黑龙煤化工主变电所硐室锚网喷支护设计

黑龙煤化工主变电所硐室锚网喷支护设计

自20世纪70年代以来，“锚喷”和动压道路的“整链固流”辅助技术在井巷工程的实际应用中取得了良好的效果。以其他支护技术无可比拟的价格优势,得到用户的认可,从而发展较为迅速。和一般巷道相比,硐室的断面比较大,服务年限也比较长,并且与其他硐室、巷道相毗邻,加之硐室本身结构复杂,受力状态不易把握,所以对硐室的支护设计和工程质量均要求较高。黑龙煤业的主变电所就是这类硐室,为保证主变电所设计和施工质量,保证矿井的安全生产,并为今后的硐室布置、支护设计等提供基础参数,对主变电所进行专项的锚杆支护设计。设计主要包括地质力学调查、支护形式和参数设计、支护材料选择、井下施工工艺和安全措施、矿压监测设计等内容。1主供地层及隔水层黑龙煤业主变电所掘进断面呈半圆拱形,掘进巷道尺寸为:巷宽5.8m,墙高1.6m,掘进面积为22.49m2。主变电所硐室位于11号煤层底板岩层中,埋深约207m,为岩石巷道。距11号煤层约10m,硐室长度为60m,分别与主水泵房和井底车场相联,巷道布置见图1。主变电所所在岩层主要由灰、浅灰色铝土岩、铝质泥岩、泥岩、粉砂岩及灰、褐色石灰岩组成。该岩层层位稳定,厚度较大,是奥陶系岩溶水和石炭系裂隙水之间的良好隔水层。具体岩层情况见表1。2支持形式和支持参数2.1锚杆保护参数分析锚杆支护参数主要从锚杆预应力、锚杆长度、锚杆密度、锚杆角度和锚索作用五个方面进行分析。1预应力选择原则预应力是锚杆支护系统的决定性参数。预应力过低,导致锚杆支护产生的附加应力值小,形成的压应力区范围小,有效压应力区孤立分布,不能连成整体。在高预应力下,锚杆支护产生的附加应力场应力值大,形成的压应力区范围广,有效压应力区几乎覆盖了整个顶板,形成有机的整体,锚杆的主动支护作用得到充分发挥。预应力选择原则是:使锚固区不产生明显离层和拉应力区。锚杆直径越大,强度越高,则锚杆预应力越大。2预应力的施加因素通过对锚杆长度分别为1.6～2.6m的应力分布进行分析。锚杆(锚索)直径越大、强度越高和长度越大,施加的预应力应越高。不考虑锚杆(锚索)的预应力而一味增加锚杆(锚索)直径和长度,不会取得明显效果。高预应力的短锚杆(锚索)支护效果比低预应力的长锚杆和锚索支护效果好。3提高锚杆预应力的措施通过分析锚杆不同间排距的附加应力场,可以得出:通过提高锚杆的预应力,可增大锚杆的间排距,明显降低锚杆支护密度。不同锚杆间距的支护附加应力场见图2、图3、图4和图5。4锚杆角度在近水平巷道中,根据经验,顶板角锚杆最好垂直布置。如考虑施工需要一定的角度,最大角度不应超过10°。5石的作用锚索与单体锚杆的作用功能是一样的,既有加固围岩的作用,也有悬吊下部松动岩石的作用。两者的区别在于锚索可以锚固在围岩深部的稳定岩层中,而在围岩条件较差的情况下,锚杆由于较短,不能锚固在稳定的岩石中,此时锚杆的悬吊作用较小,主要靠其加固作用和锚杆群的成拱作用控制围岩变形,提高围岩的承载能力。2.2支出设计原则支护设计的原则主要为尽量减少多次支护,降低支护密度,并且尽量使锚杆发挥高应力和高强度,最终使锚杆支护设计符合实际和安全可靠。2.3锚杆保护方案的设计经过数值模拟计算,确定主变电所采用树脂加长锚固高强锚杆锚索组合支护系统。1托板、锚杆、锚索的安装锚杆形式和规格:杆体为20号左旋无纵筋螺纹钢筋,钢材为335号锚杆专用钢,长度2.4m,杆尾螺纹为M22。锚固方式:树脂加长锚固,采用2支树脂药卷,1支规格为K2335,1支规格为Z2360。钻孔直径为28mm,锚固长度为1300mm,要求锚杆锚固力不低于105kN。锚杆配件:采用拱型高强度托板,钢号不低于Q235,配合球形垫和减阻尼龙垫圈,托板高度要求不低于36mm,托板厚度不低于8mm。钢筋托梁规格:采用D12mm钢筋焊接而成,宽度为80mm,长度为3050mm,钢筋托梁搭接100mm。网片规格:采用钢筋网护顶,材料为D6mm钢筋,网孔规格100mm×100mm,网片规格3100mm×1000mm,网片搭接100mm,用16号铅丝逐孔连接。锚杆布置:锚杆排距900mm,每排9根锚杆,间距950mm。锚杆支护角度为垂直于拱面。锚杆扭矩:利用扭矩倍增器扭紧螺母,要求达到300N·m,但不超过450N·m。锚索:锚索直径为17.8mm,延伸率3.5%,长度6300mm,钻孔直径28mm,采用1支K2335和2支Z2360树脂药卷锚固,锚固长度为1400mm。锚索托板:规格为300mm×300mm×16mm高强度托板,托板要求高度达到60mm,承载能力不低于260kN。锚索布置:每两排布置3根的三花布置,间距2850mm,排距900mm。全部垂直岩面打设。锚索预紧力:锚索要求超张拉至150kN,损失后预紧力为120kN。2锚杆、预应力管道锚杆形式和规格:杆体为20号左旋无纵筋螺纹钢筋,钢材为335号锚杆专用钢,长度为2.0m,杆尾螺纹为M22。锚固方式:树脂端部锚固,采用1支树脂药卷,规格为K2360。钻孔直径为28mm,锚固长度为826mm,要求锚杆锚固力不低于105kN。锚杆配件:采用拱型高强度托板,钢号不低于Q235,配合球形垫和减阻尼龙垫圈,托板高度要求不小于36mm,托板厚度不小于8mm。钢筋托梁规格:采用D12mm钢筋焊接而成,宽度为80mm,长度3050mm,钢筋托梁搭接100mm。网片规格:采用钢筋网护帮,材料为D6mm钢筋,网孔规格100mm×100mm,网片规格3100mm×1000mm,网片搭接100mm,用16号铅丝逐孔连接。锚杆布置:锚杆排距900mm,每排每帮2根锚杆,间距950mm。锚杆全部垂直岩面打设,考虑到施工需要,允许5°误差。锚杆扭矩:利用扭矩倍增器扭紧螺母,要求达到300N·m,但不超过450N·m。巷道支护断面见图6。3钻井施工和安全对策3.1单体风动锚杆机钻装锚杆主变电所所需施工机具见表2。采用江阴生产的MQT120型单体风动锚杆机钻装锚杆,配套钻杆为B19型中空钎杆,钻头为D28mm双翼钻头,用帮锚杆机钻装帮锚杆。3.2安装树脂药卷和锚杆施工工序包括掘进和支护两大部分。巷道顶板支护的施工工艺流程为:掘进—打掉危岩—出岩—铺设钢筋网—上钢筋托梁—临时支护—钻顶板中部锚杆孔—清孔—安装树脂药卷和锚杆—用锚杆机搅拌树脂药卷至规定时间—停止搅拌并等待1min左右—拧紧螺母—从中向外依次安装其它顶板锚杆。锚索施工工艺:钻锚索孔—清孔—安装树脂药卷—插入锚索并将药卷推至孔底—用锚杆机先慢后快搅拌树脂药卷至规定时间—停止搅拌并等待10min左右—安装托板及锁具并张拉至设计值—卸下千斤顶。帮锚杆施工工艺:挂网—钻孔—清孔—上钢筋托梁安装树脂药卷和锚杆—搅拌树脂药卷—等待1min左右—拧紧螺母—安装其它帮锚杆。4支护初始设计矿压监测是动态信息设计方法的核心内容之一。通过测试锚杆受力和巷道围岩位移分布,就可比较全面地了解锚杆支护的工作状态,进而验证或修改锚杆支护初始设计,并保证巷道的安全状态。矿压监测分为综合监测和日常监测。前者的主要作用是验证或修改初始设计,后者主要是为了保证巷道安全。5监测成果的修改反馈信息指标数值的准确性是关系到巷道锚杆支护的安全性和经济性的重要指标。在总结临汾矿区锚杆支护监测数据的基础上,结合以前的锚杆支护监测资料,确定反馈信息指标数值的参考值见表3。修改后的支护设计方案实施后,还应继续进行现场监测,评价支护效果和巷道的安全程度。对于局部特殊条件,如断层和破碎带,需采取特殊的方法处理。6喷混凝土作业主变电所属于永久性硐室,服务年限很长,对全矿井开采的影响巨大。为了充分发挥围岩的自稳作用,快速封闭巷道表面的节理裂隙,防止煤岩的风化剥蚀,增加巷道表面