板中间部分变形最大，达到 75道两帮中部变形较大，变形范围为 4575道局部最大变形达到 81 图 18 给出了无支护条件下巷道垂直应力分布。从垂直应力分布看，巷道顶板和底板垂直应力下降最为明显，应力等值线呈拱形分布，应力下降区进入顶、底板深度很大，随着进入顶底板深度增加，垂直应力恢复为正常水平；而巷道两帮表面垂直应力下降明显，低于正常水平，但进入两帮较深部位，垂直应力迅速升高，高于正常水平，随着进入深度增加，两帮垂直应力恢复正常水平。 图 19 给出了无支护条件下巷道水平应力分布。从水平应力分布看，巷道两帮水平应力下降区进入两帮深度很大，而且两帮表面水平应力下降剧烈，是潜在 的拉深伸应力破坏区；巷道顶底板表面水平应力下降幅度较大，但随着进入顶底板深度加深，水平应力逐渐升高，并出现一个水平应力升高区，然后又逐渐恢复正常水平。 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 15 图 17 无支护巷道围岩变形 图 18 无支护巷道垂直应力分布 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 16 图 19 无支护巷道水平应力分布 （ 2）锚杆支护条件下巷道变形 锚杆支护可以显著改善围岩的应力分布状态，保持围岩的完整性，提高围岩自身的承载能力，减少巷道的变形和位移。本节采用如下锚杆支护参数对锚杆支护的作用进行了研究。 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 22000400400排 2 根 6 4 图 20 给出了锚杆支护条件下巷道围岩变形分布。从图 20 可以看出巷道顶板中部变形最大，变形范围达到 6267帮变形范围为 5063道顶板和两帮局部最大变形达到 对比有支护和无支护条件下巷道变形图，可以看到锚杆支护可以控制巷道围岩变形，显著减少围岩位移。在本模型中，锚杆支护条件下顶板位移显著减少，最大减少幅度达到 14右；锚杆支护显著减少了巷道两帮变形量，锚杆支护后单侧帮位移减少 14右。 图 21 给 出了锚杆支护条件下巷道垂直应力分布，与无支护条件下垂直应力分布图 18 相比，应力分布特征类似，但是巷道顶底板浅部围岩中的垂直低应力区范围有一定的减少。 图 22 给出了锚杆支护条件下巷道水平应力分布，与无支护条件下水平应力分布 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 17 图 19 相比，应力分布特征类似，但是巷道两帮浅部围岩中的水平低应力区范围有一定的的减少。 通过对锚杆支护和无支护条件下巷道围岩应力分布状态对比可以发现，锚杆支护可以改善顶板和两帮的应力分布状态，保持围岩的完整性，提高围岩自身的承载能力，从而达到改善支护效果的作用。 图 20 锚杆支护条件下 巷道围岩变形 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 18 图 21 锚杆支护条件下巷道垂直应力分布 图 22 锚杆支护条件下巷道水平应力分布 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 19 （ 3）顶板锚杆数目对巷道稳定性的影响 顶板锚杆数目的多少不仅决定了锚杆支护强度的高低，而且能影响锚杆的支护刚度。因此改变增件锚杆数目能够影响巷道的支护效果。 为了研究锚杆数目对巷道稳定性的影响，采用如下三种不同顶板锚杆数目的支护参数进行模拟： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 22000400400排 2 根 5 4 22000400400排 2 根 6 4 22000400400排 2 根 7 4 图 23、 24、 25 分别给出了三种支护方案的模拟结果。 图 23 顶板 5 根锚杆巷道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 20 图 24 顶板 6 根锚杆巷道变形图 图 25 顶板 7 根锚杆巷道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 21 图 23、 24、 25 分别给出了顶板锚杆为 5、 6、 7 时的位移分布图。从 3 个位移分布图可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比较明显的变化。 5 根锚杆巷道变形最大，局部最大位移达 69.7 6 根锚杆巷道局部最大 位移为 67.9 7 根锚杆巷道变形最小，局部最大位移为 67.3 模拟结果表明随着锚杆数目的增加，巷道变形有所减少，随着锚杆数目减少，巷道变形显著增加。当锚杆增加到一定数目后，再增加锚杆对减少巷道变形帮助不大。 （ 4）锚杆排距对巷道稳定性的影响 锚杆排距的大小决定了锚杆支护密度，即支护强度的高低，并且能影响锚杆支护的刚度。因此改变锚杆排距能够影响巷道的支护效果。 为了研究锚杆排距对巷道稳定性的影响，采用如下三种不同排距的支护参数进行模拟： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆 数 2200400400排 2 根 6 4 22000400400排 2 根 6 4 22200400400排 2 根 6 4 图 26、 27、 28 分别给出了三种支护方案的模拟结果。 图 26 排距 800道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 22 图 27 排距 1000道变形图 图 28 排距 1200道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 23 图 26、 27、 28 分别给出了排距 80010001200位移分布图。从3 个位移分布图可以看 出，位移分布特征基本相同，但位移量有比较明显的变化。排距 800 巷道变形最小，局部最大位移达 66.9 距 1000巷道局部最大位移为 67.9 距 1200巷道变形最大，局部最大位移为 69.9 模拟结果表明随着排距的增加，巷道变形明显增大，随着排距的减少，变形有所减少。当排距减少到一定程度后，减少排距对降低巷道变形帮助不大。 （ 5）锚索对巷道稳定性的影响 锚索是锚杆支护系统的重要补强构件，锚索不仅具有很高的承载能力，能够有效改善支护效果，而且能够降低锚杆支护密度，提高掘 进速度，因此研究锚索对巷道稳定性的影响非常必要。 为了研究锚索对巷道稳定性的影响，采用如下两种支护参数进行模拟： 直径 排距 顶锚杆长度 帮锚杆长度 锚索 顶锚杆数 帮锚杆数 22000400400排 2 根 6 4 22000400400 6 4 图 29、 30 分别给出了两种支护方案的模拟结果。 图 29 有锚索巷道变形图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 24 图 30 无锚索巷道变形图 图 29、 30 分别给出了有锚索和无锚索巷道位移分布图。从图中可以看出，巷道变形 特征基本相同，但无锚索巷道变形明显大于有锚索巷道，有锚索巷道最大变形为 67.9 锚索巷道变形为 模拟结果表明，锚索支护对巷道稳定性有明显的影响，采用锚索作为补充支护方式可以明显减少巷道变形。 风大巷数值模拟研究结论 （ 1）数值模拟研究表明改变锚杆数目、排距等对巷道的稳定性都有明显的影响。 （ 2）数值模拟研究结果表明锚索对巷道的稳定性有重要的影响，能明显减少巷道围岩的变形。 （ 3） 3值模拟软件虽然考虑了岩层中重要的分层结构面，但无法详细研究岩体破坏后新形成的裂隙面对 岩层的削弱作用，而这些岩体破坏后新形成的裂隙面会随时间的推移发生滑动和弱化，表现为长期变形现象。目前还没有软件能够详细研究岩体破坏后的行为。因此本研究得到的变形量一般仅考虑了巷道开挖后短时间内的变形行为，没有考虑动态载荷和蠕变的影响。因此不应该用现场实测的变形量等同于模拟的变形量。二者没有可比性。 （ 4）在不同锚杆参数模拟过程中可以发现，各个方案模拟得到的变形量差别一 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 25 般只有 220种差别只是表明巷道变形初期的差别，这种微小的差别会对巷道的长期稳定性发挥重要的影响。因为如果巷道在支护初期能够减少几个毫 米的变形，其裂隙的发展和弱化速度将被大大的减缓，在巷道以后服务期内，几个毫米的差别可能发展为几百个毫米。 （ 5）根据数值模拟结果和现场经验进行优选，最终确定支护参数为锚杆直径（顶和帮） 22距 1000杆长度（顶、帮） 2400板 6 根锚杆、帮 4根锚杆、锚索支护参数为隔排 2 根布置。 护方案 经过数值模拟分析，确定霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷均采用 树脂加长锚固强力锚杆锚索组合支护系统。 风大巷支护方案 (1) 顶板支护 锚杆形式和规格：杆体为 22#左旋无纵筋 螺纹钢筋，长度 尾螺纹为 锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为 一支规格为 孔直径为 30固长度为 1200 钢筋托梁规格：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80度 4700m。 托板：采用拱型高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈。 锚杆角度：锚杆全部垂直岩面打设。 网片规格：采用钢筋网护顶，网孔规格 80 80片规格 5200 1100 锚杆布置：锚杆排距 1000排 6 根锚杆，间距 900 锚杆预紧扭矩要达到 锚索 ： 锚索形式和规格：锚索材料为 2017 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300孔直径 30用一支 两支 脂药卷锚固； 锚索托盘：采用 30030016强度可调心托板及配套锁具。 锚索布置：每 2000 2 根锚索，安设位置在距离两帮 1700根锚索间距 1800直顶板岩层。锚索张拉要达到 20t。 (2) 巷帮支护 锚杆形式和规格：杆体为 22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度 尾 螺纹为 锚固方式：树脂端部锚固，采用一支锚固剂，规格为 孔直径为 30 钢筋托梁规格：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80度 3200m。 托板：采用拱型高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈。 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 26 网片规格：采用钢筋网护帮，网孔规格 80 80片规格 3200 1100 锚杆布置：锚杆排距 1000排每帮 4 根锚杆，间距 1000 锚杆角度：锚杆全部垂直岩面打设。 锚杆预紧扭矩要达到 巷道支护布置如图 31。 运大巷支护方案 (1) 顶板支护 锚杆形式和规格：杆体为 22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度 尾螺纹为 锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为 一支规格为 孔直径为 30固长度为 1200 钢筋托梁规格：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80度 4700m。 托板：采用拱型高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈。 锚杆角度：锚杆全部垂直岩面打设。 网片规格：采用钢筋网护顶，网孔规格 80 80片规格 5200 1000 锚杆布置：锚杆排距 900排 6 根锚杆，间距 900 锚杆预紧扭矩要达到 锚索 ： 锚索形式和规格：锚索材料为 2017 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300孔直径 30用一支 两支 脂药卷锚固； 锚索托盘：采用 30030016强度可调心托板及配套锁具。 锚索布置：每 1800 2 根锚索，安设位置在距离两帮 1700根锚索间距 1800直顶板岩层。锚索张拉要达到 20t。 (2) 巷帮支护 锚杆形式 和规格：杆体为 22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度 尾螺纹为 锚固方式：树脂端部锚固，采用一支锚固剂，规格为 孔直径为 30 钢筋托梁规格：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80度 3200m。 托板：采用拱型高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈。 网片规格：采用钢筋网护帮，网孔规格 80 80片规格 3200 1000 锚杆布置：锚杆排距 900排每帮 4 根锚杆，间距 1000 锚杆角度：锚杆全部垂直岩面打设。 锚杆预紧扭矩要达到 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 27 巷 道支护布置如图 32。 运大巷出车线段支护方案 (1) 顶板支护 锚杆形式和规格：杆体为 22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度 尾螺纹为 锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为 一支规格为 孔直径为 30固长度为 1200 钢筋托梁规格：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80度 5600m。 托板：采用拱型高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈，承载能力不低于 23t。 锚杆角度：锚杆全部垂直岩 面打设。 网片规格：采用钢筋网护顶，网孔规格 80 80片规格 6200 1000 锚杆布置：锚杆排距 900排 7 根锚杆，间距 900 锚杆预紧扭矩要达到 锚索 ： 锚索形式和规格：锚索材料为 2017 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300孔直径 30用一支 两支 脂药卷锚固； 锚索托盘：采用 30030016强度可调心托板及配套锁具。 锚索布置：每 1800 3 根锚索，安设位置在距离两帮 1300间一 个锚索在巷道正中部，锚索全部垂直顶板岩层。锚索张拉要达到 20t。 (2) 巷帮支护 锚杆形式和规格：杆体为 22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度 尾螺纹为 锚固方式：树脂端部锚固，采用一支锚固剂，规格为 孔直径为 30 钢筋托梁规格：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80度 3200m。 托板：采用拱型高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈，承载能力不低于 23t。 网片规格：采用钢筋网护帮，网孔规格 80 80片规格 3200 1000 锚杆布置：锚杆排距 900排每帮 4 根锚杆，间距 1000 锚杆角度：锚杆全部垂直岩面打设。 锚杆预紧扭矩要达到 巷道支护布置如图 33。 掘进中如果发现情况异常应及时向有关领导和科室汇报，及时修改支护方案，加强支护。 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 28 200010001000170018001700350900900900900900350357035701000100010003701000100010002002001000 1000 1000 3701000100010002400730052002400图 31 回风大巷支护参数图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 29 1800900900170018001700350900900900900900350357035709009009003701000100010002002001000 1000 1000 3709009009002400730052002400图 32 辅运大巷支护参数图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 30 40090018002400620073003701000100010002002001000 1000 1000 37035703570900900900900900400130018001300900 9001800900900900900900900图 33 辅运大巷出车线段支护参数图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 31 4 锚杆支 护材料 本次试验所需锚杆支护材料如表 1、 2 和 3 所列。 杆杆体 锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，专用锚杆钢材，钢材型号为 400 号。杆体公称直径 22度 限拉断力 228服力为 156伸率 17%。杆尾螺纹规格 用滚压加工工艺成型。 脂药卷 树脂锚固剂型号分别为： 即直径 23度 600化时间为中速；直径 23度 350化时间为快速。 板 拱型高强度托盘，力学性能与锚杆杆体配套，强 度必须大于 23 吨。配合高强度球形垫和减阻尼龙垫圈。 筋托梁 组合构件是锚杆支护中的重要部件。它可将单根锚杆联结起来组成一个整体承载结构，显著提高锚杆支护的整体效果。目前锚杆组合构件主要有三种形式， W 钢带、平钢带和钢筋托梁。针对霍尔辛赫煤矿，钢筋托梁规格如下：采用 16钢筋焊接而成，宽度 80安装锚杆的位置处焊上两段纵筋，以便安装锚杆。顶钢筋托梁长 钢筋托梁长 加工分别如下图 34、图 35 和图 36。 9 0 0 m 0 m 0 m 0 0 m 0 m 0 m m 9 0 0 m m 1 0 0 m m 6 钢图 34 回风大巷及辅运大巷顶部钢筋托梁加工图 9 0 0 m m 0 m 0 m 0 m m 9 0 0 m 0 0 m 0 m m 9 0 0 m m 9 0 0 m 6 钢图 35 辅运大巷出车线段顶部钢筋托梁加工图 霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年 5月 天地科技股份有限公司开采设计事业部 32 8 0 m 0 m 0 m m 1 0 0 0 m 0 0 m 0 0 m m 1 0