第二讲 煤矿巷道锚索支护的设计及示例Microsoft PowerPoint 演示文稿

第二讲煤矿巷道锚索支护的设计及示例云南能源职业技术学院主讲：曾正良副教授2/5/20231第一节锚索支护设计

一、支护设计为扩大锚杆支护的使用范围，充分发挥锚杆支护的经济、快速、安全可靠的优点，在大断面、地质构造破坏地段、顶板软弱且较厚、高地应力、综放巷道等困难、复杂的巷道中，为增加锚杆支护的可靠性，可使用小孔径预应力锚索进行加强支护。2/5/20232

预应力锚索加强支护在煤巷支护中占有重要地位。由于它的锚固深度大，可将下部不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中，可靠性较好；且可施加预应力，实现主动支护，因而是煤巷推广锚杆支护技术中一项重要的保证措施。1.锚索加强支护设计原则锚索的主要作用是将顶板下部不2/5/20233稳定岩层悬吊在上部稳定岩层中，因而可按悬吊理论进行支护设计。但由于岩层自身具有承载能力，尤其是采用锚杆支护的顶板，围岩强度得到了提高，设计中应考虑此因素。在设计时可按最危险的极限状态计算，即下部岩层或煤体的重量通过锚索悬吊，同时根据岩层的强度、裂隙、锚杆支护参数等考虑岩层的自身2/5/20234承载能力，折减计算值。设计参数包括锚索的内、外部结构及材料，锚索的间排距、锚固长度、钻孔深度等。由于现场地质条件复杂多变，在施工阶段应加强监测，及时反馈监测结果，以现场监测信息为依据，修改和完善设计。小孔径(φ28～φ32mm)锚索结构较为简单，可分为三部分：内锚固2/5/20235段、钢绞线自由段和外锚固段，如图1—1所示，图1—2所示为锚索加固。2.锚索参数的确定(1)锚索支护材料①锚索：小孔径树脂锚固预应力锚索索体材料采用钢绞线。钢绞线为一组钢丝以螺旋状沿同一根纵轴绕转而成，目前广泛采用7股φ5mm高强度钢绞线。应选择预应力钢绞线，具2/5/20236图1—1小孔径预应力锚索结构1—毛刺；2—钢绞线；3—钻孔；4—巷道围岩表面；5—槽钢；6—钢垫板；7—锁具；L1—内锚固段长度；L2—锚索有效长度；L3—锚索外露长度2/5/20237图1—2—517m马头门修复锚索加固方案2/5/20238有强度高、韧性好、低松弛等特点，既有一定刚度又有一定柔性，可盘成卷便于运输，又能自身搅拌树脂药卷快速安装，适合在空间尺寸较小的巷道中使用。锚索的技术特征见表1—1所示。新型19根钢丝代替了原来的7根钢丝(图1—3)，索体结构更加合理，而且明显提高了锚索的延伸率。如2/5/20239表1—17股高强度钢丝(锚索)技术特征2/5/202310图1—3锚索索体结构图2/5/202311φ22mm的高强度、低松弛钢绞线的拉断力超过600kN，是φ15.20mm的钢绞线拉断力的2.3倍；索体延伸率接近7%，比φ15.20mm的钢绞线提高一倍。真正实现了大直径、大延伸率与高吨位。新型锚索岔经在高地应力巷道、特大断面巷道、受强烈采动影响巷道得到应用，取得良好的支护效果。

2/5/202312②锁具:锁具是为保持预应力钢绞线的拉力并将其传递到被锚围岩上所用的永久性锚固装置。锁具应具有可靠的锚固性能和足够的承载能力，以保证充分发挥预应力钢绞线的强度。目前，小孔径预应力锚索的锁具以瓦片式为主，可承受动、静荷载。锁具由锚环和锚塞组成，其结构见图1—4。这种锁具有多种规格，应按钢绞2/5/202313

图1—4锁具结构图

2/5/202314线规格选取，保证瓦片与钢绞线有良好的匹配关系。③锚固剂：应根据钻孔直径和设计的锚固长度选择合理的树脂药卷型号、规格和数量。采用普通树脂药卷加长锚固，使用锚杆钻机带动钢铰线搅拌树脂药卷，安装工序简单。由于树脂药卷凝结时间短，一般等待1h后即可安装锁具进行张拉，实现锚索2/5/202315的快速安装和及时承载，有利于巷道快速施工和围岩稳定。在服务时间比较长的巷道，如大巷、采区集中巷及硐室中，为了提高锚索锚固效果，同时防止索体锈蚀，最好先进行树脂端部锚固，然后注浆，实现树脂注浆联合全长锚固。对于围岩破碎、岩体含水等树脂药卷不能保证足够锚固力的条件下，也可以2/5/202316采用联合全长锚固方式。采用端锚时优先选用树脂锚固剂；全长锚固时选用水泥(砂)浆。④托盘：托盘强度与锚索强度相匹配。锚索托板最常用的是平托板，由一定厚度和面积(如300mm×300mn×l6mm)的普通钢板制成。另一种是采用一段槽钢制成，应选用16号以上槽钢，材料极限强度不低于3502/5/202317kPa。有的矿区还采用工字钢或废旧溜槽制作锚索托板。这几种托板只适用于锚索垂直巷道表面布置，而且力学性能差。当锚索预紧力和承受的载荷比较大时，平托板四周易翘起，托板承载显著降低；槽钢托板易变形、扭曲，甚至压穿槽钢，使锚索失效。(2)支护方式选择采用联合支护，即先锚网喷支2/5/202318护，再进行锚索加强支护。对于拱型锚喷巷道，大断面硐室及交岔点加固，应采用点式锚索支护；当巷道围岩裂隙比较发育或上部为复合顶时，宜采用“锚索+钢带支护”。(3)锚索支护参数的确定原则①最小锚固长度：水泥(砂)浆锚固锚固长度大于3.5m；树脂锚固锚固长度大于1.5m。2/5/202319②锚索长度：锚索长度5.0～10.0m，根据工程条件选取。③锚索间排距按下式选取S≤L／2式中L—锚索孔长度，m；S—锚索孔间排距，m。3.施工工艺锚索施工可分为地面准备、钻2/5/202320孔、锚固、张拉4个主要工序，见图1—5所示。(1)地面准备首先检查钢绞线，截去松丝、严重锈蚀和死弯部分，按设计长度截断钢绞线，除去铁锈和污泥，在锚固头安装毛刺(齿)和挡圈，最后盘成圈。(2)钻孔钻孔是锚索施工中控制工期的关2/5/202321图1—5锚索施工工艺2/5/202322键工序。为确保钻孔效率和保证钻孔质量，采用锚杆钻机或轻型专用锚索钻机。可连接B19或B22钻杆,Ф27~29mm旋转式钻头。钻机钻孔时，按锚索设计长度将钻孔所需钻杆摆放整齐，钻杆用完，孔深也恰好到位。钻孔深度要超出锚索设计长度0.5m左右。在钻孔时要保持钻机不挪动，以免钻孔轴线不在一直线上，给锚索安装带来困难，其2/5/202323工艺类似锚杆钻孔。钻孔结束，逐根拔出钻杆和钻具，将冲击器清洗好备用。用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹干净，且孔深不少于锚索设计长度时，拔出聚乙烯管，塞好孔口。两种特殊情况的处理：①渗水的处理。在钻孔过程中或2/5/202324钻孔结束后吹孔时，从孔中吹出的都是一些小石粒和灰色或黄色团粒而无粉尘，说明孔内有渗水，岩粉多贴附于孔壁，这时，若孔深已够，则注入清水，以高压风吹净，直至吹出清水；若孔深不够，虽冲击器工作，仍有进尺，也必须立即停钻，拔出钻具，洗孔后再继续钻进，如此循环，直至结束。有时孔内渗水量大，有积2/5/202325水，吹出的是泥浆和碎石，这种情况岩粉不会糊住孔壁，只要冲击器工作，就可继续钻。如果渗水量太大，以至淹没了冲击器，冲击器会自动停止工作，应拔出钻具进行压力注浆。②塌孔、卡钻的处理。当钻孔穿越强风化岩层或岩体破碎带时，往往发生塌孔。塌孔的主要标志是从孔中吹出黄色岩粉，夹杂一些原状的（非2/5/202326钻头碎的、非新鲜的、无光泽的）石块，这时，不管钻进深度如何，都要立即停止钻进，拔出钻具，进行固壁注浆，注浆压力采用0.4MPa，浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液，24h后重新钻孔。雨季，常常顺岩体破碎带向孔内渗流泥浆，固壁注浆前，必须用水和风把泥浆洗出（塌入钻孔的石块不必清除），否则，不仅固壁注2/5/202327浆效果差，还容易造成假象。(3)锚固根据选用的锚固剂不同，锚固工艺也有所差别。注水泥浆与树脂胶泥工艺相似，将注浆管和排气管绑在钢绞线上，排气管绑在最上端，注浆管绑在下端，轻轻送人孔底，封孔后开始注水泥浆或树脂胶泥，直到排气管不出气或出浆为止。2/5/202328采用树脂药卷锚固时，按先后顺序将超快或快速树脂药卷和中速树脂药卷送入孔内，用钢绞线轻轻将树脂卷送人孔底，用搅拌连接器将钢绞线与钻机连接起来，开动钻机，边搅拌边推进，搅拌20～30s，将钢绞线卷入孔底，不落钻机停转，等待1～2min，落下钻机，卸下搅拌连续器，完成锚索的内锚固。2/5/202329(4)张拉注水泥浆锚固需养护6～7d，注浆脂胶泥锚固需养护4～5h，树脂药卷锚固需养护1h。养护好后再装托梁、托板、锁具，并使它们紧贴顶板，挂上张拉千斤顶，开泵进行张拉，观测压力读数。若千斤顶行程不够，应迅速回程，然后继续张拉，达到设计预力时，停止张拉，卸下千斤2/5/202330顶；若钢绞线外露长度过长影响行人、运输等时，从锚具量起，留出长5.0～10cm钢绞线，其余部分可用液压剪剪断多余的外露钢绞线。

二、质量控制1.锚位点放线，各方向允许误差均为±1.0cm。2.脚手架的搭设必须稳定，对紧固件的紧固必须有人复核。2/5/2023313.锚索孔径允许误差±2.0mm。4.若遇坍孔，应立即停钻，进行固壁注浆处理，注浆24h后重新扫孔钻进。5.洗孔要干净彻底，孔中不得留有岩粉和水。6.锚索的编制要确保每一根钢绞线始终均匀排列、平直、不扭不叉，锈、油污要除净，对有死弯、机械损2/5/202332伤及锈坑者应剔出。7.锚索的长度要根据钻孔的实际深度确定，允许误差±2.0cm，并对锚索按孔号相应编号。8.锚索安放要平直，张拉段要放在锚孔中央。9.锚索的张拉要在锚固段达到设计强度后，方可进行。10.张拉前张拉设备要标定，重复2/5/202333三次取平均值。各根钢纹线拉力不均匀系数在0.95～1.05之间，各根钢纹线的拉力差为±5%。11.补张拉在张拉完成后6～10d进行，张拉力取设计预拉力的20%。三、安全措施1.施工前进行技术安全交底，施工中应明确分工，统一指挥。2.各种机械机具应处于完好可靠2/5/202334状态。3.上岗前要做好安全检查工作，由班组长负责，责任到人，互相监督，施工人员进入现场应戴好安全帽，操作人员应精力集中，遵守有关安全操作规程。4.机械、电器设备应专人操作。5.电（气）焊操作工应有操作证。2/5/2023356.风动钻机管路连接应牢靠，避免脱开甩出伤人。7.切割钢绞线使用的砂轮切割机要设安全护罩，以免断片伤人。2/5/202336第二节锚索设计示例示例：综采工作面全煤切眼锚网支护设计和施工近年来随着采矿机械的快速发展、在采煤工作面中综采工作面所占份额不断提高，因此，综采工作面全煤切眼支护设计和施工十分重要。

一、综采切眼锚网支护基本特点

2/5/202337（一）综采切眼断面及支护形式由于综采工作面切眼的净宽为6.0～6.5m，断面积17～19m2。为此，一般采用先掘后扩的方式达到设计断面。断面形状多为梯形或矩形，采用工字钢梯形棚、单体液压支柱联合支护方式或锚网梁（锚索）与单体支柱联合锚网支护方式。

（二）综采切眼锚网支护技术要求2/5/202338综采工作面切眼由于安装设备的需要，巷道断面大，且布置在煤层中，采用锚网支护方式时，应满足以下几条要求：1.从锚杆支护机理可以看出，锚杆的锚固强度是保证锚杆支护效果的关键因素，因此，设计时应首先确定合理的锚固力，正确选择锚杆类型。在一般的排间距情况下，应选用高锚2/5/202339固力锚杆，顶板锚杆锚固力以大于70kN为宜。目前多选用树脂锚固剂和金属杆体锚杆加长或全长锚固以实现高强锚固支护的要求。2.综采切眼巷道跨度大，巷中顶板锚杆支护效果尤为重要，以选用长锚杆或锚索加强支护为宜。否则，需在巷中增设中间立柱支撑。3.为增加顶板岩煤梁的抗剪能2/5/202340力，为岩梁提供两个支点，应使靠近巷道两帮的锚杆向煤体倾斜一定角度。试验表明，锚杆向煤体一般倾斜20°～40°(与铅垂线夹角)为宜。其角度的大小主要由煤层的赋存条件决定，一般应使倾斜锚杆端部的水平投影落在巷帮破煤深度之外，以使顶板形成的承载结构两端有稳定的支点。4.综采切眼多为导硐扩帮施工，2/5/202341为确保施工安全，应加强临时支护，在临时支护保护下进行锚网支护作业。二、综采切眼锚网支护设计施工下面举例说明大跨度综采切眼锚索支护设计和施工情况。

（一）地质生产条件1301工作面是XX煤矿首采面，采用综采开采。切眼沿3下号煤层倾向布置，原设计切眼断面为梯形，上宽2/5/2023428.0m，下宽8.494m，高3.0m，切眼长度170m，沿煤层底板掘进，留顶煤，平均埋藏深度458m，煤层平均厚度6.8m，倾角平均5°，单轴抗压强度20.93MPa。顶板为细、粉砂岩互层，抗压强度68.7MPa；底板为粉砂岩，抗压强度65.2MPa，底板与煤层间夹有厚0～0.5m的粘土层。3下号煤层的节理裂隙发育，该切眼的围2/5/202343岩条件属Ⅳ类不稳定围岩。煤层及顶底岩性见表1—1。（二）支护设计1.断面形状选择1301工作面切眼沿3下号煤底板掘进，采用矩形断面，切眼掘进宽度8.494m，高3.0m，切眼切眼顶部采用微拱型，以便提高顶煤的自稳性。考虑到切眼煤顶会发生整体下沉，采2/5/202344表1—13下号煤层及顶底岩性2/5/202345用微拱后，随着煤顶的下沉逐渐变为平顶。如掘出的切眼为平顶，当煤顶下沉后，出现顶部下弯而不利于顶煤稳定，设计的顶部微拱高度200～250mm。2.支护形式确定为确保支护形式合理，首先应对全煤切眼顶煤冒落范围进行分析计算。实际计算表明，顶煤潜在冒落拱2/5/202346范围很大，不论按悬吊理论作用布置还是按加固作用布置，用常规锚杆支护都难以奏效，必须在常规锚杆支护的基础上采取加固措施。经分析，该首采面锚杆支护试验采用以树脂全长锚固锚杆、金属网和钢筋梯为基本支护；以搅拌树脂药卷锚固，小孔径预应力锚索为补强加固措施的支护形式。其中，锚杆以加固作用为主，旨2/5/202347在使其长度范围以内的顶煤形成“似整体结构”；锚索以悬吊作用为主，旨在把潜在冒落范围内的顶煤悬吊在上部较稳定的直接顶岩层上，阻止其发生垮落。3.锚网支护参数确定1)顶板锚杆：选用φ20×2500mm螺纹钢锚杆，全长树脂药卷锚固；锚杆间排距，导硐部分600mm2/5/202348×800mm，扩帮部分700mm×700mm。2)帮锚杆：选用拟φ6×2000mm可切割玻璃钢锚杆，两卷树脂药卷锚固，锚杆间排距扩帮部分600mm×700mm。3)金属网：采用8号镀锌铁丝编制，或菱形网，网孔为50mm×50mm。2/5/2023494)钢筋带：采用φ12圆钢焊接而成。4.锚索补强加固参数确定切眼跨度大(8.494m)，为防顶煤锚固层整体切落，设计采用小孔径预应力锚索补强加固，由锚索承担冒落拱岩石全部载荷。锚索以悬吊作用为主，根据1301切眼顶板岩性条件，确定锚索长度为2/5/2023506.0m（实际长度6.5m），选用φ15.24×6000mm锚索，其破断力260kN，3卷树脂药卷锚固，预紧力大于100kN，每排布置4根，间排距1600mm×1400mm。1301切眼锚杆锚索支护结构如图1—1所示。5.支护说明1301综采切眼原设计采用工字钢2/5/202351图1—11301切眼锚杆锚索支护结构1—锚索φ15.24×6000mm；2—锚杆φ20×2500mm；3—钢筋梯；4—菱形网50mm×50mm2/5/202352架棚背板支护，其导硐部分早已施工完毕。为保证切眼导硐部分的安全，决定在工字钢架棚支护基础上，采用锚网梯、单体液压支柱联合支护（单体液压支柱替代扩帮侧工字钢棚腿），锚索补强加固支护方式。顶板采用φ20×2500mm树脂全长锚固螺纹钢锚杆，间排距600mm×800mm，南帮（导硐外侧）2/5/202353锚杆采用φ20×2200mm树脂药卷加长锚固的螺纹钢锚杆，间排距600mm×800mm。（三）施工工艺首先在已施工的导硐内，按设计方案要求安装导硐锚网、锚