桁架支护方案(石圪台煤矿)

1、JennmarJiningMine Roof Support Products Co.鄂尔多斯市乌兰煤炭集团公司石圪台煤T131201回风顺槽绕道支护方案石 圪 台 煤 矿捷马济宁T山支护设备制造2022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 5070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

2、 膨胀软化，其上为 3-1-1 煤层房柱式开采采空区。为防止 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

3、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说明：预应力锚杆可有效提高围岩的剩余强度，充分发挥围岩自身的承载能力。 锚杆与其锚固范围内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根底。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

4、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顶板岩层平安评价系数 莫尔库伦平安系数为了确定巷道顶板锚杆长度，莫尔库伦平安系数法是确定巷道围岩破坏范围的常用 方法，莫尔库伦平安系数评价公式：SF式中：K与最大主应力有关的内摩擦角；3最

5、小主应力； C内摩擦系数。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：3.4 m计算巷道高度：2.4 m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。ihifafefelfeBfehBBbhhhlBIIIIhllll I 冋和 III Will :EKKKKBKtBKUhUBIIalbilli K«frKKIkbKlkhU«.INibB|i :KKK KKIhKbKLK&LUIhIjaibiilifchUiiliaihillb in tLUKII

6、ilbilll hlbBllilbilliittHiasisisiAUSYS 5.3 HAA 30 2005 00:0:43 ELEMENTS MAI NUMUPATH二=_二亘一E-=-三-三= 三 =_-三一 =_-=三二三 _ _= I =_= 一 -_ 三=三= =E-_s_=_=_=_=_一二=一=_=_=_=_=-=-= =_=EE=1 =二三芝=圭=初 =_=_=££=M sEfu=±-M ke-m-讷ZV =1 DIST=1379 ¥F -S94 Z-BUFFE&一 a-一 =?a?一 !_ 一!»一 _>>

7、*_ Winssxaa _= =L盂 S H =£:=- =SE 一1E±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平安系数分布： 基于最大主应力和最小主应力计算结果，计算了莫尔库 伦平安系数，图5是巷道周围莫尔库伦平安系数分布图。从本图可以看出，直接位于 煤层上方的0.6m的砂质泥岩平安系数小于1.0o图5巷道周围平安系数分布锚杆长度确定：从上述平安系数分布结果看，最小的锚杆长度应该锚固在煤层上方 的砂质泥岩中，根据此

8、限制，考虑到一定的平安系数，顶板锚杆长度选择为2.2m。3.4锚杆形式与支护参数 锚杆类型与支护结构确实定由于31 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范围内的组合梁， 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。单位：mm誉道中丄线3400说明：

9、顶板镭杆长度均为2200顾 直衿为18曲；倾斜锚杆长度为2400HLH,也轻为2恤加水平備索线的盲衿为15, 2ta兀7207职酬软対麻因200n锚杆13120lmmw图6顶板锚杆桁架系统支护方案锚杆安装应力确实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:顶板岩层中无离层发生;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1.0

10、m。为了获得最正确 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，下面是局部运行结果：hhhsGl一-4*EEE-BEE-K-EEfa-EE_EEEta-GE_ErElElHiE-IElijhI釦hlhlK.IblblEIILIi!lKIE-EEtoEEKhh £ £*!-Bhu MM5AS-Khu一M HLir.riM £!*EfilE bfcE_ANSYS 5.3 MAR 2 300523:53:37ELEMENTSMAT NUMZV =1DI5T-2E7.4YF =243Z-BUFFEHfh毎厉r-R

11、2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。在巷道上方约的范围内存在一个拉应力区。 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，减小拉应力区范围，锚杆安装应力需要进一步提图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。拉应力区根本消除，组合梁效果根本到达。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-299S -1000 -SOO -200 -100 -10 -sD4锚杆直

12、径确实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的平安系数，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18m m,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。结论基于石屹台煤矿现有的地质采矿条件

13、，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，并考虑了必要的平安系数。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

14、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名称规格配置单数单价备注号位量元1高强扭矩应力锚杆也0 2400 mm阻尼螺母、“三明治垫圈、高强150X 150X8mm托 盘套用于倾 斜锚杆2高强扭矩应力锚杆18 2200 mm阻尼螺母、平垫圈、咼 强 150x 150x 8mn托盘套用于垂直锚杆3桁架托盘150x 250mm个4桁架角个5U型卡个6球形垫圈个7水平锚索巾15.24 2400mm等级：1860条8锚索索具巾套9树脂K2335支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、 锚索张拉器等施工机具。4 井

15、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 312 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 m。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

16、写了锚杆的安装说明书。锚杆安装过程如下：1钻孔 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。 钻孔深度：钻孔深度需大于锚杆有效长度3050mm锚杆的有效长度是指从安 装锚杆托盘的内侧外表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。 钻孔角度： 按照设计要求的角度进行施工。 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。 钻孔施工： 用锚杆钻机按钻孔深度和角度要求严格施工。 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 锚杆组装： 将锚杆减阻垫圈

17、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。 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。 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。 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1020秒即可。 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1015mm的间隙。 翻开阻尼 ：搅拌锚固剂后，需停顿 4060秒适用快速树脂锚固剂，启动锚 杆钻机钻机只旋转不推进翻开螺母阻尼，

18、并用锚机将螺母拧紧。 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。否那么会出现“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型卡中的锚索索具内。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

19、两端 U型卡内的两索具 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，用锚索张 拉器拉紧锚索，并到达所需的八吨张拉力。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，用锚索张拉器张紧锚索，并到达所需的 张拉力。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考前须知 确保两端的锚索索具位于U型卡的中间； 水平锚索必需到达设计的张拉力； 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； 在张拉锚索时，手或手指不能靠近锚索张拉器的伸缩头附加。4.4

20、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 道的交岔点局部，根据顶板情况，应适当补打锚索或架棚进行加强支护， 保证施工平安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。 本次监测的主要内容包括：岩体外表位移监测、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岩体外表位移监测1断面位置及间距断面位置为以采用锚杆桁架

21、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以下图所示。测点顶板A测点LEt测点煤壁煤壁底板测点布置图施工技术要求： 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。 为准确定位测点位置，需在各测点所在位置的煤岩体内打一个深，直径为29mm的钻孔，然后在钻孔中央放置一段长，直径为 20mm勺螺纹钢，并用快硬水泥把钢筋固 定在钻孔内，钢筋要露出顶板20mm 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 010m范围内，每天观测1次；1120m范围内，两天 观测