預(yù)應(yīng)力控制圍巖錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

預(yù)應(yīng)力控制圍巖錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

1錨梁網(wǎng)支護(hù)應(yīng)用效果隨著煤礦的擴(kuò)建和采礦規(guī)模的擴(kuò)大，每年將挖掘一條14.15公里的新茂采路。由于深棕色“三軟”煤層，地質(zhì)條件復(fù)雜，道路圍巖松弛，圍巖松動，圍巖保護(hù)難以。經(jīng)過多次改造，從木框架、竹鋼、u鋼框架和端錨保護(hù)分支發(fā)展到適合特殊地質(zhì)條件的聯(lián)合支護(hù)網(wǎng)。錨網(wǎng)梁支護(hù)有許多突出的優(yōu)點,但是,目前兩巷采用錨梁網(wǎng)支護(hù)仍然存在一些急需解決的實際問題。根據(jù)地質(zhì)資料分析,施工范圍為二號石門以南,地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,由于本塊段位于F12~7斷層上盤,伴生斷裂構(gòu)造較發(fā)育,牽引現(xiàn)象明顯。而工作面北側(cè)有1條Fa斷層發(fā)育,該斷層走向約275°,傾角80°,落差約0~10m,對施工影響較大。巷道布置于-720m標(biāo)高C13煤層中,煤層賦存比較穩(wěn)定,平均厚6.8m;煤層傾角21°~47°,平均39°,硬度中等偏軟。偽頂為厚0~0.4m的深灰色薄層狀泥巖,易碎;煤層直接頂為1層厚0.6~3.6m的深灰色薄層狀砂質(zhì)泥巖,局部為砂巖;老頂為細(xì)粒砂巖,平均厚4.6~11.8m,較穩(wěn)定。直接底為厚1.4~16.7m的砂質(zhì)泥巖,夾C12煤;老底為厚2.4~5.5m的灰色砂巖。主要充水因素為老頂板砂巖水及構(gòu)造裂隙水。2錨桿抗剪能力當(dāng)巷道開挖后立即安裝錨桿,但未施加預(yù)拉力,只有當(dāng)圍巖的開裂位移達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭纫院?錨桿才起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用,這時圍巖已幾乎喪失抗拉和抗剪的能力,加固體的抗拉和抗剪能力主要依賴于錨桿。圍巖和錨桿不同步承載,先是圍巖受力破壞,達(dá)到一定程度,錨桿才開始承載,在開采深度大和強烈構(gòu)造應(yīng)力區(qū),這種矛盾突現(xiàn)出來,支護(hù)參數(shù)的選擇成為關(guān)鍵的問題。在施工過程中,通過大轉(zhuǎn)矩鉆機或?qū)Ｓ脧埨瓩C具安裝,及時給錨桿或其他支護(hù)構(gòu)件以很高的張拉力,并傳遞到層狀頂板,使頂板巖層在水平應(yīng)力作用下處于橫向壓縮狀態(tài),形成壓力自撐結(jié)構(gòu),從而阻止高水平應(yīng)力對頂板圍巖體的破壞,消除或大大減緩弱面離層現(xiàn)象,同時減弱兩幫圍巖的應(yīng)力集中程度和巖體破壞現(xiàn)象,從根本上維持圍巖穩(wěn)定。3錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計巷道偽頂為厚0~0.4m的深灰色薄層狀泥巖,易碎;煤層直接頂為1層厚0.6~3.6m的深灰色薄層狀砂質(zhì)泥巖,局部為砂巖,老頂為厚層完整砂巖,較穩(wěn)定。煤層硬度中等偏軟,傾角較大,斷面設(shè)計和錨桿布置較困難,貼頂部1m煤硬度較大,兩幫強度不一致,下幫強,上幫弱;回采階段有一定礦壓顯現(xiàn),但總體壓力不是很大。從地質(zhì)條件看,該塊段與5213Ⅱ機巷同屬一層煤,位置相鄰,煤層賦存情況及頂?shù)装鍘r性、厚度幾乎一致,具有可比性。根據(jù)工程類比法,比照5213Ⅱ機巷的初始設(shè)計和施工的成功經(jīng)驗進(jìn)行錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。5112(Ⅲ)工作面巷道層位如圖1所示。3.1預(yù)拉力錨桿支護(hù)和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)根據(jù)維護(hù)的實際條件,采用大間排距等強預(yù)拉力鋼帶錨網(wǎng)支護(hù)方案:采用新型左旋螺紋鋼等強高性能預(yù)拉力錨桿、Π2型鋼帶支護(hù)和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。在頂板相對完整穩(wěn)定的條件下,采用大間排距布置錨桿加錨索,在地質(zhì)條件變化帶,首先加密頂部錨桿,然后及時套棚。3.2優(yōu)化參數(shù)設(shè)計結(jié)合現(xiàn)有的成功經(jīng)驗,巷道斷面設(shè)計為矩形,凈寬×凈高=3.6m×2.8m。3.2.1錨桿配置1下幫錨桿大直徑0.mm長M4型鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),錨桿規(guī)格為M22×2500mm,加長錨固方式,每根錨桿采用2節(jié)Z2355型中速樹脂藥卷;錨桿間距800mm;排距1000mm。如果施工環(huán)境受到限制時,可在頂部靠下幫采用1根M22×2200mm錨桿,向下傾斜15°與頂板成偽垂直安設(shè),靠上幫1根錨桿在垂直頂板線位置稍帶向上15°的迎山角,增加上三角的穩(wěn)定性。另頂部每2~3排距離施工6.0m長錨索2根,進(jìn)入基本頂巖層,并上3.2m長M4鋼帶1根。為了使跨度太大的頂部更有穩(wěn)定性,在直接頂厚1.0~3.0m時每2m從巷中打1根點柱,距上幫平距1.5m。2錨桿規(guī)格及間距m長的Π2型鋼帶、菱形鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),因傾角較大,頂部形成的錨固梁的重力分力大部分傳遞到下幫,故錨桿規(guī)格選為M22×2200mm型。為加強下幫的煤體強度,下幫采用長錨桿加固圍巖,每根錨桿采用2節(jié)Z2355型中速樹脂藥卷加長錨固;錨桿間距為800mm;排距為1000mm。3錨桿規(guī)格及間距m長Π2型鋼帶、鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),因上幫穩(wěn)定性較差,又是加固煤頂?shù)年P(guān)鍵,故選錨桿規(guī)格為M22×2500mm型,為加長錨固方式,每根錨桿采用2節(jié)Z2355型中速樹脂藥卷;錨桿間距800mm;排距1000mm。為了增加上三角的穩(wěn)定性,上邊2根角度向上傾15°,另從每排軟分層處增加單體錨桿1根。4加扭矩的影響N·m,錨固力為80kN,幫部轉(zhuǎn)矩不低于100N·m,錨固力大于50kN,機具轉(zhuǎn)矩不足時人工滯后增加,必須在3h內(nèi)加足,2~3d內(nèi)進(jìn)行二次加轉(zhuǎn)矩。巷道斷面及錨桿支護(hù)參數(shù)如圖2所示。3.2.2錨桿支護(hù)設(shè)計技術(shù)參數(shù)頂板破碎帶、斷層帶、淋水帶、直接頂厚度變化異常帶等特殊地段,首先加密頂部錨桿,然后及時套棚,或經(jīng)研究采取其他支護(hù)方式,錨桿支護(hù)設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1。4新立桿維護(hù)技術(shù)4.1頂板預(yù)留斷面1)打錨桿眼前,先打點柱,敲幫問頂,處理掉活動矸石,確保安全作業(yè);控制爆破施工,頂板及兩幫要預(yù)留斷面;按錨桿設(shè)計排距實行單循環(huán),頂板掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)度800mm;下幫幫錨桿滯后不超過1排,頂部及上幫不得滯后。2)頂板破碎處鋪設(shè)金屬網(wǎng)要從頂板中部向兩邊鋪,兩邊頂網(wǎng)過肩窩,在巷道幫部加網(wǎng)至底角;通過人工加轉(zhuǎn)矩,保證所有的錨桿安裝轉(zhuǎn)矩大于設(shè)計值。4.2錨桿錨固結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行超前臨時支護(hù),上網(wǎng)打點柱和護(hù)頂錨桿,護(hù)頂錨桿按每排2~3根布設(shè);打頂板錨桿孔按設(shè)計的間排距點好眼位用單體錨桿鉆機由下幫向上幫打錨桿眼。巷道頂板錨桿長度2200mm,采用直徑為27mm的鉆頭、與錨桿等長的鉆桿打眼;再送樹脂藥卷,用錨桿向錨桿孔裝入2節(jié)Z2355型中速樹脂藥卷,慢慢將其向孔底推入;最后用攪拌接頭將鉆機與錨桿堵頭螺母連接起來,然后升起鉆機推進(jìn)錨桿,至頂板巖面300~500mm時開始攪拌,緩慢升起鉆機并保持?jǐn)嚢?0s后停機;50s后再次啟動鉆機邊旋轉(zhuǎn)邊推進(jìn)緊固錨桿,錨桿螺母在鉆機的帶動下頂斷堵頭,托盤快速壓緊頂板巖面,使錨桿具有較大的預(yù)拉力,鉆機輸出轉(zhuǎn)矩大于等于120N·m。4.3幫煤體樹脂藥卷的制作按設(shè)計部位打巷道幫錨桿孔:采用煤電鉆,Φ28mm鉆頭,下幫及上幫底部2個眼采用2.2m長鉆桿,上幫煤體部分4個眼采用2.5m長鉆桿;用錨桿向錨桿孔裝入2節(jié)Z2355型中速樹脂藥卷,慢慢將樹脂藥卷推入孔底;用連接套將煤電鉆與錨桿堵頭螺母連接起來,并將錨桿推入孔底,然后開動巖石電鉆邊攪拌邊推進(jìn),保持40s并推入孔底后停止;60s后再次開動鉆機,將螺母中的堵頭頂斷,托盤快速壓緊巖面,安裝完畢。4.4種樹脂藥卷的攪拌打頂板眼:打眼深度為6000mm;送樹脂藥卷:向孔內(nèi)裝入1節(jié)K2355快速樹脂藥卷和3節(jié)Z2355中速樹脂藥卷,用鋼絞線慢慢將樹脂藥卷推入孔底。攪拌樹脂:用攪拌接頭將單體錨桿鉆機與鋼絞線連接起來,然后升起鉆機推進(jìn)鋼絞線,邊攪拌邊推進(jìn),直到推入孔底,停止升鉆機攪拌30s后停機。張拉鋼絞線:60min后用張拉千斤頂張拉鋼絞線,安裝完畢,進(jìn)入下一循環(huán)。4.5施工注意事項1錨桿長值礦基礎(chǔ)鉆孔孔直度要高,即接換鉆桿時,應(yīng)確保鉆機位置不動,保持1條中心線;孔深應(yīng)準(zhǔn)確,即要求采用與錨桿等長的鉆桿完成鉆孔,誤差不能大于1.5cm;孔壁要清潔,鉆孔完成后,應(yīng)反復(fù)沖刷直至孔內(nèi)出清水,不留煤巖粉。2樹脂凝固上緊攪拌及時,勻速攪拌至孔底,并保證整個攪拌時間達(dá)到30s;等待充分,確保50s后樹脂凝固1次上緊;掉頂處應(yīng)及時采用各種規(guī)格的木楔調(diào)節(jié),木楔放置在拉條和金屬網(wǎng)之間,使金屬網(wǎng)緊貼巖面;采用錨桿鉆機檢查螺母扭緊程度時,以單體錨桿鉆機不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動為準(zhǔn);必須安排專人對錨桿進(jìn)行二次加轉(zhuǎn)矩,使錨桿的預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計要求。5錨桿支護(hù)密度和桿體材質(zhì)的匹配為有效控制頂板巖層的變形和離層,頂板錨桿必須給頂板巖層以可靠的支護(hù)阻力。支護(hù)阻力可以通過桿體自