桁架支護方案(石圪臺煤礦)

1、JennmarJiningMine Roof Support Products Co.鄂爾多斯市烏蘭煤炭集團公司石圪臺煤T131201回風順槽繞道支護方案石 圪 臺 煤 礦捷馬濟寧T山支護設備制造2022年08月 05日1 概述烏蘭集團石圪臺煤礦 131201采煤工作面位于 3-1-2煤層中部，為 3-1-2煤層首采面， 采長 150米，走向長 858米。131201工作面回風順槽繞道沿 3-1-2煤層中部掘進， 順槽 繞道頂板留設1m厚的頂煤。順槽繞道埋藏深度為 5070米。其與原掘進的131201采 煤工作面回風順槽之間留設 15米的煤柱。 3-1-2煤層頂板為 3.6米的砂質泥巖，遇水易

2、 膨脹軟化，其上為 3-1-1 煤層房柱式開采采空區(qū)。為防止 131201工作面回風順槽繞道在工作面回采時發(fā)生破壞，現(xiàn)對其支護方式進 行重新設計。2 近距離煤層采空區(qū)下順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護可行性分析錨桿桁架系統(tǒng)支護作用機理分析錨桿桁架系統(tǒng)是一種控制巷道頂板、巷道兩肩和側幫變形的聯(lián)動結構，該組合式 桁架系統(tǒng)不僅可以改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，而且還可以有效的限制巷道頂板的變形， 并將頂板的變形延伸到巷道兩側。錨桿桁架系統(tǒng)的力的作用示意圖如圖 1 所示。同時， 錨桿桁架結構對控制垂直節(jié)理的作用非常明顯。圖1錨桿桁架系統(tǒng)力的作用示意圖錨桿桁架系統(tǒng)支護是一種理想的支護手段， 其不僅是貼頂支護，而且可以施加

3、較大 的預應力，實現(xiàn)主動支護。因此錨桿桁架系統(tǒng)是支護近距離煤層采空區(qū)下順槽的有效手 段，具有良好的支護效果。煤層順槽錨桿桁架系統(tǒng)支護的可行性研究說明：預應力錨桿可有效提高圍巖的剩余強度，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。 錨桿與其錨固范圍內的錨固體構成一種錨固支護體， 在錨桿的約束與抗剪作用下，使塑 性破壞后易于松動的煤巖體形成具有一定承載能力并可適應圍巖變形的錨桿平衡拱，從而提高頂板的整體性，防止頂板松散冒落。從巷道縱向看，錨桿支護形成的錨固平衡拱 是掘進迎頭空頂上方頂板自穩(wěn)的根底。因此，使用錨桿支護可以有效地阻止頂板松散冒落。巷道支護關鍵是頂板， 只要錨桿能保持頂板的穩(wěn)定， 護幫并不難。 通過對

4、錨桿支護 后圍巖穩(wěn)定性分析研究， 認為試驗巷道采用錨桿支護是完全必要的。 但是，考慮到頂板 為典型的復合頂板， 且中間為煤層， 同時上方為采空區(qū)的特殊條件， 采用長錨索或增加 錨桿長度的方法是不可行的， 而錨桿桁架系統(tǒng)很好地解決了以上問題。 根據(jù)現(xiàn)場的實際 考察，認為錨桿桁架系統(tǒng)支護試驗是十分必要的， 通過試驗研究以期確定理想的錨桿聯(lián) 合支護形式和科學的錨桿桁架系統(tǒng)支護參數(shù)。3巷道圍巖應力分析與支護設計3.1頂板巖層平安評價系數(shù) 莫爾庫倫平安系數(shù)為了確定巷道頂板錨桿長度，莫爾庫倫平安系數(shù)法是確定巷道圍巖破壞范圍的常用 方法，莫爾庫倫平安系數(shù)評價公式：SF式中：K與最大主應力有關的內摩擦角；3最

5、小主應力； C內摩擦系數(shù)。3.2計算模型與計算參數(shù)為了分析描述回風順槽繞道的受力狀態(tài)，如最大主應力、最小主應力和剪應力等受力指標，構建了 2-D有限元分析模型。計算巷道寬度：3.4 m計算巷道高度：2.4 m計算深度：巷道埋藏深度按70m計算。圖2為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=_二亙一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-訥ZV =1 DIST=1379 ¥F -S94 Z-BUFFE&一 a-一 =?a?一 !_ 一!»一 _>>

7、*_ Winssxaa _= =L盂 S H =£:=- =SE 一1E±圖2有限元計算模型3.3圍巖應力分析最大、最小主應力分布:圖3、4為有限元計算所得巷道圍巖應力分布圖，圖 3為最大主應力分布圖，圖4為最小主應力分布圖圖3最大主應力分布圖圖4最小主應力分布圖莫爾庫倫平安系數(shù)分布： 基于最大主應力和最小主應力計算結果，計算了莫爾庫 倫平安系數(shù)，圖5是巷道周圍莫爾庫倫平安系數(shù)分布圖。從本圖可以看出，直接位于 煤層上方的0.6m的砂質泥巖平安系數(shù)小于1.0o圖5巷道周圍平安系數(shù)分布錨桿長度確定：從上述平安系數(shù)分布結果看，最小的錨桿長度應該錨固在煤層上方 的砂質泥巖中，根據(jù)此

8、限制，考慮到一定的平安系數(shù)，頂板錨桿長度選擇為2.2m。3.4錨桿形式與支護參數(shù) 錨桿類型與支護結構確實定由于31 1煤層已經采用房柱式開采采空，留下了煤柱的應力集中區(qū)，頂板控 制的關鍵是：1組合梁：根據(jù)組合梁理論，采用高強度高預應力錨桿，將 3 1 2的頂煤、 偽頂和煤線及砂質泥巖組成一個完整的組合梁。以提高該組合巖層的自承載能力。2懸吊：由于上部采空區(qū)的限制，采用長錨桿和錨索懸吊在此特殊地質條件下 是不可能的。因此，為懸吊和限制錨桿加固范圍內的組合梁， 采用錨桿桁架系統(tǒng)是較好 的選擇。最終支護方案：錨桿桁架系統(tǒng)+高強預應力錨桿。圖 6為選定的頂板支護方案。單位：mm譽道中丄線3400說明：

9、頂板鐳桿長度均為2200顧 直衿為18曲；傾斜錨桿長度為2400HLH,也輕為2恤加水平備索線的盲衿為15, 2ta兀7207職酬軟対麻因200n錨桿13120lmmw圖6頂板錨桿桁架系統(tǒng)支護方案錨桿安裝應力確實定錨桿支護一種主動支護方式，適宜的安裝應力是發(fā)揮錨桿支護效能的關鍵。有效的錨桿安裝應力應該取得下述支護效果:頂板巖層中無離層發(fā)生;頂板巖層中的拉應力區(qū)和拉應力值應該盡量小為了設計科學有效的安裝應力，本設計進行了有限元分析。圖7所示為安裝應力計算有限元模型。此模型中包括 2根垂直錨桿和1套桁架系統(tǒng)。垂直錨桿長2.2m。桁 架傾斜錨桿長2.4m。傾角45度。模型計算所選取的錨桿排距為1.0

10、m。為了獲得最正確 的安裝應力值，通過改變錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝應力，進行支護設計參數(shù)的優(yōu)化計算。 共計運行了 10個模型，下面是局部運行結果：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毎厲r-R

11、2圖7安裝載荷有限元計算模型(1) 3噸安裝應力圖8是在3噸安裝應力下的頂板變形和應力分布。在此安裝應力下，無頂板離層 發(fā)生。在巷道上方約的范圍內存在一個拉應力區(qū)。 所以此安裝應力不能保證形成理想的 組合梁，為了提高組合梁的承載效果，減小拉應力區(qū)范圍，錨桿安裝應力需要進一步提圖8圍巖應力分布與圍巖變形計算結果3噸安裝應力(2) 4噸安裝應力圖9是在4噸安裝應力下的頂板變形和應力分布。在此應力下，無頂板離層發(fā)生。拉應力區(qū)根本消除，組合梁效果根本到達。因此，錨桿安裝應力選定為4噸以上。圖9圍巖應力分布與圍巖變形4噸安裝應力-299S -1000 -SOO -200 -100 -10 -sD4錨桿直

12、徑確實定依據(jù)錨桿安裝應力計算結果，錨桿的安裝應力不應大于錨桿抗拉強度的50%。因此錨桿的最小承載能力應為12噸。(1) 靜載荷計算：所選定的頂板支護系統(tǒng)至少應該滿足頂板垂直靜載荷的需要。經計算最小靜載荷為6噸，考慮1.5的平安系數(shù)，錨桿的最小承載能力為 9 噸。(2) 要求錨桿安裝應力不小于錨桿抗拉強度的50%，所以錨桿的最小抗拉強度應該12噸。根據(jù)上述計算結果，垂直錨桿直徑選用18m m,傾斜錨桿直徑選用 20mm設計中所選用的高強度阻尼螺紋鋼錨桿的力學性能為：18mm屈服強度大于13噸，抗拉強度大于16噸。20mm屈服強度大于16噸，抗拉強度大于20噸。結論基于石屹臺煤礦現(xiàn)有的地質采礦條件

13、，通過頂板控制分析和有限元模型計算，有限 元模型計算進行了圍巖應力分析、安裝應力確定和支護方案的選擇，通過上述綜合分析 與計算，得出如下結論：1錨桿長度：頂板垂直錨桿采用長度為 2.2米的高強度阻尼螺紋鋼錨桿，傾斜 錨桿長度為2.4米。安裝載荷：安裝載荷對頂板的綜合承載能力起著重要的作用，經過多個模型的優(yōu)化 計算，確定安裝載荷應不小于4噸。2桁架系統(tǒng)：為了確保3 1 2煤層及頂板的穩(wěn)定性，選用錨桿桁架系統(tǒng)。3 錨桿直徑：頂板錨桿直徑為 18mm,傾斜錨桿直徑為 20mm。4間排距：模型計算中排距是按1.0m計算的，并考慮了必要的平安系數(shù)。在 產品試用期建議排距為0.9m最終的支護設計方案如圖6

14、所示圖10錨桿桁架系統(tǒng)結構示意圖3.6材料消耗表表1每米巷道材料消耗表編名稱規(guī)格配置單數(shù)單價備注號位量元1高強扭矩應力錨桿也0 2400 mm阻尼螺母、“三明治墊圈、高強150X 150X8mm托 盤套用于傾 斜錨桿2高強扭矩應力錨桿18 2200 mm阻尼螺母、平墊圈、咼 強 150x 150x 8mn托盤套用于垂直錨桿3桁架托盤150x 250mm個4桁架角個5U型卡個6球形墊圈個7水平錨索巾15.24 2400mm等級：1860條8錨索索具巾套9樹脂K2335支合計每米巷道支護費用為元此外，為配合錨桿和桁架系統(tǒng)的安裝，應備有錨桿攪拌器、T型扳手、扭矩放大器、 錨索張拉器等施工機具。4 井

15、下工業(yè)性試驗及礦壓觀測4.1 試驗巷道概況本次試驗施工巷道為 312 煤層的 131201工作面回風順槽繞道。巷道頂板從下 往上依次為1m的3- 1 2煤層、0.3m的偽頂、0.1m的煤線、3.6m的砂質泥巖、3- 1-1煤層房柱式開采采空區(qū)，巷道底板為砂質泥巖。巷道埋藏深度大致為60m,巷道為矩形。試驗巷道錨桿桁架系統(tǒng)的排距定為 m。4.2 錨桿施工工藝 為了充分發(fā)揮每根錨桿的作用，正確的安裝錨桿對于有效地控制頂板，減少錨 桿用量， 提高掘進速度都是至關重要的， 因此必須重視錨桿的安裝。 合格的錨桿安裝后 應具有足夠的安裝載荷， 最大的拉拔力以及合理的錨桿外露長度。 為此根據(jù)安裝質量要 求編

16、寫了錨桿的安裝說明書。錨桿安裝過程如下：1鉆孔 鉆孔直徑 ：根據(jù)設計支護需要的錨桿的實際情況而定。一般鉆孔直徑為28mm。 鉆孔深度：鉆孔深度需大于錨桿有效長度3050mm錨桿的有效長度是指從安 裝錨桿托盤的內側外表到錨桿的端部的距離。 一般的講， 鉆孔深度與安裝錨桿的長度一 致即可。 鉆孔角度： 按照設計要求的角度進行施工。 釬桿標記 ：為了準確鉆孔深度， 需在釬桿上做鉆孔深度標記， 用卷尺從鉆頭開始 向下做一與錨桿長度一致的標記。 鉆孔施工： 用錨桿鉆機按鉆孔深度和角度要求嚴格施工。 鉆孔沖洗： 鉆孔施工至孔底后，上下移動鉆桿，對鉆孔進行沖洗。2扭矩應力錨桿安裝 錨桿組裝： 將錨桿減阻墊圈

17、和錨桿托盤按先后順序穿入錨桿。 對于桁架系統(tǒng)的傾 斜錨桿需要先穿球形墊圈，再穿桁架角、最后穿桁架托盤。 裝 樹 脂：將樹脂用錨桿推入鉆孔， 推入樹脂時要用力均勻， 盡可能不要把樹脂 穿破。 鉆機推樹脂 ：然后將錨桿接入鉆機， 用鉆機將錨固劑推至鉆孔深處， 直到頂不動 為止。 攪拌錨固劑 ：啟動鉆機旋轉攪拌錨固劑，同時鉆機推力也要調至最大，攪拌 時間根據(jù)錨固劑的型號而定，一般的快速錨固劑攪拌1020秒即可。 托盤與頂板間隙：錨固劑攪拌結束時，要確保錨桿托盤與頂板之間有1015mm的間隙。 翻開阻尼 ：攪拌錨固劑后，需停頓 4060秒適用快速樹脂錨固劑，啟動錨 桿鉆機鉆機只旋轉不推進翻開螺母阻尼，

18、并用錨機將螺母擰緊。 提高安裝應力： 鉆機擰緊螺母后卸下鉆機， 再用手動扳手或者扭矩放大器， 給錨 桿施加符合設計要求的安裝扭矩或安裝應力。錨桿安裝可以總結為： 一推推樹脂入孔到規(guī)定位置 ，二轉旋轉攪拌樹脂，三 等等樹脂充分凝固 ， 四緊緊固螺母 在安裝過程中要嚴格按安裝步驟。否那么會出現(xiàn)“長尾錨桿或打不開阻尼現(xiàn)象。 這會大大影響錨桿支護效果甚至失效。4.3 錨桿桁架系統(tǒng)施工工藝錨桿桁架系統(tǒng)安裝說明錨桿桁架系統(tǒng)示意圖1傾斜錨桿與垂直錨桿的安裝步驟同上 2水平錨索安裝將U型卡一端掛在桁架角上，再將鋼絞線的一端穿入U型卡中的錨索索具內。以相 同的方式安裝另一端的U型卡和錨索。水平鋼絞線長度必需大于

19、兩端 U型卡內的兩索具 直線距離200mm確保兩端的錨索外露150mm錨索穿入U型卡中的索具后，用錨索張 拉器拉緊錨索，并到達所需的八噸張拉力。在底板組裝方法：將兩個U型卡分別放置在巷道底板上，將鋼絞線穿入安裝在 U 型卡上索具中，然后在將U型卡掛在桁架角上，用錨索張拉器張緊錨索，并到達所需的 張拉力。3中間錨桿安裝如果有頂板鋼帶，中間錨桿的安裝需要跟兩端的傾斜錨桿配套安裝， 然后再安裝水 平錨索。4考前須知 確保兩端的錨索索具位于U型卡的中間； 水平錨索必需到達設計的張拉力； 錨桿安裝時必需用扭矩扳手將錨桿螺母擰緊至所要求的扭矩； 在張拉錨索時，手或手指不能靠近錨索張拉器的伸縮頭附加。4.4

20、特殊條件下加強支護措施巷道施工過程中，局部地區(qū)受地質構造影響，煤體松軟，頂板下沉量較大，或在巷 道的交岔點局部，根據(jù)頂板情況，應適當補打錨索或架棚進行加強支護， 保證施工平安4.5礦壓觀測結果與分析為全面檢查131201采煤工作面回風順槽繞道錨桿桁架系統(tǒng)支護的支護工作狀 態(tài)，監(jiān)控巷道所受到的采動影響，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度， 以便及時采取措施。通過監(jiān)測來驗證設計的正確性，檢驗支護質量，同時為修改設 計提供科學依據(jù)。 本次監(jiān)測的主要內容包括：巖體外表位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、 錨桿受力監(jiān)測及錨桿錨固力檢測四個方面。4.5.1巖體外表位移監(jiān)測1斷面位置及間距斷面位置為以采用錨桿桁架

21、系統(tǒng)支護點為分界線向掘進方向布置，每隔30m布置一個觀測斷面為監(jiān)測斷層附近或特殊圍巖條件的巷道變形，斷面間距可以適當 擴大和縮小。2測點布置方式及施工要求錨桿桁架系統(tǒng)支護的測試斷面測點布置圖如以下圖所示。測點頂板A測點LEt測點煤壁煤壁底板測點布置圖施工技術要求： 要保證A、B測點的連線與底板垂直，C、D的連線與底板平行。 為準確定位測點位置，需在各測點所在位置的煤巖體內打一個深，直徑為29mm的鉆孔，然后在鉆孔中央放置一段長，直徑為 20mm勺螺紋鋼，并用快硬水泥把鋼筋固 定在鉆孔內，鋼筋要露出頂板20mm 測點布置后，應注意保護斷面，防止測點被破壞。3測試時間安排及測試要求 測試斷面布置的當天進行第一次測量，以后根據(jù)測試斷面距采煤工作面的距離而 定。當測試斷面距采煤工作面 010m范圍內，每天觀測1次；1120m范圍內，兩天 觀測