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含CAD图纸+文档 神华神东 煤炭 集团 石圪台 煤矿 10.0 Mta 设计 CAD 图纸 文档

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专题部分大断面煤巷锚杆支护机理与技术浅析摘要：总结了研究煤巷锚杆支护的意义与目的以及国内外锚杆支护研究现状，主要分析了目前常用的锚杆支护理论，通过实例分析了锚杆支护的优点并进一步提出了所得到的结论。关键词： 大断面；煤巷；锚杆支护；技术；机理On the Bolt Support Technology and MechanismAbstract: Summed up the study of bolt support the meaning and purpose, as well as study at home and abroad bolting the status quo, the main analysis of the current commonly used in bolting theory, through the example of an analysis of the merits of bolting and further put forward by conclusion.Keywords: Large cross-section; Coal roadway; Bolting Support; Technical; Mechanism1 引言煤巷锚杆支护技术的理论和实践都已比较成熟，在1、2、3类围岩的煤巷可大面积推广。4类围岩巷道的锚杆支护在许多局矿都取得了成功，如神东大柳塔煤矿在4类围岩的“三软一大”（即顶、底、煤三软，断面大）综采工作面，机、风巷沿实体煤掘进和沿空巷中，独头长距离（4000m以上）用锚网支护均已获得成功，并形成自己的支护系列，获得广泛应用。5类围岩的锚杆支护正在进一步试验，并在部分地区取得成功。 实践充分证明，在煤巷中应用锚杆支护，和传统的棚式支架相比，具有显著的优越性。主要表现在以下几个方面: 从根本上改善了支护状况，保证了安全生产。神东煤炭集团近年来坚持推广并使用锚杆支护，做到安全无事故。 减轻了工人劳动强度，改善了作业环境。 减轻了支护物料运输，改善了生产矿中辅助运输紧张状况。 提高了掘进单进水品和掘进工效，有利于高速、高效掘进队的建设。 大幅度节约了支护材料，降低支护成本。如神东煤炭集团，锚杆支护巷道，节省支护钢材28万t，节约支护材料费13.6亿元。 提高了巷道断面利率。 简化了综采工作面超前支护，加快了回采速度。如神东大柳塔矿，在回采期间用锚杆支护，不需要替棚，使采煤平均单产提高40%-50%，创出历史最高记录。 锚杆支护巷道维修量少，服务年限相对延长，为优化矿井开拓布置、合理集中生产创造了条件。如神东大柳塔矿，将丁组二水平两个采区合并为一个采区，合并后采区一翼的走向长度由原来对1800-2600m，扩大为3600-6000m。 能可靠支护综采大断面的机、风巷和切眼，为综采工作面设备快速安装创造了条件。 有利于节约资源，改善生态环境。但是，我们应当看到，目前煤巷的锚杆支护率从全国来讲还比较低。原全国统配煤矿1997年煤巷锚杆支护率也不国20%，地方煤矿、乡镇煤矿煤巷锚杆支护率更低，有不少矿井还是空白，这说明在煤巷推广锚杆支护还任重道远。为全面贯彻落实原煤炭工业部关于推广锚杆支护的决定，积极组织推广以煤巷、煤-岩巷锚杆支护为重点，是煤矿巷道支护的又一次改革。为此，应着重解决好以下问题。各局、矿领导要解放思想，提高认识，要积极试验，不怕反复，不怕失败，坚持到底，搞出成效；要讲究科学，从本矿区、本矿井的实际出发，探索科学、合理的锚杆支护形式和支护参数，严禁盲目蛮干；积极组织锚杆支护技术培训，全面提高施工队伍素质。特别要注重对掘进区队长，技术员，班组长的培训，使他们思想上有质的转变，技术上到达全面提高，工作上一丝不苟；加强锚杆支护的技术管理，严把施工质量关，施工质量直接关系到安全生产和锚杆支护的成败；加强与科研院所、大专院校锚杆支护的专家的联系，请他们帮助解决煤巷锚杆支护的难题，避免走弯路；制定有利于锚杆支护的经济政策，利用经济杠杆，调动职工应用锚杆支护的积极性；学习外地的先进经验，及时总结本地区、本单位的经验，并进行现场交流，促进锚杆支护的发展；2 国内外锚杆支护的发展现状2.1 国外锚杆支护的发状展现 锚杆支护技术始于国外，1905 年美国在岩土工程中首次使用喷浆技术，1911 年德国开始第一次在井下巷道喷浆，1924 年前苏联顿巴斯矿开始灾用锚喷支护， 法国1949 年开始在铁矿中应用锚汗，随后锚喷支护在奥地利、瑞典、德国、加拿火、英国、法国、美国和澳大利亚等国家的地下工程中得到普遍的应用，当前对锚杆支护技术研究最为活跃的是澳大利亚。美国是最早使用锚杆作为煤矿顶板主要支护方式的国家，是目前世界上锚杆支护技术最先进、最成熟、锚杆使用数量最多的国家。目前美国所有井下巷道都布置在煤层中，每年大约有25000km 的谋售使用了锚杆支护。澳大利亚基于应用岩石力学原理和实测技术，通过地质调查，了解被锚固地层的地质条件和地应勺状态， 对围岩进行变形量测和锚杆受力量测，通过分析其实测数据，研究巷道的变形机理以及锚杆参数的优化设计系统。同时，澳大利亚的锚杆机具狭置的研制也居世界领先水平。发展特种锚杆， 如纤维增强塑料锚杆（重量只有钢材的14 ，而强度高于钢材）、高预应力锚杆、注入式锚杆等。在安装锚杆机具方面，如旋扭预紧装置，通过在螺母和托板加承压滚珠，承载可达80 100kN 。ABM20 新型锚杆装机，可同时安装锚杆，一次可装6 根顶板锚杆。德国以临界移近率尾来衡量锚杆的应用，另外，在可拉伸锚杆的研制和应用方面也有其独到之处，采用极限移近量法设计锚杆支护。一般锚杆支护的移近量为8 20 ，滑动锚杆和可拉伸锚杆的极限移近量可提高到30 35 。目前长壁工作面采区煤巷掘进速度滞后是影响德国煤炭工业发展的一个主要因素，每掘进1m 煤巷，安装6根顶板锚杆和2根煤帮锚杆，每班安装锚杆的根数也会变化，由于煤矿使用了连续采煤机，使得锚杆安装速度跟不上工作面回采速度，一些煤矿逐渐采用了位置变换开采法。南非大部分矿井煤层顶板为硬砂岩顶板，顶板条件好，容易支护，锚杆安装速度较快，几乎不影响采煤作业，为了防止煤层顶板的局部冒落，一些煤矿安装了顶板岩层监控系统，有效地维护了矿井生产的安全。国外锚杆支护应用十分广泛，但仅局限于围岩较稳定的巷道。软岩锚杆支护问题在美、澳等国并不突出，德国比较重视采深大。岩体质量差，长期共存等地质条件丁的锚杆支护问题，对较松软的煤层巷道， 为了更好地发挥锚杆的支护效果，已经研制成多种锚杆安装机械，但是由于锚杆间距小、锚杆锚固强度较低、密度大，使得巷道掘迸速度慢，影响矿井生产接替。为了提高巷道掘进速度，必须提高锚杆锚固强度以其增大锚杆间距，为此，英国研制成锚杆入，锚固力达500kN 的“大锚杆”，并在Asfordby 矿试验成功间距l .0m 的“大锚杆”代替间距0.6m 的“AT ”锚杆。因此，在围岩松软破碎、高应力、受采动影响的大变形巷道，提高锚杆的锚固力和锚固效果，确保三软煤巷在采动过程中稳定和安全，扩大其应用范围，是国外锚杆支护发展的方向。2.2国内锚杆支护发展的现状我国锚杆支护起始于20 世纪50 年代，在岩土工程中得到了广泛应用。煤矿于1956 年开始使用锚杆支护巷道，主要采用机械端锚和钢砂浆元托板锚杆，这种单体锚杆只适合于稳定的岩石巷道，在围岩较软的岩巷、煤巷及动压巷道中还不能取得很好的效果。1964 年在少数矿井下试验喷浆、喷射混凝土和锚喷支护，这是我国锚杆支护的初期；到80 90 年代，进人了以锚带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段，由于锚杆支护经济效益显著，劳动强度低，对控制围岩和破碎岩体的加固效果，较U 型钢被动支护效果好，因而，已经在我国煤矿中得到广泛应用。“煤巷锚杆支护技术” 作为“九五”期问煤炭工业重点科技攻关项目，经过几年来攻关研究，在技术上日益成熟，并能生产成套系列产品，初步适应了我国煤巷锚杆支护的具体要求，到1998 年煤巷中锚杆支护比重达到20 以上，目前，在我国国有矿井中达到50 以上。但是，我国煤矿的软岩地层分布十分广泛，加之占煤矿75 采准巷道还要经受采动的频繁影响，大部分巷道在服务年限内的围岩变形量都很大，有的甚至冒落垮实，使得巷道元法再利用，因此，研究开发有效地控制高应力、软岩和采动等大变形巷道的锚杆支护技术，成为推动锚杆支护技术的关键。近年来，随着我国加大对软岩巷道支护的研究，已初步地将锚梁网、锚喷网、锚索等应用到软岩巷道支护中，并在部分矿井中取得了一定的经济效益，但是，对于各种不同岩性松软破碎的围岩及其受高应力、强烈采动影响的大变形巷道，锚杆支护仍是尚待解决的难题。同国外相比，我国锚杆支护主要存在锚固力低、可靠性差等间题，因此，提高锚杆性能、开发具有强初撑。急增阻、高阻力力学特性的锚杆支护，是控制高应力、软岩大变形巷道的有效途径，也是国内锚杆支护的主要发展方向。随着对软岩巷道的研究和锚杆锚固力的逐步提高，锚杆支护得到了迅速发展，随着人们对煤巷锚杆支护实践不断深入，锚固理论也得到了很大的发展。3锚杆支护的原理及其种类随着锚杆支护工程实践的不断丰富,适用于不同条件的各种锚杆支护理论相继被提出并逐步得到发展和完善。目前,较成熟的锚杆支护理论主要可归纳为3大类:一是基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论等;二是基于锚杆的挤压加固作用提出的组合梁理论、组合拱理论以及楔固理论等;三是综合锚杆各方面的作用而提出的松动圈支护理论、锚固体强度强化理论、锚注理、最大水平应力理论以及锚杆桁架支护理论等。3.1悬吊理论悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图3.1所示。 图3.1 锚杆的悬吊作用 图3.2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破碎区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上，如图3.2所示。悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于巷道帮、底。如果顶板中没有坚硬岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。3.2 组合梁理论组合梁理论认为：在层状岩体中开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用居次要地位。如果顶板岩层存在若干分层，顶板锚杆的作用，一方面是依靠锚杆的锚固力增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象；另一方面，锚杆杆体可增加岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。这种组合梁岩层在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小，而且组合梁越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如图3.3所示。组合梁理论只适用于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。（a） 未打锚杆 (b) 布置顶板锚杆图图3.3 顶板锚杆的组合梁作用3.3 组合拱（压缩拱）理论组合拱（压缩拱）理论认为：在拱形巷道的破裂区安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距离足够小，各个锚杆形成的压力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱（亦称组合拱或压缩拱），这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑力也相应加大，如图3.4所示。因此，锚杆支护的关键在于获取较大的承压拱厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支撑能力的提高。图3.4 组合拱的组合拱原理3.4 最大水平应力理论最大水平应力理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.52.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特点：与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好；与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某一帮；与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。3.5 巷道锚杆支护围岩强度强化理论巷道锚杆支护围岩强度强化理论认为：巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体，形成统一的承载结构；巷道锚杆支护可以提高锚固体的力学参数，包括锚固体破坏前和破坏后的力学参数，改善被锚固岩石体的力学性能；巷道围岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固体区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度均能得到强化；巷道锚杆支护可改变围岩的应力状态、增加围压，从而提高围岩的承载能力、改善巷道的支护状况；巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。3.6 锚杆的种类锚杆是锚固在煤、岩体内维护围岩稳定性的杆状结构物。目前，国内外适用于不同条件、具有不同功能和用途的锚杆有数百种，按锚杆与被锚固体（煤、岩体）的锚固方式大体可分为粘结式、机械式、摩擦式三种；按锚固段的长短可分为端头锚固、全长锚固和加长锚固；按锚杆杆体的工作特性可分为刚性锚杆和可延伸锚杆；根据锚杆强度的大小可分为普通锚杆和高强度（超高强度）锚杆。锚杆支护一般要把锚杆和其它一些支护材料结合起来，例如金属菱形网，塑料网，W钢带，以更好地强化对巷道的支护作用。在此，也把这些支护形式算入锚杆支护的形式。4 工程实例（锚杆支护技术的应用）4.1概述 煤巷锚杆支护技术是我国煤矿重点推广普及的先进技术成果之一。20 世纪90 年代，该技术在神东集团大柳塔矿先后经历了试验、推广普及,逐渐趋于成熟到大规模发展的过程。接下来我们以神东煤炭集团大柳塔煤矿大柳塔井5-2煤大巷为例，介绍了锚杆支护技术在特大断面巷道支护中的应用。4.2特大断面煤巷锚杆支护技术的应用4.2.1简介 神东煤炭分公司在研究巷道顶板力学性质、顶板岩石结构和进行巷道矿压观测基础上，用巷道围岩稳定性计算机数值模拟方法，模拟优化并最终给出特定地质采矿条件的巷道的锚杆支护参数，经过现场工程质量监测及试验，成功应用于神东矿区各矿井生产，现基本淘汰长距离巷道砌碹及金属支架等支护方式，采用锚杆、锚索、钢带、喷砼，局部破碎顶板增加钢筋网等支护方式，既解决了大巷支护问题，又取得了良好的技术效果与经济效益，形成了一套适应神东矿区地质条件并具有神东特色的巷道围岩控制与支护技术。现以神东分公司大柳塔煤矿大柳塔井下水平开采设计中的5-2以煤辅运、回风及胶运大巷设计为例，介绍特大断面锚杆、钢带、锚索联合支护技术。通常我们根据相关地质条件和生产条件进行支护设计。大柳塔煤矿大柳塔井田5-2煤层属鄂尔多斯沉积盆地中生代含煤建造一陕蒙侏罗纪煤田的一部分，地层区划属于华北区陕甘宁盆地分区5-2煤层厚度为4.977.38 m，平均厚度为6.15 m，瓦斯含量低，顶板以直接顶占优势，厚度14 m，最厚9 m，老顶一般厚2-7 m，最厚19.19 m，顶板岩性多为灰白色中、细粒砂岩，底板以粉砂岩、泥岩为主。埋深约200 m左右，煤层倾角为13，单斜构造，赋存稳定。煤层结构、水文地质及地质构造简单。大柳塔煤矿大柳塔井5-2煤辅运、回风及胶运大巷即布置于5-2煤层中。前期施工单巷长度为7 040 m，后期继续延伸，服务年限59 a。5-2煤层两翼开采，前期辅运大巷进风兼辅运、回风大巷回风，后期回风大巷进风兼辅运、辅运大巷回风。4.2.2 大巷断面设计与支护设计大巷断面设计：辅运、回风大巷断面参数。考虑到5-2煤层两翼开采的开采方式，辅运大巷断面参数与回风大巷断面参数相同。根据5-2煤层厚度及大采高综合机械化采煤方法的需要，辅运、回风大巷巷道断面高、宽度主要考虑液压支架等设备运输及通风断面要求。为了尽可能提高综采工作面回采率，5-2煤回采时采用现有最大采高综采煤机及液压支架，巷道高度主要根据整体运输的液压支架高度确定。现有最高液压支架为郑州煤机厂生产的ZY9000型，该液压支架支护高度为2863 m，液压支架运输时将支架降至最低28 m，支架车运输液压支架时离地高度约05 m(可小幅调整)，巷道顶部锚索支护外露015 m，因此，辅运、回风大巷所需净高度为3.45 m，考虑到以后煤厚7 m以上综采工作面回采时可能采用最大支护高度7 m以上液压支架，故预留部分高度，最终确定巷道净高度为4m；根据顶板岩性、现有支架车及辅助运输胶轮车车宽、错车宽度、安全距离及转弯半径等因素确定巷道净宽度为6 m(含0.3 m0.3 m水沟)。辅运、回风大巷砼底厚度主要考虑综采煤机等重型设备运输时的对地压力、巷道服务年限及底板岩性，最终确定砼底厚度为03 m。从矿井安全质量标准化建设考虑，为防止井下行车时喷溅泥水以至于污染车灯，使光线变暗，故巷道两侧设置反光镜台，巷道形成后安装反光贴纸，在车灯灯光照射下形成类似于飞机跑道两侧灯光的效果，利于井下安全行车且美观；主运大巷断面参数。主运大巷高度主要考虑胶带机快速安装、检修行车高度及单侧安装排水管路需要，确定巷道净高度为355 m，巷道宽度考虑胶带机宽度、胶带机安装、检修行车宽度及排水管路安装需要的宽度，确定巷道净宽度为6 min最终确定5-2煤辅运、回风大巷设计掘进断面为2654 m2，掘进高度437 m，掘进宽度614 m；净断面为2400 m2，净宽60 m、净高40 m；5-2煤胶运大巷设计断面尺寸为：设计掘进断面为2326m2，掘进高度377 m，掘进宽度614 m；净断面为213 m2，净宽60 m、净高355 m，巷道为矩形全煤巷道，属于特大断面巷道(S净20 m2)。巷道断面经通风计算满足通风要求。4.2.3 巷道掘进方式与巷道支护设计巷道掘进采用神东矿区已经推广普及的连续采煤机掘进，该掘进方式施工进度快、工期短、掘进施工对巷道围岩破坏及影响小，适用于神东矿区浅埋深、近水平煤层复存条件和低瓦斯、顶板较稳定的开采条件。巷道支护设计：根据巷道断面设计数据、按照相关公式计算比较，确定锚喷支护各项参数。大巷支护初次采用树脂锚杆和钢带组合支护系统，并进行锚索补强。根据巷道顶煤厚度及顶板岩性，为使锚杆能够有效的锚固到顶板岩层中，大巷顶板支护初次采用18 mm2 100 mm圆钢锚杆联合12圆钢钢带。锚杆锚固端长度为350 mm，扭矩大于100NM，锚固力大于49 kN，间排距l 100 mm1 000mm，矩形布置；托盘为120 mm120 mm 10mm钢板，树脂药卷规格为K23350 mm；从承受拉力及节省材料成本角度考虑，选用12圆钢钢带，规格为80 mm5 060 mm，钢带采用12钢筋加工而成，抗拉强度高、单位长度内钢材消耗量少，顶板不破碎的情况下相对于钢筋网支护具有优势，但顶板破碎处有可能漏矸石，支护效果弱于钢筋网，故局部顶板破碎处加挂钢筋网以防漏矸。补强支护根据顶板岩性及厚度采用17 -1,1524 mm8 000 mm高强度低松弛钢绞线锚索。锚索锚固端长度1 500 mm，预紧力大于100 kN，极限拉断力大于270 kN，延展率大于3，间排距2 000 mm3 000 mm，矩形布置，托盘为300 mm300 mm15 mm钢板，树脂药卷规格为Z23500 mm，采用3支树脂药卷；因巷道较高，巷帮需采取既节省又具备良好效果的支护方式，确定巷帮支护为钢带组合锚杆支护。锚杆为16 mm1 800 mm圆钢锚杆。钢带为10圆钢钢带，规格为80 mm5 160 mm，钢带采用10钢筋加工而成，挂钢带方向为沿掘进方向巷帮布置，使单位距离内巷帮形成整体，稳定性强，承受顶板压力效果好；5-2煤三条大巷为永久性巷道，服务年限长。为了防止煤岩风化，强度降低，进行喷砼支护。设计喷砼厚度为70 mm，喷砼强度等级为C20。先进行锚杆和钢带联合支护，然后喷砼。考虑到施工工艺协调，又能尽快封闭围岩，确定喷砼施工滞后于锚杆支护200 m。4.2.4 巷道矿压观测结果及优缺点1）巷道矿压监测结果5-2煤大巷现处于连续采煤机掘进阶段，已于大巷开口处设2个综合监测点，对已成巷巷道顶板进行矿压监测。通过监测，巷道锚固区内顶板离层平均值为16 mm，顶板55 m范围内岩层的总离层平均值也只有18 mm，顶板离层不大。顶板离层监测结果见图1。8, 图l顶板离层监测结果a一表面位移量；b一深基点顶点下沉量由此可见，锚杆、锚索支护设计参数合理，巷道围岩变形小，保证了巷道的稳定和安全。2） 支护方式分析优缺点：在特大断面巷道掘进支护工程中，锚杆、锚索分两次支护，能够有效地控制巷道顶板的下沉，确保巷道的稳定性，安全性；煤巷中锚杆支护采用四臂锚杆机施工，作业安全性高，劳动强度低、工效高；锚杆、锚索及钢带联合支护节约了大量支护和维修费用；该支护方式局限于顶板整体性较好、矿压显现不强烈的地质条件，对于破碎及矿压显现强烈的顶板，支护效果明显弱于加挂钢筋网和砌喧等支护方式。4.3大断面切眼联合支护技术的应用我们以神东煤炭集团石圪台煤矿大断面切眼为例，介绍了锚杆、网、锚索联合支护技术在大断面切眼支护中的应用。神东煤炭分公司综采工作面设备及其配套设备都是进口设备，由于综采设备的日趋大功率化、重型化，综采切眼趋向大断面方向发展。在这种条件下，传统的支护方式已不能满足神东矿区的快速发展要求，而锚网联合支护是主动支护，支护强度大、施工容易、支护成本低，能够有效地解决大断面切眼的支护问题。现以石圪台煤矿71201工作面切眼支护为例作以介绍。4.3.1工程地质概况石圪台煤矿71201工作面位于石圪台井田东北部的二盘区，所采煤层为1-2煤，煤层厚度为0647m，容重为13tm3，倾角为13。左右，单斜构造，覆存稳定。工作面大体沿煤层倾向布置，四周无采动影响。71201 工作面所在煤层为侏罗系中下统延安组第五段含煤岩系，埋藏深度401lOm，上覆基岩厚度为40100m，松散层厚度为430m，主要是风积砂。顶板以泥岩、砂岩为主，其中老顶为中、细砂岩，厚度为2131334m；直接顶为泥岩、粉砂岩，厚度为36113m，波状层理。直接底主要以泥岩、粉砂岩为主，厚度为13米，遇水易软化；老底为中、细砂岩，厚度为820m。4.3.2切眼支护设计1）切眼断面设计根据综采212作面设备配套尺寸及设备安装要求，71201 工作面切眼设计断面尺寸为：切眼长300m，宽85m，高37m，掘进断面为3145m2；净断面为2975 m2，即宽85m、高35m；切眼呈矩形全煤巷道。2）锚杆支护设计首先根据原始数据，按照有关经验和公式计算切眼顶板载荷，再根据围岩载荷确定锚杆支护形式和参数，然后计算巷道支护材料消耗和成本，得出支护设计结果：切眼初次支护采用高强度树脂全长锚固锚杆和金属网组合支护系统，二次支护采用锚索支护，并进行木点柱补强支护。切眼顶板初次支护采用Q161800mmA3圆钢锚杆联合10#铅丝金属网支护。锚杆锚固端长度为350mm，扭矩大于lOONM，锚固力49kN，间排距1 000mm，矩形布置，托盘为120120 lOmmA3钢板，树脂药卷规格为K23350mm；金属网为10#铅丝网片，网格为4545mm。二次支护采用17一15246500mm高强度低松弛钢绞线锚索。锚索锚固端长度1500mm，预紧力lOOkN，极限拉断力270kN，延展率3，间排距2 0003000mm，矩形布置，托盘为30030015nmaA3钢板，树脂药卷规格为Z23500mm。采用,p450mm松圆木点柱进行补强支护，木点柱间距2m。为了加强木点柱的补强支护效果，同时考虑到综采设备的安装，切眼巷道底板铺200ram厚C20混凝土。71201工作面切眼支护最终形成以锚杆、网、锚索联合支护为主，辅以木点柱补强的支护形式。切眼支护如图所示：切眼断面支护示意图(单位mm)4.3.3切眼矿压监测与支护结果分析根据上述方法确定支护方案并实施后，对切眼进行了全面系统的矿压监测。在切眼内每隔50m设一个观察站，每个测站安设一套离层指示仪，深基点深6m，浅基点深25m，对切眼的顶板岩层位移量进行观测。从切眼支护完成后到设备安装的2个月时间内，通过每隔10天的定期观察，发现切眼中部顶板岩层位移量最大，向两端逐渐减缓。切眼中部监测站岩层位移量与时间关系曲线如图所示：切眼顶板岩层位移量与时间关系曲线图通过切眼中部监测站的顶板岩层量与时间关系曲线图，可以得出以下结果：1)由于此工作面所在煤层埋深较浅，压力较小，顶板岩层比较稳定，深部离层量最大为16mm，浅部离层量最大为65mm。2)在巷道掘进后的30天内顶板岩层位移量变化较大，此后岩层位移量趋于平缓，顶板岩层位移量很小。3 )25m范围内岩层位移量很小，证明锚杆支护很好的控制了岩层位移，256m范围内岩层位移dz比较小，证明锚索支护有效地控制了顶板深部岩层的位移与变形。4)通过表面观测。未发现锚杆、锚索损坏现象，切眼中部木点柱受压后出现细小裂纹，表明木点柱起到了补强支护的效果。4.4.4结论1) 锚杆支护以其主动支护、及时支护、支护强度高的特点在煤巷掘进中得到了广泛应用，特别是在神东矿区得到了大规模、大范围地的应用。2） 在大断面巷道支护工程中，锚杆锚索分两次支护，能够有效地控制巷道顶板的下沉，确保巷道的稳定。3）大断面切眼支护充分利用了锚网索联合支护这一“主动支护”形式，高强度锚杆以加固为主，使其锚固范围内的顶煤形成“锚固平衡拱”，锚索以悬吊作用为主，把潜在冒落范围内的顶煤悬吊在上部比较坚硬稳定的顶板岩层上，加大“锚固平衡拱”厚度，阻止顶板岩层下沉及冒落。4）锚杆支护具有易施工、强度低、工效高的优点。总之，大断面切眼锚网索联合支护技术在神东矿区取得了很好的效果，有效地控制了顶板岩层移动，保证了围岩稳定，满足了矿井安全生产的需要，同时也取得了显著的经济效益和社会效益。4.4神东矿区锚杆支护技术的应用我们总结了神东矿区锚杆支护现状，分析并指出了推广应用过程中存在的问题，从生产现场应用技术及管理角度提出了神东矿区进一步加快推广应用煤巷锚杆支护的对策。4.4.1煤巷锚杆支护现状1）煤巷锚杆支护的应用范围目前，神东矿区煤巷锚杆支护主要应用于 15 号煤及煤层顶板，属于，类稳定性围岩，少量应用于，不稳定巷道中。在基建期间矿区少部分采用全长锚固类，如在补连塔1#煤总回采用管缝式锚杆、全长水泥锚杆；在由基建转入生产后大部分采用集中锚固类，有水泥、树脂两种锚杆，1994 年全部采用树脂锚杆。从巷道类型看有工作面运输、回风、切眼，盘区集中运输、回风、辅运，矿井主运、辅运、回风，此外，在综采工作面回撤通道和安装等特殊条件下，也大量应用。由于全矿区地质条件简单、煤层赋存条件好，巷道采用煤层巷道，围岩完整性较好，层理不发育，煤体抗压、韧性强度较高，锚杆支护常以悬吊树脂锚杆端锚为主，杆体一般用16mm，18mm，A3 圆钢加工而成，一部分采用变形钢筋（建筑用螺纹钢），长度一般为1.6m，1.8m；锚索采用多股钢绞线，长度一般为6.0m 左右；顶板以钢筋梁，W型钢板钢带；两帮采用木锚杆、可回收金属锚杆。综采工作面设备吨位大，设备搬迁采用进口支架搬运车，要求综采工作面安装空间大，拐弯半径大（最小为12m），切眼必须全部一次掘出，断面宽度一般在7.5m，内部个别硐室宽度达到9.0m，锚杆长度一般在1.61.8m，顶板破碎处加钢带梁，铺网。综采工作面回撤采用贯通、专用车多通道回撤法。在停采线位置预掘贯通巷，并采用锚、网、梁、索、单体、垛式支架等联合支护，锚杆长度根据情况一般为1.6m，铺设双层金属网。贯通前12m，在综采工作面打固定网锚杆，铺双层网。2）锚杆支护结构形式锚杆支护的结构形式主要有单一锚杆、锚杆+网、锚杆+ 钢带梁、锚杆+ 网+ 钢带梁、锚杆+ 网+ 钢带梁+ 点柱（单体）、锚杆+ 网+ 钢带梁+ 架棚+ 喷浆等形式。形式的选择主要取决于巷道围岩的性质，在，类较好的围岩巷道中一般选择单一锚杆，随着围岩条件的变化程度及断面增大，类围岩巷道采用锚杆+ 钢带梁、锚杆+钢带梁、锚杆+ 网+ 钢带梁+ 锚索等其他支护形式。 距在炮掘巷道锚杆布置有多种形式，有三花、五花、矩形等多种形式，间距一般情况下为1000mm1000mm，1000mm1200mm，巷中锚杆角度一般为垂直，两角锚杆根据钻孔机具，一般在65以下，以锚杆能锚固到巷道两帮煤壁上方里部为宜。连采、综掘为了适应快速掘进要求，一般采用纵横式，横向间距根据4 个钻具间距控制在1000mm，纵向间距在1000mm 和1200mm。3） 锚杆材料锚杆材料一般采用圆钢加工而成，屈服强度为240MPa，抗拉强度为380MPa，杆体直径在1618mm,锚杆破断力100kN。变形螺纹钢18mm杆，经实验室检测锚杆破断力190kN。随着矿井的发展，逐步向深部延伸，根据现在锚杆支护技术发展，矿区也将以无纵筋、左旋、自带丝扣矿用螺纹钢作为锚杆杆体。（1） 锚杆杆体以前锚杆一般采用切削式车丝扣，杆尾直径缩小，锚杆实际破断力减小35。现杆尾采用冷拔、滚丝工艺，锚杆质量有了很大提高。由于在神东矿区特殊的管理机制下，年产500万t上以国内用户为主的大柳塔、补连塔、活鸡兔、榆家梁煤矿，同年产100 万t以上的出口煤基地上湾、哈拉沟、康家滩煤矿并存，条件各不一样，锚杆要求也不一样，有两种端头锚杆，一种是35mm，另一种是23mm， 端头锚固长度有350mm，390mm，800mm 等几种。锚杆杆体大多数采用1618mm、A3的圆钢，杆头作左麻花，用垫片制作止挡圈。18mm变形钢筋锚杆常用建筑螺纹钢来加工，少量采用无纵筋矿用螺纹钢，锚杆杆体加工简单，端头常切割成45斜面，或锻成正方体。但钢筋杆体锚固段抗拉强度高，杆体阻力大，不单独作麻花端头，本身螺纹、锚固剂、煤（岩）孔成为一个整体，常用在28mm 小钻孔内，帮上锚杆一般采用木锚杆或金属可回收锚杆。锚索直径为15.24mm，采用多根钢绞线，最大锚固力为260kN，预紧力为120kN锚固长度为800mm，钻孔直径为28mm，锚索长度为6.0m，钻孔采用风动锚索（杆）机。（2）螺母以前对锚杆螺母未引起足够的重视，经过现场冒顶事故分析，螺母扣破坏引起锚杆失效占一定比例，普通螺母强度应引起足够重视。现在一般锚杆采用高强度、厚度20mm专用螺母；连采机掘进锚杆为双螺母；杆体采用矿用螺纹钢后，相配套应采用专用大螺距、粗牙螺纹螺母。（3） 锚固剂在基建期间，锚固剂有水泥、树脂两种，为适应掘进要求开发出多种性能的锚固剂。另外，根据用户要求也加工各种长度的锚固剂，以适应各种锚杆、锚索要求。常用的、大量生产的锚固剂有快（K）、中（Z）两种，常用型号有3525、2335 型。（4） 锚杆托板、梁、网锚杆托板以前一直采用厚度为12mm、100mm铸铁托板；在补连塔煤矿1306 运顺巷中，采用可调整角度的铸钢托板（专利）；现大部分采用抗压、抗拉强度大的铸钢托板，厚度为10mm，规格为120120mm；锚索托板一般厚20mm，规格为250mm250mm。锚杆支护在基建期间，少量采用W 型钢带，用薄钢板制成，有很好的支护效果，但成本高。现在钢带采用1416mm圆钢加工而成，宽度为100mm 左右的梯子型钢带梁，长度一般等同于巷道宽度。网是锚杆支护的辅助支护材料，应用较多的是普通经纬、菱形金属网，以前少部分外购双抗塑料网，网片尺寸一般与巷道掘进循环进尺、巷道宽度模数相适应，以方便操作使用。4) 锚杆支护机具在连续采煤机掘进、采煤工作面，采用引进澳大利亚约翰寒芬雷公司生产的ARO-40-ERLMB-CWT4型锚杆机，最大支撑高度4.8m，四缸型，矿区共有18 台。在综掘、炮掘巷道工作面采用石家庄煤机厂生产的MQT-50C 系列风动锚杆钻机，锚索机采用江阴矿山器材厂生产的MQT-85J-33 风动锚索（杆）机，搅拌器具用以上锚杆机。4.4.2 高强度锚杆支护技术的应用 神东是一个新型矿区，每矿均为“一井一面”，产量、推进长度大，补连塔煤矿三采区7 个面，顺槽长度均为5000m，正在开采3202面为亚洲第一长工作面，顺槽宽度都在5.0m 以上， 高度在3.6m，一般采用锚杆、网等联合支护。3202 运输顺槽由于受相邻工作面采动影响，顶板下沉量大，片帮严重，给3202 运输顺槽使用带来困难。根据这一情况，在原来支护基础上采用高强度锚杆、锚索补强支护。两边锚杆长度为1.8m，一侧帮锚杆在回采侧，采用金属可回收锚杆，锚杆长度1.6m，锚杆间距6.0m，锚索为多根钢绞线树脂锚固，长度为200mm 用上述支护后，顶板下沉量小于200mm，锚杆受力小于40kN，表明锚杆、锚索支护效果显著，减小了巷道围岩变形，保持了巷道的安全状态，如图1.图1 3203运输顺槽补强支护1锚索;2高强度螺纹锚杆；3可回收锚杆4.4.3 神东矿区锚杆支护的主要问题与对策1) 锚杆支护的认识更新过去认为巷道围岩应力集中，变形大，顶板破碎的巷道不应使用锚杆，而新的锚杆支护实践证明解决这类巷道支护的根本出路是锚、梁、网、索支护这一主动支护形式。煤巷锚杆支护除能降低巷道支护成本及巷道服务期内的费用（平均每米巷道节约50 元），提高巷道掘进速度（50），减少人工劳动强度，更重要的是它能够有利于回采工作面上下出口维护，使工作面推进速度大幅度提高，同时还缩短了综采工作面搬家倒面时间，提高单产，综合经济效益显著。与此同时，要重视锚杆支护质量，特别是对煤顶稳定，顶煤厚度大于0.5m 时容易忽视支护质量问题，而发生冒顶事故。为此，在矿区范围内要提高对煤巷锚杆支护的认识，加大推广煤巷锚杆支护技术的力度。2） 建立一套矿区锚杆支护理论和技术规范基层技术人员在设计时，缺乏理论指导，不是浪费了材料，就是给回采、掘进带来隐患。因此，有必要与有关科研院所、大专院校合作，建立一套能够指导矿区锚杆支护的理论，编制出矿区锚杆支护技术规范，在提高锚杆锚固水平的同时，合理确定锚杆参数、布置方式，减少成本的支出。3） 完善配套机具和锚杆支护检测监控手段进一步改造已建立的锚杆支护材料厂，生产同锚杆机具相适应的体积小、重量轻的液（气）动扳手、搅拌连接卡具等辅助机具；将进口锚杆机钻具国产化，以满足矿区发展需要。现场检测监控是煤巷锚杆支护技术的重要组成部分，也是锚杆支护动态信息设计方法的核心内容之一。为此，在现场围岩强度测量和对巷道围岩岩性和强度分布状况了解的基础上，利用新购置的多点位移计、顶板离层指示仪、测力锚杆，对围岩移动和锚杆受力实施检测监控，及时修改完善一些重大锚杆支护设计，更好地为矿区服务。4.5 锚杆支护技术在掘进巷道开头处的应用1）沿顶板锚杆支护巷道开头位置的应用。施工方法：在开头范围内加打锚索，在新掘巷道开头上顶加打顶锚杆，以对开头范围加固。锚索的布置：鉴于工作地点顶板岩性和设计掘进巷道交叉范围大小不同，故此锚索的根数和锚索的间距也不相同。一般情况下，开头交叉位置范围内加打锚索时，锚索在原有巷道中顺该巷道方向按三排交错五花布置。锚杆的布置： 原有巷道内开头侧顺原有巷道方向加打一排顶锚杆，对开口侧巷道上顶进行加固。施工注意事项：开头处锚索的布置是最重要的，故一定要根据现场顶板和支护的实际惰况合理选点。锚索加固范围要大于开头范围两侧各0.5 m以上，锚索距原有巷道两帮的距离不得大于0.5m；开头侧加打的顶锚杆间距不得大于原巷道中的顶锚杆间距，加打顶锚杆的范围大于设计掘进巷道与原有巷道交叉范围两端头各1.0m ，且该加打一排顶锚杆距原有巷道上顶靠近巷帮的末相。锚杆的间距不得大于0.5m。2）沿板架棚巷道开头位置的应用。该施工方法应用于原有巷道为架棚支护，而设计掘进巷道为锚杆支护。施工顺序及施工方法：技术人员根据设计掘进巷道与原有巷道的交叉关系，在原有巷道中标定两巷交叉范围和交叉范围前后各5m的锚杆支护与拱形支护的交叉范围； 巷道上顶棚梁空内加打顶锚杆完成锚杆支护与拱形支护间的5m 搭茬工作；采用替回施工方法用锚杆支护替换原有的拱形支护； 交叉范围内加打锚索加固； 在开头侧顺原巷道方向加打一排顶锚杆以作好对巷道开头处的超前支护加固工作。 施工注意事项：拱形支护与锚杆支护间的5m 搭茬范围内，必须保证锚杆的锚固质量，井且顶锚杆螺母必须拧紧， 扭紧力矩不小于100 N m；替回施工时，要处理掉顶板上的浮岩， 井使所打顶锚杆的托盘与上顶间严格接实， 局部地点由于现场情况限制无法与上顶接实处必须在该位置200mm 范围内补打单根顶锚杆；锚杆、锚索要与顶板垂直；巷道两侧锚索距离巷帮不大于0.5 m；开头侧加打的超前支护顶锚杆，其支护范围要大于设计掘迸巷道与原巷道交叉范围两侧各1.0m。3）沿底托煤顶锚杆支护巷道开头处的应用。施工方法：在开头范围内加打锚索，在新掘巷道开头侧上顶加打顶锚杆，对开头处加固。锚索的布置： 在设计掘进巷道与原巷道交叉范围内顺原巷道方向按三排交错五花布置:锚索问距2.0 2.5m ，邻近原巷道巷帮的锚索距巷帮的距离不大于0.5m 。锚杆的布置：原有巷道内开头一侧顺巷道方向加打一排顶锚杆，对开口侧巷道上顶进行加固，锚杆间距同设计掘迸巷道的设计间距，该排顶锚杆范围大于设计掘进巷道与原有巷道交叉范围两端头各1.0 m。施工注意事项： 该处所加打的锚索，要根据现场情况，掌握好每个锚索孔内所装的树脂药卷的数量及装药的操作质量，以达到锚索的锚固质量符合规定要求； 该处锚索的锚固端进入顶板的深度应不小于l .5 m。4.6 锚杆支护技术在过断层时的应用锚杆支护过断层的关键在于对断层面处破碎煤肝的控制和对所揭露的断层上下盘煤岩体的初期控制， 井对该处及时锚索加固。1）锚杆布置：根据现场情况，缩小顶锚杆间、排距，在一般情况下，顶锚杆间、排距不大于0.6m。2）锚索布置：沿板巷道中对断层位置的控制主要表现在对断层处下降盘沿断层面走向的板棱处的控制，故锚索在该盘板棱处顺断层走向布置，锚索距板棱走向的法线距离0.5 1.0m 。同一盘顶板邻近断层面处补打锚索，以对断层面位置两侧进行必要的加固。3）注意事项：过断层前先准备拱形支护或木柱、单体液压支柱、托板