煤矿软岩治理关键技术研究应用西翼轨道巷底臌治理支护设计方案

1、国家重点基础研究计划973项目现场科学试验工程亭南煤矿软岩治理关键技术及应用研究西翼轨道大巷（试验段）底臌治理支护设计方案国家重点基础研究计划973项目课题组淄博矿业有限责任公司·亭南煤矿中国矿业大学（北京）岩土工程研究中心 二八年十二月淄博矿业集团： 中国矿业大学（北京）：马厚亮 董事长、教授级高工 何满潮 院长、教授、博导淄博矿业集团： 中国矿业大学（北京）：张文 副总经理、高工 孙晓明 副教授、博士 亭南煤业公司：赵庆民 总工、高工淄博矿业集团研究人员： 中国矿业大学（北京）研究人员：张 文 副总经理、高工 何满潮 院长 教授 博导赵庆民 总工、高工 孙晓明 所长 副教授 博士

2、吕 强 副总工、高工 郭志飚 博士后高汇斋 工程师 张 浩 高 工陈方明 副科长 李国峰 博士后杜 林 技术员 张国锋 博士研究生 王 炯 博士研究生 贾云东 硕士研究生 王福强 硕士研究生目 录一3二4三5四6一支护设计二支护设计参数表一10二11三12四973项目科研组织管理原则13一15二16三锚杆受力16四18五18前 言亭南矿井位于彬长矿区中部，紧靠312国道，交通便利。初步设计井田面积33.82km2，主采侏罗系8号煤层，煤层平均厚度8.29m，地质储量39883万吨，可采储量18429万吨，煤质为中灰、特低硫、低磷、中高发热量的优质烟煤，属不粘煤31号，煤层倾角2-7度。煤层有自

3、燃发火倾向，煤尘有爆炸危险性，矿井初步设计按高瓦斯矿井，水文地质条件为中等类型，预计正常涌水量360 m3/h，最大涌水量560 m3/h。矿井设计采用一对立井单水平开拓全井田，井口标高+856.3m，井底车场水平为+455m，沿煤层走向布置三条大巷，全井田划分为四个盘区；采用单一倾斜长壁采煤法以综采放顶煤为主的采煤工艺，现回采工作面长度120m，推进长度850m。亭南矿区的煤系地层属中生界侏罗系地层，埋深在460550m之间，成岩相对较差，含膨胀性矿物，该区侏罗系的地层中，泥质岩石的强度为16MPa，而煤层强度为36MPa，泥质岩石的强度低于煤层强度是本区岩石力学强度的一个显著特点。底板铝质

4、泥岩暴露后发生底臌。底板岩石暴露以后，和空气中的水分子发生作用，容易风化、软化、裂隙化，强度随着暴露的时间而降低。一盘区东翼轨道巷、西翼轨道巷、西翼胶带巷、西翼回风巷等巷道，均出现了严重底臌问题，屡次返修都不能很好的治理巷道底臌，给支护与开采带来了很大的困难，严重影响全矿的正常运输和安全生产。针对亭南矿区软岩工程的岩石强度低、易底臌等特点，本项目将研究适合亭南矿区的软岩支护理论、设计方法与配套技术，为高产高效提供技术保障，实现亭南煤矿全面、协调、可持续的发展，结合国家科技部重大研究计划973项目“深部煤炭资源赋存规律及安全开发基础研究”批准立项的机遇，选定亭南矿区典型软岩工程作为国家科技部重大

5、研究计划973项目现场示范工程，本次试验工程以亭南煤矿西翼轨道大巷为研究对象，针对研究区域的工程地质条件，课题组进行了巷道变形破坏机理、物化成分和微观结构等方面的系统研究，提出了东翼轨道巷的底臌治理支护设计方案。第一部分支护设计图纸u 西翼轨道大巷（试验段）支护设计图u 钢筋网加工图u 钢筋网联网器设计图u 锚杆托盘加工图第二部分支护设计方案u 支护设计方案u 支护设计参数表一、支护设计1支护形式亭南矿西翼轨道大巷（试验段）底臌治理采用：反底拱+底角锚杆耦合支护形式。2设计巷道尺寸设计断面形状为直墙半圆拱形，具体断面尺寸见设计图纸。3支护材料及参数 底角锚杆：采用43mm管缝式锚杆，长度200

6、0mm，每侧两根，排距为800×500mm，内插20mm长度1800mm螺纹钢锚杆，并注水泥浆。 金属网：采用6.5mm钢筋焊接而成，网格尺寸100×100mm，网边缘用钩扣联结。 干石灰粉：采用普通干石灰粉。 混凝土：浇筑混凝土强度等级为C30，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，内掺防水剂。二、支护设计参数表支护设计具体参数详见表1。表1 西翼轨道大巷（试验段）支护设计参数表锚杆用途型号位置长度直径间排距帮部补打锚 杆左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆距底板标高200mm200020/底角锚杆管缝式锚杆，内插螺纹钢锚杆平行布置200043800×500混凝土水泥型号强度等级

7、厚度普通硅酸盐水泥425#C30200钢筋网型号钢筋直径网格尺寸网片尺寸焊接钢筋网6.5100×100900×1500注：1. 表中尺寸以毫米为单位；2. 要确保施工过程中支护参数与设计参数一致。若遇特殊情况需要局部修改，具体支护参数须经设计小组讨论后方可实施。第三部分施工过程设计u 施工过程设计u 主要施工工艺要求u 注意事项u 973项目科研组织管理原则一、施工过程设计 西翼轨道大巷（试验段）施工过程中，部分步序可根据现场施工条件采用平行作业方式，以加快施工进度。具体施工顺序如下：第一步、按设计反底拱毛断面挖底按设计反底拱毛断面尺寸挖底成圆拱形，挖底后周边成形基本平整、

8、圆顺，符合设计轮廓要求，一次挖底长度为5m，根据各步施工进度可做相应调整，最长不超8米。落底后巷道如出现内积水时，必须立即将水排出，将潮湿的碴石清除。第二步、铺干石灰粉为防止巷道底板铝质泥岩遇水膨胀，挖底后及时铺设干石灰粉并压实。第三步、补打帮部锚杆一次挖底并铺石灰完成后，在帮部按设计尺寸两侧各补打一根锚杆，锚杆与水平夹角为15度，预紧力不小于8t。第四步、挂网帮部锚杆打完后紧贴拱形底面铺ø6.5mm焊接钢筋网，网片搭接长度为100mm，网片一端紧贴帮部，另一端与底拱钢筋网联接。两帮部网边缘用帮部锚杆托盘压实，以形成封闭整体。第五步、打底角锚杆、挂底网挂网结束后，按设计间排距打45&

9、#176;管缝式底角锚杆，内插ø20螺纹钢锚杆，保证钢筋网压实。第六步、浇筑钢筋混凝土反底拱施工3050m后，按设计要求浇筑200mm钢筋混凝土反底拱，混凝土中间铺设一层ø6.5焊接钢筋网充当拉筋，网两端分别固定在帮部补打锚杆部位，用锚杆托盘压实。混凝土强度为C30，按重量配合比为水泥：砂：石子=1：2.15：4.0，水灰比0.62。混凝土拌料为普通425#硅酸盐水泥、中粗河砂、粒径2040mm的碎石。混凝土中加入混凝土防水剂，加入量为水泥用量的8%。巷道浇筑混凝土反底拱的同时将水沟一并砌出，水沟尺寸见设计图纸。第七步、底板充填待混凝土反底拱达到设计强度后，在巷道中间圆弧断

10、面内铺炉碴灰（或粒径2050mm的鹅卵石）充填至距设计巷道底板292mm位置，人工找平压实。第八步、矿压监测、浇注底板混凝土在已浇注反底拱及帮脚部每10m布设矿压监测点，进行表面位移监测，根据矿压监测结果确定浇筑底板100mm混凝土时间。第九步、复喷及铺轨铺底混凝土达到行人强度后，即可由里向外喷射60mm混凝土以封闭覆盖帮部补打锚杆及钢筋网，使巷道成型光滑。复喷完成后按设计铺设正式轨道，铺轨后对铁路轨枕头至巷帮的巷道底板用混凝土进行浇筑硬化处理，硬化的巷道底板与轨枕头之间留有100mm的间隙，硬化后的巷道底板必须满足设计高度要求，混凝土强度与水沟及铺底相同。第九步、位移监测按“支护监测设计”要

11、求在底板布设巷道变形监测断面，进行变形监测。二、施工工艺要求（1）挖底巷道进行挖底时，按照由里向外的顺序依次分段进行施工。每一段施工时，先将巷道按挖底要求的毛断面进行落底，落底工作使用耙装机装岩石，各别硬底处采用风镐落底。落底后周边成形基本平整、圆顺，符合设计轮廓要求，落底后再按巷道设计底板高度进行铺底，该段处理完后再进行下一段的施工。（2）补打帮部锚杆一段挖底结束后，在巷道帮部两侧各打一排锚杆，锚杆与水平夹角为15°倾斜向下，安装时先不对锚杆施加预紧力。（3）铺网帮部锚杆安装完成后，紧贴拱形底面铺一层ø6.5焊接钢筋网，网片两端紧贴帮部并高出底板标高不小于300mm，网片

12、搭接长度为100mm，两帮部网片边缘用帮部锚杆托盘压实，以形成封闭整体，此时对锚杆施加68t预紧力。（4）安装底角锚杆管缝式锚杆的安装具体步骤为： 测量锚孔深度，要求不小于杆体总长度。 用压缩空气或扫孔器清净锚杆眼内岩渣和积水。 先给管缝式锚杆杆体套入金属托板，然后将杆体锥端插入锚杆孔，将杆体插入孔中，直到杆体圆环钢筋将托板紧固于反底拱钢筋网上，为增加管缝式锚杆强度，在中间插入ø20螺纹钢锚杆。（5）铺干石灰粉挖底完成后，均匀铺一层50mm干石灰粉并压实，这样既封闭底板，使底板与空气中的水分隔绝，又能保持巷道底板干燥，防止揭露铝质泥岩后发生底臌。（6）浇筑钢筋混凝土反底拱浇筑混凝土反

13、底拱时要均匀，先浇筑100mm，然后在上面按照反底拱形状铺一层钢筋网，最后再浇筑100mm混凝土，钢筋混凝土两端尽量延伸进两帮岩层，巷道铺底的同时将水沟一并砌出。（7）铺底在巷道中间圆弧断面内铺炉碴灰（或粒径20-50mm的鹅卵石）充填至距设计巷道底板292mm以下，人工找平并压实，然后根据矿压监测结果浇筑混凝土至设计厚度。（8）复喷喷射顺序为：从墙基开始自下而上进行，喷枪头与受喷面应尽量保持垂直，喷枪头与受喷面的垂直距离为0.81.0m。喷射时，喷浆机的供风压力在0.4MPa，水压应比风压高0.1MPa左右，加水量凭射手的经验加以控制，水灰比在0.40.5之间。喷射过程中应根据出料量的变化，

14、及时调整给水量，保证水灰比准确，要使喷射的湿混凝土无干斑，无流淌，粘着力强，回弹料少。三、注意事项（1）巷道施工过程中严格按设计要求执行，确保施工质量到位；（2）要坚持经常性的测点观测和日常支护质量查，观测数据及时向课题组汇报，以便进行反馈设计；（3）在挖底作业时，如遇底板聚水过多时，应立即停止作业并及时采取抽水、防水措施，并向有关部门汇报情况，经主管领导同意后方可继续作业。四、973项目科研组织管理原则为保证项目的顺利进行和设计的有效实施，加快施工进度，提高工作效率，在项目研究和设计方案现场实施的整个过程中，务必要坚持“三固定、两坚持、两提高、三到位”的科研组织管理原则，即：三固定：固定领导

15、成员、固定技术人员、固定施工人员。两坚持、两提高：坚持经常性的总结，提高施工及监测质量；坚持经常性的培训，提高技术人员水平和工人素质。三到位：设计到位、技术到位、质量到位。为此，试验研究巷道段的管理，专门成立领导小组和工程设计、工程施工、工程质量检查、工程监测4个工作组，各工作组应在领导小组的领导下开展工作。各工作组职责如下：工程设计组：负责对试验巷道进行支护设计研究，及时提供支护设计方案、支护设计图；提出工程监测要求；不定期对试验相关人员和现场施工人员进行培训与指导。工程施工组：熟悉试验巷道支护方案，熟记相关支护参数和要求；及时备齐试验巷道支护材料；按设计要求施工试验巷道支护，确保设计到位、

16、质量到位、技术到位；按要求埋设测试点或测试仪表；配合工程监测组完成相关监测工作，并对测点和测试仪表负有保护责任。工程质量检查组：熟悉试验巷道支护方案，熟记相关支护参数和要求；按设计要求检查试验巷道支护质量，确保各分项工程质量到位；在试验巷道施工期间，对施工质量进行定期和不定期的跟班监控，发现质量不符合设计要求及时进行处理。工程监测组：按支护设计方案要求进行监测方案细化，完成监测布置设计图；配合施工组完成监测点或监测仪表的埋设，并做好标记，记录相关信息；按要求完成测试任务，并及时处理测试数据。如发现异常情况须及时上报工程设计研究组和试验领导小组；试验巷道的监测数据应及时上报工程设计研究组。第四部

17、分支护监测设计u 支护监测目的及内容u 巷道表面位移观测u 锚杆受力监测u 监测仪器及数量u 数据处理及日常监测记录表一、支护监测目的及内容（一）支护监测目的完整的现场监测资料可以为巷道支护的成功实施提供基础数据，是巷道支护工程得以巩固和发展的重要保证。其主要目的在于：1掌握巷道围岩动态及其规律性，为巷道支护日常动态化管理提供科学依据；2为检验支护结构、设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数和合理确定二次支护时间提供科学依据；3监控巷道支护的施工质量，对支护状况进行跟踪反馈和预测，及时发现工程隐患，以保证施工安全和软岩巷道稳定；4为其它类似工程的设计与施工提供全面的参考依据；5通过监测

18、资料，可作为判断巷道工程的质量检查和验收的标准。（二）支护监测内容（1）巷道表面位移观测通过巷道表面位移观测数据可较好地判定巷道围岩的运动情况，分析围岩是否进入稳定状态。巷道表面位移监测包括底臌、两帮相对移近、顶板下沉等内容。（2）锚杆受力监测锚杆受力监测通常指的是锚杆锚固力监测和锚杆载荷监测。通过仪器监测锚杆的受力情况，以及时了解锚杆的工作状态。（三）监测断面布置试验巷道长度100m，布置测站4个，如图1所示。从试验段开始，挖底5m后5m30m30m30m5m试验巷道100 m测站1测站2测站3测站4图1 测站布置示意图二、巷道围岩表面位移观测（一）测点布置新支护形式测点布置要求如：图2 巷

19、道表面位移测点布置示意图1按设计位置布置1组表面位移监测断面，每组测点包括4个点：顶板（B点）、底板（D点）和两帮（A、C点）。测点布置时，保证顶底测点连线与两帮测点连线垂直。2帮部及顶部测点采用打短锚杆的方式布设，顶部及帮部测点锚杆打入巷道围岩不小于1000mm。顶板和两帮测点锚杆外露长度不小于200mm，底部测点采用打20L1000mm螺纹钢锚杆0。锚杆打入底板后外露长度不小于50mm，以保证测点的定位。3测点布设后应作好记号，记录与巷道特征点的距离并编号，并在施工中注意保护，以确保测量数据的准确性和可靠性。（二）测量仪器及方法用钢卷尺和塔尺分别测量各测点到基准点的距离，两测点相邻两次测试

20、数据的差值即为两点相对移近，以此累加相邻两次测试数据的差值即可得两点相对总移近量，测量精度mm。（三）观测时间及数据处理每天都必须进行日常观测。每次观测数据需要做好记录表，及时整理，并根据观测结果提出相关建议。每天观测记录及分析应及时上报有关人员。锚杆受力监测主要包括锚杆锚固力检测、锚杆载荷监测和锚杆受力状态监测。（一）锚杆锚固力检测检测锚杆的锚固力是锚杆支护施工质量检查中的一项重要内容。通过锚固力检测，可及时了解锚杆实际受力状况和锚固质量合格与否，同时可以监测锚杆提供的最大锚固力，为锚杆支护设计提供依据。进行锚杆锚固力检测时，依据本工程实际情况，要求每班对巷道顶板和两帮各抽查2根进行拉拔测试

21、，当拉拔力达到锚杆的设计值时立即卸载停止拉拔。对不合格的区域要督促及时补打锚杆。锚杆锚固力检测仪器的种类很多，通常使用锚杆拉力计进行，现场多使用ML-10型锚杆拉力计。（二）锚杆载荷监测锚杆（索）载荷监测是为便于时实跟踪监测锚杆载荷变化情况，分析锚杆工作状态，为调整和修改锚杆支护参数提供基础数据依据。锚杆载荷的监测是通过锚杆测力计（液压枕）来观测，锚杆测力计对锚杆进行的是无损伤检测。锚杆测力计由一个有中心孔的托盘式密闭充油压力盒和与之相连的压力表组成。安装时，把压力盒套在锚杆垫板（托盘）和外锚固端的螺母之间，即可以检测锚杆工作时轴向力变化情况。使用时要首先对锚杆施加预应力，记下压力盒指示的压力

22、值，此后定时读取压力值，获取锚杆压力与时间变化的关系。锚杆载荷监测断面布置时，将其与巷道表面位移观断面放在一起，以便于观测。在每个观测断面上，在巷道的左帮及右帮帮脚处各安装1套锚杆测力计。特别需提醒的是，锚杆测力计安设必须在安装锚杆时进行。（三）锚杆受力状态监测采用CM200型测力锚杆，YJK4500电阻仪，MJY-1型锚杆测力计。测力锚杆每站布置1排，1排布置2根，其位置如图3所示。安装后，用静态电阻应变仪对测力锚杆观测记录初读数，之后，随掘进工作面开始掘进，每掘进一个循环观测一次，至少观测23个循环，以后每掘10m观测一次，直到数据稳定。图3 测力锚杆布置示意图（四）观测时间及数据处理每天都必须进行锚杆拉拔测试和锚杆载荷监测。每次观测数据需要做好记录表，及时整理，并根据观测结果提出相关建议。每天观测记录及分析及时上报有关人员。四、监测仪器及数量针对本巷道采用新支护形式