支护方案优化设计

1、 QJennmarJiningMine Roof Support Products Co.正邦煤业有限公司15#煤层顺槽支护方案优化设计正邦煤业有限公司捷马（济宁）矿山支护设备制造有限公司二0一0年八月1概述1.1 地质条件正邦煤业有限公司15#煤层厚度为5.5m左右。煤质属贫煤、黑色，多呈粉末状，少量块 状，具有玻璃光泽阶梯状断口，条带状结构、层状、块状构造、波状、水平层理。煤层大致属 单斜构造，倾角平均8o左右，煤层埋藏深度约400m 15#煤层顶底板结构如下：老顶：石灰岩为灰色，生物屑结构，隐品质，层面含炭质，具细小裂隙，被方解石脉充填, 具缝合线构造，坚硬。厚度为5.80m。直接顶：粉

2、砂岩为深灰色，上部偶见植物化石，层理不明显，具垂直节理，具挤压现象， 中部夹砂泥层质，岩芯较完整。厚度为 8.87m。底板：铝质泥岩为灰色一一浅灰色，含铝土质，含丰富植物化石，偶含砂质，岩芯较破碎。 厚度为2.48m。从现场观测到，15#煤层靠顶板的1.5m范围内的煤层比较硬，其下部有 1m左右的煤层比 较软且节理非常发育，沿底掘进的回风顺槽掘出后易出现掉顶现象，巷道成形质量比较差。从现场看，巷道围岩应力比较小，巷道支护完成后，巷道变形量很小。1.2 采矿条件正邦煤业有限公司15#煤层原设计回风顺槽沿15#煤层的底板掘进，采用锚网索支护。然 而在现场施工过程中发现，巷道沿底板掘进时，顶煤较破碎

3、，极易出现顶煤破碎掉顶现象，巷 道成形差，掘进速度慢。为适应煤层的特点， 在顶板破碎处矿方采用了加大回风顺槽高度的方 法，沿某一稳定层掘进。原设计回风顺槽为矩形，宽为 4000mm,高为2600mm2现支护方式及存在的问题在现阶段采用锚杆、锚索金属网联合支护。具体支护方式如下：(1)锚杆：回风顺槽顶板锚杆采用20X2200mnfc旋无纵筋螺纹钢锚杆，帮 锚杆采用16Xl600mmft璃钢锚杆。 锚杆间排距为760X 800mm(2)网：顶网具规格为长X宽=5500X 1200mm的金属网，帮网具规格为长X宽=1800X 10000mm勺双抗网支护。(3)锚索：每排钢带打两根锚索交替支护，规格

4、15.5 X 5500mm锚索采用“1+2”的格式，如果顶板破碎段特别严重时采用“ 2+3”格式。(4)托盘：锚索托盘用钢板加工制作，其规格为长X宽X厚 =200X 200X 15, 中孔直径22mm顶锚杆托盘用钢板加工制作，其规格为长X宽X厚 =120X 1200 x 8,中孔直径18mm(5)锚固剂： 顶板锚索孔采用 CK2360三卷树脂锚固剂，顶板锚杆孔采用 CK2360两卷树脂锚固剂，两帮每孔一卷 K2360树脂锚固齐I。然而，由于煤层软，现有的支护方式存在如下问题：(1)煤层软：尽管采用了沿底掘进加大顺槽高度的方式使得顶板在相对硬的 煤层中，但由于表面支护和超前支护不合理，造成支护前

5、和支护过程中经常产生 漏顶现象，给支护施工带来很大困难。(2)锚杆、索锚固力：从现场看，由于与锚杆配套的螺母没有阻尼，但锚杆 安装工艺却是一次安装成功，这样锚杆就无法充分搅拌树脂，可能造成锚杆的锚 固力下降，同时由于煤体强度较低，锚杆的锚固力也无法准确判定。建议对井下 的锚杆、锚索锚固力进行现场测定，确保巷道的支护效果。另外，由于锚索的直径小且锚索没有增加相应的机构，锚索的锚固力难以保 证，应重点监测。(3)锚杆的预应力低：由于安装机具及锚杆结构的限制，现场锚杆的安装应 力较低，不高于2吨，这会大大降低锚杆软弱顶煤的支护效果。(4)临时支护效果差：尽管现场采用了前探梁作为了临时支护形式，但现场

6、执行效果及适用效果不好，无法实现真正的超前有压支护。对于顶煤非常软的巷 道超前支护非常关键，只有在巷道掘出后及时有效的进行顶板临时支护，才能降 低顶板破碎程度，提高巷道支护效果。(5)巷道掘进速度慢：由于巷道顶板比较破碎，巷道成形比较差，巷道煤层顶板在打锚杆、锚索的过程中还是易出现顶板离层掉顶的现象，影响施工。同时锚杆的支护密度比较大，降低了巷道掘进速度。(5)巷道支护强度和成本偏高：巷道顶板的锚杆、锚索支护密度比较大，采 用此方式进行支护造成了巷道支护强度偏高，巷道支护成本增加。(6)顺槽表面支护强度低：顺槽表面采用钢筋梯作为表面控制措施， 其护顶 面积小，不利于软煤顺槽的表面控制。同时，锚

7、杆、锚索的托盘面积小且强度低， 对表面控制效果差，现场可以看到多个锚杆托盘发生“翻盘”现象，建议进行优 化、改进。(7)隐患：由于现在无法控制顺槽的高度，造成顺槽多处超高现象，这为今 后的采煤工作留下了安全隐患，同时增加了采煤的成本，降低了采煤工作面的推 进速度，降低了采煤工作面的回采工作效率，影响了矿井的正常生产。未来回风顺槽沿底掘进时，顶板将处于软煤中，软煤所带来的问题将进一步 突出。为了解决软煤顶班支护问题，必须解决三大关键点：如何解决巷道开挖后锚杆支护前顶煤漏顶问题钻孔和锚杆安装过程中锚杆机震动引起的漏顶问题锚杆安装后顶板的稳定性问题故未来采煤工作面回风顺槽掘进时下列问题必须解决：临时

8、超前支护表面控制及时早期主动支护保证足够的锚固力辅助支护现在，正邦煤业有限公司15#煤层回风顺槽沿底掘进巷道的支护工作已经成 为制约矿井正常生产接续的主要因素，成为制约矿井发展的难题。3软煤巷道支护关键因素和主要研究内容为从根本上解决正邦煤业有限公司 15#煤层巷道沿底掘进的支护难题，实现矿 井的安全生产和高产、高效，必须对现有的地质与采矿条件进行充分研究，提出 适合其特点的巷道支护理念，设计出合理的巷道支护工艺和支护参数。本项目就是要通过对厚煤层和软弱煤层条件下沿底掘进巷道支护技术的研 究，探索出一条解决此支护困难条件下的巷道支护新技术和新工艺，实现巷道的快速、安全、经济掘进的目标，使该技术

9、对类似条件下巷道支护和施工具有较好 的示范推广意义。3.1 支护关键因素针对正邦煤业有限公司15#煤层煤层结构复杂、厚度大、煤层松软、煤体比较 破碎的特点，支护的关键因素如下：(1)超前临时支护：临时超前支护是松软煤层支护的关键因素之一。在实际施工中所遇到的关键问题包括：掘进后顶板立即漏顶来不及打锚杆(锚索)。打孔过程中锚杆机震动引起漏顶。漏顶后顶板(两帮)不平造成锚杆(锚索)安装施工困难。为了解决这个问题，必须寻求一套方便、实用、有效的超前支护系统。超前支护系统必须和表面控制结合起来，并实现有压超前支护。(2)表面控制：很明显，在松软煤层条件下，表面控制非常重要。(3)锚固力：锚杆、锚索系统

10、必须有足够的锚固力和支护系统匹配。(4)合理的支护参数：锚杆长度、间排距、支护强度、安装应力。(5)辅助支护：锚索作为辅助支护手段，其支护参数和布置也是支护的关 键因素之一。3.2 主要研究内容和目标(1)正邦煤业有限公司15#煤层的地质资料收集、分析与整理；(2) 15#煤层已施工巷道支护系统与支护工艺的分析与评价；(3)经现场支护参数测试，通过实验分析支护系统各参数的匹配性及合理性，优化支护工艺与支护参数；(4)通过科学计算，确定回风顺槽锚杆支护参数，完善巷道支护系统。主要包括如下内容：厚且软弱煤层沿底掘进巷道锚杆支护的可行性；围岩应力分析与评价；支护载荷与围岩自承载能力的分析与评价，研究

11、确定锚杆安装应力与围岩 变形显现的关系；巷道锚网支护参数设计理论依据和支护参数计算方法，优化确定适宜的力学计算模型；巷道支护体系的优化与确定。主要针对锚杆主导支护、锚索辅助支护、网 及咖带表面控制的最佳耦合关系进行研究。(5)支护产品的开发和制造。通过计算，确定各支护参数，然后根据此参数 研发出相应产品并制造出高性能产品；(6)现场施工及技术培训。根据现场条件进行巷道支护施工工艺优化，尤其 是临时支护的方式和工艺优化；(7)巷道支护效果观测、巷道支护参数优化。根据矿压观测结果，分析支护 系统的可靠性，进一步优化巷道支护参数。4支护系统和支护参数的确定4.1 软弱煤层巷道锚杆支护设计理念软弱煤层

12、锚杆支护设计和产品开发必须考虑三个基本因素：一个是支护系统 锚杆支护机理，二是被支护围岩应力变形的关系，三是支护系统工作特性和围岩应力与围岩变形关系的耦合。4.1.1 支护理念和支护参数科学的锚杆支护设计，不是简单的在顶板安装锚杆，而应该使每一根安装的锚 杆都发挥它的最大作用。在理论和科研界，有许多锚杆支护理论，不同的理论会 给锚杆不同的支护机理。典型的支护理论有梁理论、弹塑性松动圈理论、楔体加 周理论、拱理论、悬吊理论等。在实际顶板控制实践中，锚杆的支护机理往往是 几种理论综合作用的结果。对于煤系地层来说，由于煤系地层是层状沉积岩层， 组合梁是最适合的理论。然而，工程实践中锚杆的支护机理往往

13、是几种支护机理 的共同作用。然而，无论哪种理论，与其它支护相比，锚杆支护的最基本点是在一定范围的围岩中，通过锚杆支护系统对围岩主动施加主动力，实现对围岩实现 主动早期支护，以增加围岩的强度和自承载能力。锚杆支护和其他支护的最大区 别就是锚杆是主动和早期支护，而主动早期支护的源泉就是安装应力。没有安装 应力的锚杆的支护作用只能是简单的悬吊，和一般棚子支护没有什么太大的差别。 锚杆支护系统在整个支护期间所受的力不仅仅包括安装应力，而且包括围岩变形 过程中所产生的变形附加应力。所以，一个科学的锚杆支护系统设计，从支护原 理讲必须考虑下列参数：安装应力一主动支护的源泉支护强度一满足安装应力和变形附加载

14、荷的要求支护范围一松散破碎圈4.1.2 围岩应力变形的关系围岩既是被支护的对象，又是支护体的一部分(自承载)。锚杆支护设计必须把围岩和锚杆系统作为一个整体考虑。对于软岩巷道来讲，巷道围岩变形与应力 的关系变得越来越复杂。首先是“静压力”（垂直和水平）高带来的“软岩” 变形大的特性：当变形超过锚杆（锚索）的可延伸长度时导致锚杆（锚索）破坏， 最终导致整个支护体失稳；其次是围岩本身比较软，容易发生漏顶和局部冒落现 象。所以合理的支护设计必须保证围岩整体性的前提下具有一定的变形让压性能 以保护支护体在由于变形地压引起超负荷时，起到变形耦合和让均压作用。根据 传统理论，围岩应力一变形特性曲线如图 4.

15、1所示。图4.1围岩应力和变形特性曲线在静压力条件下，从图4.1可以看出，曲线从支护角度讲分为三个区：A区（围岩弹性变形区）：在此区域内，围岩基本处于弹性变形阶段，围岩保 持完好，围岩变形小。在此区域内增加支护强度不能明显改善围岩变形。为了经济 合理地进行巷道支护,支护体的工况点应设在低位（65t/m）,相应的锚杆支护系统 应该具有最小让压距离15mmB区（围岩弹塑性区）：在此区域内，围岩基本处于弹塑性变形阶段，围岩基本 保持稳定，弹塑性变形区没有超过锚杆的支护范围，锚杆系统仍然起到支护作用。 在此区域内，支护强度的微变将引起变形的剧烈增加。C区（围岩破坏区）：在此区域内，围岩破坏，支护系统承

16、受破碎岩石的静载 荷。随着破坏区域的增加，载荷增加。对于锚杆支护，如果锚杆系统的支护范围小 于破坏范围，则锚杆系统受力将变为0,彻底失去其支护作用，锚杆支护系统将与围 岩一起移动。4.1.3 耦合支护理念耦合支护包括锚杆系统和围岩耦合、锚索系统和围岩耦合、锚杆间耦合及锚 杆与锚索的耦合。锚杆系统和围岩耦合：锚杆支护系统的支护强度和变形性能必须和围岩耦合， 以达到围岩的稳定平衡。锚索系统和围岩耦合：同样，锚索系统作为支护的一部分，变形性能也必须 和围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。锚杆间的耦合：由于顶板和两帮在不同位置的锚杆所经受的位移和应力过程 不同，所以受力差别很大，这有可能造成受力大的锚杆首

17、先破断而把力传递到邻 近的锚杆，造成锚杆依次顺序破断。锚杆和锚索的耦合：锚杆和锚索间的变形耦合也非常重要。从支护体本身来 讲，锚杆和锚索具有如下区别：延伸率：锚杆的延伸率远大于锚索的延伸率承载能力：锚杆的承载能离远小于锚索的承载能力支护范围：锚索长度一般来说大于锚杆长度。这种差别如果在设计和使用过程中应用不当，会引起锚杆或锚索由于变形协调 不好而破坏。4.2 锚杆支护参数的确定巷道支护系统和支护参数的确定必须根据实际地质和采矿条件，在合理设计原则的基础上，必须对下列项目进行优化设计：(1)锚杆类型(2)锚杆长度(3)锚杆安装载荷(4)锚杆承载力(5)辅助支护(6) 表面控制6.2.1 锚杆支护

18、系统工况点的确定(1)围岩应力和围岩变形关系和支护系统合理工况点的确定巷道开挖后围岩将发生变形甚至破坏，围岩的变形大小和破坏程度存在着一 定的关系。巷道支护的目的是为了在保证围岩不破坏的条件下控制部分的围岩变 形而允许有一定的变形产生，这样才能经济有效地设计支护系统和维护巷道围岩稳定。因此，为了设计锚杆支护系统，必须对围岩应力和变形特性曲线进行研究。根据15#煤层的采矿地质条件，考虑到动压的影响，采用有限元数值模拟方法 得到围岩应力和变形特性曲线如图 4.1所示。锚杆支护系统应该适应围岩应力和变形的特性。一方面锚杆支护系统应该保 证围岩基本在弹性或弹塑性范围内，另一方面锚杆支护系统的变形特性必

19、须适合 围岩变形特性的要求。根据围岩应力和变形特性曲线研究，针对5#煤层巷道的具体条件，支护系统的工况点确定如下：最小支护强度：65t/m巷道围岩位移：15mm锚杆系统允许的最小变形15mm(2)合理锚杆支护系统的特性曲线设计一锚杆支护系统工况点选择锚杆特性曲线设计必须根据围岩应力变形特性曲线的特点，根据15#煤层的围岩应力特性曲线，锚杆支护系统应满足下列要求：最小支护强度：65t/m巷道围岩位移：15mm锚杆系统的允许的最小变形15mm 锚杆工况点应在弹性范围内。根据以上工况点，设计并制造出了高强扭矩应力锚杆，其具体参数如下：杆体直径：18mm杆体材料：Q500矿用高强螺纹钢，屈服强度理论值

20、12t,实测值大于14t;抗拉强度：理论值15t,实测值大于17to 延伸率：理论值15%实测值大于20%6.2.2 锚杆长度设计6.2.2.1 围岩剪切破坏准则巷道围岩松散破碎范围是决定锚杆长度的重要因素。原则上讲，锚杆的长度 应该足以锚固到松散破碎范围以外一定的深度，应用摩尔库仑准则作为围岩的破 坏准则：C f C tan式中：，一平面上的正应力和剪应力；C材料粘聚力；f 材料内摩擦因数;一材料内摩擦角如图4.2所示，当应力圆与库仑准则线相切时，岩石达到强度极限值；若应 力圆与库仑准则线相割，岩石破坏；相离则不破坏。图4.2三轴压缩极限应力圆库仑准则用主应力表达的公式为：i 03tan2(

21、450 -)式中： i最大主应力，Pa；0 岩石单轴抗压强度，Pa；3 最小主应力,Pa。在1 3坐标平面上，上式也是一条直线，如图4.3所示。若岩石中某一点对应的最大主应力值和最小主应力值对应的坐标位于库仑准则线的下方，则岩石 在该点是不发生破坏的，反之则发生破坏。图4.3库仑准则主应力图示在此，根据库仑准则和有关数学知识定义了一个岩石破坏准则的摩尔库仑安全系数 SF (Safety Factor )，即：03 tan2450032SF 2根据大量的经验和实测数据，巷道顶板的莫尔库仑安全系数SF大于1.2的范围被认为是安全的，SF小于1.0的范围是不稳定范围，SF在1.0-1.2之间岩层稳

22、定但不安全。对不稳定范围（SF小于1.0）需要对其进行支护控制，而锚杆要锚固 到安全稳定的岩层中。对两帮来说，通常认为安全系数（SF）大于1.0的区域是安全的，如果SF小 于1.0被认为是不安全的，需要对巷道侧帮进行支护控制。4.2.2有限元分析（1）模型的建立根据15#煤层的地质采矿条件，建立有限元模型如图4,4所示。模型中的岩层 和顺序基本按照地质说明书中所提供的资料建立。模型的几何尺寸按不小于巷道 几何尺寸的8倍考虑。由于地质报告中所提供的岩石物理力学指标不完全，所以 采用同类矿区的有关数据和资料。10图4.4有限元模型（2）应力分析和松散破碎区范围的确定根据有限元计算，最大主应力和最小

23、主应力分布如图4.5和图4.6所示。根据最大主应力和最小主应力分布，有限元程序自动计算出摩尔库仑安全系数如图 4.7所示。根据有限元分析可以看出：破碎圈（SFC 1）：在巷道周围产生了一个 SF小于1的破碎圈，破碎圈的最 大深度在1.2m左右。稳定圈（1SF1.2）:此区域安全系数在11.2之间，属于稳定圈。但考虑到巷道的长期稳定性，此区域不属于安全圈，其最大深度达到1.6m左右。安全稳定圈（SF1.2）:在安全系数大于1.2的范围内是安全稳定圈。为了 锚周到松散破碎带以外的稳定岩层中，锚杆的长度应在20002200mm问。11-89?1-S121 -7271 -6420 -S570 -472

24、0-3870 -3口 1 口 -2169最大主应力分布-3975 -3 334 一2,驶-2 DE1-1405-7 百7.47-125,913515.1157*十？工十H-T!13二二二二二 一二一二一二一士三支士;三十工王i+H-王 二二.一 * 二H i L _ ii53二二 一 士；子图4.6最小主应力分布12图4.7摩尔库仑安全系数分布(3)锚杆的长度确定根据围岩松散破碎圈分析，锚杆的长度选为2200mm以保证至少600mm勺锚杆锚固在稳定围岩中。6.2.3 锚杆安装应力确定锚杆的安装应力是主动支护的源泉。其首先可以压实浮煤浮什，保证锚杆系 统的及时早期支护效果，控制早期变形；另一方面

25、可以减少和消除拉应力和顶板 离层，保证顶板稳定达到最佳梁的效果。锚杆安装载荷的有限元二级分析模型如图 4.8所示，锚才f长度为2200mm顶 锚杆每排5根，锚中干排距0.9m。3,皆置思震雪mas 屋EttESn思nls-iH星l-lBsSEIE 域” .ES睡花器”滥植一Lli唐一 tktfc. Msl良 as一uM=-RsMzNlmnlm1a2= i-Eutu拄 显求“谛空器把苣X电法靛让比设展注的iH*l -L IL HfebfeV -L EkKUEKhnEEk- k klEBkhh-11 L3K Bfi 11 i. JI UI .1 to I IKJJBII.M.IWB i i fa

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27、9 to HE EL fc h h L ta 一-lualtis:w*IH5T:ulE*w.MiE:i. Esisssn1.必诏!门!|器:!.睛”展ExhE:1!EEkluc&b tEht EE-BE talkka HbE BE ELKbbLfe bbEbr Bk Bbbb -FE-BE fapbhb I hME E E hEfa h LnB frkEk- Bk *fa.一 惮 siIBbmH二!得藩 SJ-t:IB:、.fwIB-! :图4.8有限元二级模型13(1)合理锚杆安装载荷的确定通过改变模型中锚杆的安装载荷，进行了一系列的模型运算，最终获得合理 的安装载荷的大小，以达到无离层、顶

28、板中的拉应力最小的最佳组合梁效果。安装应力1t模型中锚杆施加1t的安装应力。图4.9为1.0t安装载荷时的应力分布和变形 图，灰色区域为受拉区。由图4.9可以看出，巷道顶板有较大的拉应力分布区，也 是顶板不稳定区。通过模型放大(图 4.10)可以看出，在1.2m的顶板范围内有数个离层发生-t-t-r 44-I一二二二二二- L4* T-j-*-+-!-4+ F4-k*十十T44-I44-4-4-44T T-+寸+匚三七/甚EU4T4-r h十十廿十-十*十rtr =十寸+- 雎至晒姿44+14 +TT+十4+4#mm J-kfc十图4.9 1.0t安装载荷时的应力分布和变形图再If；布FTin

29、rri*苴二黄就：阿一忙得后ETHTTECtr 例：考匚图4.10放大后的顶板离层14基于上述计算结果可知，1.0t的安装载荷不足以控制顶板离层和消除顶板的拉 破坏区，所以必需进一步提高锚杆安装载荷。安装应力2t模型中，锚杆安装应力从1t增加到2to图4.11为2.0t安装载荷时的应力分布 和变形图，灰色区域为受拉区。由图4.11可以看出，巷道顶板仍有较大的拉应力分布区，也是顶板不稳定区。通过模型放大（图 4.12）可以看出，安装应力增加 到2t,在300mm深处的顶板离层闭合，但在 600、900、1200mm深的顶板离层仍然存在H:n:rE:I:uUMF+ + 4* * *1* * *+4

30、 *-+ +1.*4441 *1，*呻, 4 tft +* + * ft* +t-t4 L14 31 a 444-1-1 4- 4-44 *- I-I 4 4 4 4- # 4 4 * 4-4 4$4 4 4*上4 4-44 4-4 4 4-*44 44-耳 A *4-* *-* + 1-f-fr 1-f * * 整+ 4 寸十 ，嘈呻 * F * * * . * *，+ *44 4-f* * -* *4 * * * -* * *+ +-* *#*+* + * * 4-4 +4- + +4 * *+ “+*.*Id 1 +T*hG - $d +4 -d-4-* 鼻，T4 4 f t中+彳fr

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32、12放大后的顶板离层15基于上述计算结果可知：2.0t的安装载荷尽管改善了离层状况， 但还不足以控 制所有顶板离层和消除顶板的拉破坏区，所以必需进一步提高锚杆安装载荷。安装应力3t模型中锚杆安装应力从2t增加到3to图4.13为3.0t安装载荷时的应力分布和 变形图，灰色区域为受拉区。由图 4.13可以看出，尽管拉应力区有所减小，但巷 道顶板仍有较大的拉应力分布区，也是顶板不稳定区。通过模型放大（图4.14）可以看出，安装应力增加到 3t,在300mm和600mm深处的顶板离层闭合，但在900、1200mm深的顶板沙仍然存在图4.13 3.0t安装载荷时的应力分布和变形图工I1*+*图4.14

33、放大后的顶板离层16基于上述计算结果可知：3.0t的安装载荷尽管改善了离层状况，但还不足以控制所有顶板离层和消除顶板的拉破坏区，所以必需进一步提高锚杆安装载荷。安装应力4t模型中锚杆安装应力从3t增加到4to图4.15为4.0t安装载荷时的应力分布和变形图，灰色区域为受拉区。由图 4.15可以看出，顶板拉应力区全部消除。通过图4.15 4.0t安装载荷时的应力分布和变形图模型放大（图4.16）3,所有顶板离层都闭合图4.16放大后的顶板离层基于上述计算结果可知，4.0t的安装载荷达到了最佳组合梁的准则，所以锚 杆安装应力最小应为4t o17(2)小结根据有限元分析，提高安装应力可以减小或消除顶

34、板中的拉应力区，可以消 除顶板岩层的离层，从而取得最佳组合梁的效果。正邦煤业有限公司15#煤层回风 顺槽沿底掘进的巷道所需的最小锚杆安装应力为4to4.3 辅助支护系统设计辅助支护系统的目的是：1)保证巷道长期稳定性；2)适应回采工作面的动 压需求；3)适应于地质条件变化的要求。(1)锚索参数及设计锚索长度：为了保证锚索能锚周到顶板稳定围岩中，同时根据井下的实际资料确定，锚索的长度选择为6.3m。锚索安装应力：锚索的安装应力不低于8to(2)锚索几何尺寸及技术参数锚索直径：15.24mm屈服强度：大于1860MPa抗拉载荷大于36to配 件：索具、球垫圈、加强管、鸟窝等；托 盘：300X 30

35、0X 10mm高强托盘，托盘强度大于 30t。(3)锚索布置锚索采用“1+2”布置，锚索排距为0.9m。(4)锚固剂每套锚索采用3支CK2350勺超快速树脂药卷。为了解决软岩条件下锚索的锚固力不足的问题，选用快装高预应力“鸟窝”锚索，其结构如图4.17 o坐.雷图4.17快装高预应力“鸟窝”锚索18其中：索头保护套用于防止锚索索头在运输及安装过程中散股。一旦散股，会给锚索安装带来很大不便。“鸟窝”具有以下作用：对中：“鸟窝”的大小一般设计制造的比钻孔直径小 2mm这样可以 保证锚索在孔中对中，使得树脂在锚索周围均匀分布，从而用较少 的树脂用量取得最大的锚固力。更好地搅拌树脂：“鸟窝”可以起到均

36、匀搅拌树脂的作用，从而增 加锚索的拉拔力。树脂一锚索有机结合：“鸟窝”是中空的，在树脂搅拌过程中，树 脂充满鸟窝，可以使树脂和锚索成为一整体，从而进一步增加锚索 的拉拔强度，减少树脂用量。加强管：加强管是为了安装方便，在锚索接触树脂后，锚索更容易送入 孔中。索具：不象目前国内常用锚索是在井下安装索具，高预应力“鸟窝”锚 索的索具是预先安装好在钢绞线上的。这一方面减少了井下工人的安装 量，另一方面也是最重要的，锚索是根据设计定长的，安装工人无法随 意剪断锚索。4.4 表面控制由于巷道在煤层中掘进，且顶煤较为破碎，因此巷道表面控制工作非常关键， 表面控制对于充分发挥锚杆支护系统的作用非常重要。表面

37、控制和锚杆、锚索托 盘组成一个系统是支护系统的支护作用点，其破坏和失稳意味着支护系统的失效。 有效的表面控制系统应保证：托盘不压入顶板托盘无翻盘现象无片帮片顶、漏顶和网兜现象锚杆和表面控制系统一起形成最佳组合梁。表面控制包括钢带、金属网和托盘等：钢带：W钢带可以把锚杆联结成为一个整体，并具有很好的表面控制效果。W钢带型号为BHW270-2.50其成形宽度为270mm厚度为2.5mm顶板钢带长度为 3900mm W形状和所选用的高强材料提高了钢带的钢性。19金属网：金属网不仅具有防止漏肝漏顶，而且其自身的强度还可以控制两帮 变形，并可以与锚杆、钢带形成一个整体，增加了支护系统的整体性。托 盘：根

38、据长期的支护经验和测试结果，在软煤条件下，对于高强18mm的杆体，托盘不小于150X 150X 8mm托盘承载强度不小于15t。锚索托盘不小于300 X 300x 10mm承载强度不小于30t。止匕外，为提高巷道帮部的支护效果，同时考虑巷道支护成本，15#煤层回风顺槽两帮现在采用的玻璃钢锚杆易发生剪断现象，建议进行优化改进4.5 小结根据上述分析和设计，支护方案总图见图 4.18和图4.19。(1)顶板锚杆根据现场条件及施工经验，为提高顶板支护的安全系数，确定顶板每排采用5 套锚杆。直径：18mm,长度2200mm杆体材料:Q500矿用高强螺纹钢，屈服强度理论值 12t,实测值大于14t;抗拉

39、强度理论值15t,实测值大于17to托盘：150X 150X 8mm球型托盘强度大于15t。阻尼螺母：阻尼100120NM“三明治”垫片：提高锚杆的安装应力。锚杆实物图如下。锚索鸟窝锚索直径：15.24mm 长度6300mm屈服强度：大于1860MPa抗拉载荷大于26t;锚索托盘：300X 300X 10mm球型托盘强度大于 30t 金属网+W 钢带(厚2.5mm,长3900mm)。20(2)两帮锚杆：执行现在的支护参数，对锚杆结构进行改进(3)超前支护采用捷马公司专门研发的超前有压支护系统，提高超前支护效果。75融默麟猿中族千翻4.18顺槽支护系统平面图21单位：mm*富钵案鸟窝惟索二 种忏

40、普济（注明：高强预应力锚杆长度为也好输杆直轻为18m； 顶板鸟窝检索长度为6.加,宜径均为限加加, 顶板管我朋口加加偌索排布置在酶销样的中叽）不料期椭收F底轴因图4.19 顺槽支护系统剖面图15#煤层回风顺槽沿底掘进段每米巷道材料消耗如表4.122表4.1巷道支护材料消耗表序 号材料名称规格尺寸配置每米材料 消耗量单价 （元）备注1高强扭矩应力锚杆 18 X 2200mm#500杆体， 阻尼螺母5.5套28.75原产品中锚杆 没有阻尼2三明治垫 圈5.5套1.43与锚杆配套用3高强托盘150*150*8mm强度大于17t5.5个9.24与锚杆配套用4玻璃钢锚杆 16X 1600mm6.6套5快

41、装鸟窝 锚索 15.24 x 6300mm钢绞线，鸟 窝，加强管, 球型垫圈，1.7套60.726锁具1.7个20.00与锚索配套用7锚索托盘300*300*300mm托盘强度大于30t1.7个44.00与锚索配套用4WiW带BHW270-2.50-3900mm5孔,孔间距900mm1.1条128.7033元/米5钢带托盘270-2.50-300mm帮锚杆用6.6个6锚固剂CK2335锚杆用24支7锚固剂CK2350锚索用3.4支8金属网矿方自备每米巷道支护材料费用为兀说明：以上价格含税17%不含运费为方便现场施工及提高锚杆的施工效果，第一次采用扭矩应力锚杆时应配备 的工具如表4.2。表4.2

42、施工机具名称规格单位数量单价（元）锚杆搅拌器M22-B19个8K16-B19个4T-型扳手M22个3机械式扭矩放大器JND22/3.5-B19台4超前支护系统4T套4套合计235井下工业性试验为了确定设计所采用锚杆等支护材料的性能，除需对锚杆等支护材料的出厂检 验外还需对其做井下性能测试。井下测试的主要目的是对锚杆的安装应力、扭矩 应力、锚杆锚固力、锚固剂性能等实际技术参数进行测试，以确定锚杆的安装参 数和工艺要求。（1）锚杆安装工艺基本参数：锚杆类型：高强扭矩应力锚杆锚杆长度：2200mm锚杆直径：18mm钻孔直径：28mm树 脂：锚杆采用2只直径23mmfe度350mm勺超快速树脂（CK2

43、33% 2）,。（2）安装步骤打孔，用锚杆机打钻孔。孔深比锚杆托盘到末端长20mm建议孔深2160mm 把树脂药卷和锚杆推入规定的孔位。利用锚杆和锚杆搅拌器通过锚杆机的上推力把树脂推入孔中直到锚杆托盘离顶板 10mmfc右。注意在上推树脂时尽量不 要旋转，避免把托盘死死压在顶板上。完成第2步后，迅速旋转锚杆搅拌10-15秒（旋转搅拌时不要施加上推力）， 然后顺势上推锚杆使托盘贴近顶板。停：完成搅拌后停止30秒钟左右让树脂充分凝固。上紧螺母：旋转搅拌器上紧螺母。在紧螺母时应给最大扭矩而不要施加上 推力以最大限度地上紧螺母。用扭矩放大器或手动加长扳手，进一步上紧螺母，达到规定的安装应力。锚杆安装可

44、以总结为：一推（推树脂至钻孔规定位置），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进行施工，否则会出现“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。（3）锚杆安装质量检查标准合格的锚杆安装应该满足下列标准：充填在螺母的树脂阻尼必须全部脱落，否则锚杆无法达到安装载荷。 塑料垫圈必须溶化掉。24锚杆外露长度为30mrrr 80mm 用扭矩扳手检验，顶板锚杆安装扭矩不低于200N.m,两帮锚杆不低于100N.ni（2）锚索安装与测试锚索井下安装培训捷马公司对所提供的产品进行全面的技术培训。锚索拉拔试验15.24mm的快装鸟窝锚索

45、的拉拔力需要大于 23t，设计选用CK2350W脂2只， 正常情况下可以满足锚索的拉拔力。锚索安装1）钻孔深度大于锚索长度（从托盘到锚索前端的距离）3-5cm。2）钻孔打好后，轻轻将选定的锚固剂推入钻孔，要确保不使锚固剂外壳破裂。3）用安装好垫圈和托盘的锚索将锚固剂缓缓推入钻孔，直至推不动为止。4）将预先安装在钻机上锚索搅拌器跟锚索的尾部连接，快速搅拌锚固剂，搅 拌锚固剂的同事钻机推力要最大。锚固剂搅拌时间为25-30秒，搅拌锚固剂停止时要确保锚索托盘靠近岩面。5）锚固剂搅拌完毕5分钟后即可用锚索涨拉器拉紧锚索，锚索预应力要达到 80kN以上。6巷道支护效果及矿压观测方案为全面检测正邦煤业有限

46、公司15#煤层回风顺槽采用高强扭矩应力锚杆与鸟窝 锚索支护段巷道的支护状态，监控巷道所受到的掘进和采煤工作面影响， 掌握围岩 的变形规律，确定巷道的稳定程度，以便及时采取措施保证矿井安全生产。通过监 测来验证扭矩应力锚杆支护设计的合理性，检验支护质量，同时为优化锚杆支护设计提供科学依据，为相似采矿地质条件下的巷道支护提供可靠的技术数据。本次矿压监测的主要内容包括：巷道煤岩体表面位移监测、顶板离层监测、扭矩应力锚杆 受力状态监测、扭矩应力锚杆安装应力监测与扭矩应力锚杆锚固力监测。6.1 煤岩体表面位移监测（1）断面位置及间距以采用高强扭矩应力锚杆支护的巷道端为开始点，第一观测断面位置距离开 始点

47、30m然后向顺槽掘进方向每掘进50m布置一个测试断面，共设置3个测试断 面，分别为第一、第二、第三和第四测试断面（为监测断层附近或特殊围岩条件25 的巷道变形，断面间距可以适当扩大或缩小，断面尽量选择在顶板和两帮相对较 完整的位置，以便于观测）。（2）测点布置方式及施工要求扭矩应力锚杆支护巷道位移监测断面测点布置图如图6.1所示。图6.1测点布置图施工技术要求：1）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。2）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0.5m,直径为29mm勺钻孔，然后在钻孔中央放置一段长 0.55m,直径为22mm勺螺纹钢，并 用快硬水泥把钢筋

48、固定在钻孔内，钢筋要露出2050mm（也可以采用木桩或别的材料作为基点）。3）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，以后每两天观测一次，一周后改为5天一次，直到巷道基本稳定为止。测试内容为A与B、C与D A与E及C与E之间的距离，各测点的位置以外露 基点的顶端平面为基准，测量要认真，读数要准确，并做好记录（各测试断面的 记录表按设计表进行）。本测试采用的测量仪器为米尺加测纯（采用测杆也可以）。 在测试过程中发现异常情况时，应及时向带队人员反映，并通知生产技术科，等 问题解决后再进行作业。（4）数据处理根据观测的结果，作出巷道表面位移随时间变化的曲线， 根据曲线分析巷道稳 定性受掘进和工作面回采的影响程度，总结巷道表面位移的变化规律，确定巷道26 的稳定程度和扭矩应力锚杆的支护效果。6.2 顶板离层监测在采用高强扭矩应力锚杆支护段的第一个观测断面左右2m范围内的顶板安设第一个顶板离层指示仪，以后每隔50m安设一个顶