煤礦巷道掘進支護設(shè)計

1、1 棚式支架支護設(shè)計1.1 巷道圍巖穩(wěn)定性分類設(shè)計方法 根據(jù)模糊聚類結(jié)果中樣本的歸類趨勢和我國回采巷道的支護技術(shù)，從有利于實踐中對類別的區(qū)分和應用考慮，將我國回采巷道圍巖穩(wěn)定性分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定及極不穩(wěn)定5類，上述類別依次用、IV、V表示。依據(jù)預測的巷道圍巖穩(wěn)定性類別，推薦的煤層巷道棚式支護形式與主要參數(shù)見表2-6-4。表2-6-4 棚式支架支護形式與主要支護參數(shù) 1.2 巷道圍巖移近量預算設(shè)計方法 巷道圍巖移近量是反映巷道圍巖穩(wěn)定性的客觀標準，是巷道支護形式選擇和計算支護參數(shù)的依據(jù)。主要計算方法有解析分析方法、數(shù)值分析方法、回歸分析方法、概率分析方法和模糊分析方法。通常根據(jù)

2、巷道埋深H和巷道頂?shù)装鍘r層平均單向抗壓強度Rc利用圖7-24計算巷道預期圍巖移近量UZ。 22110UUUUUZ式中 U0無采動影響階段巷道頂?shù)装逡平?，由圖2-6-31 a查對； U1受本區(qū)段工作面一次采動影響巷道頂?shù)装逡平?，由圖 2-6-31 b查對； U1-2一次采動后穩(wěn)定期內(nèi)無采掘影響階段巷道頂?shù)装逡平?，由圖2-6-31 c查對； U2受下區(qū)段工作面二次采動影響巷道頂?shù)装逡平?，U2=1.4U1。 (a) (b) ( c)圖2-6-31 巷道埋深和圍巖強度與頂?shù)装逡平康年P(guān)系曲線a無采動影響階段；b一次采動影響階段；c一次采動后穩(wěn)定階段 根據(jù)巷道頂?shù)装逡平坷脠D2-6-32上半部

3、分的曲線查出這種情況下相應的每米巷道要求的支架承載能力(kN/m)，再根據(jù)頂?shù)装鍘r石性質(zhì)和裂隙發(fā)育程度確定合適的棚子間距。然后利用圖2-6-32使每米巷道要求的支架承載能力與所選定的棚距的連線延長到與圖2-6-32下部的橫坐標軸相交，就可得到應選支架的單架工作阻力。如果所得阻力值位于兩種架型的工作阻力之間，為安全起見應選工作阻力偏大的一種架型。示例，當預計的頂?shù)装逡平繛?00mm時，由圖2-6-32曲線查得每米巷道要求的支架承我能力為240kN。如取棚子間距為0.5m，則正好可選用單架工作阻力為120kN的支架。如頂板較完整取棚子間距為0.7m時，合理的支架工作阻力位于150和180kN之間

4、，則選用單架工作阻力為180kN的支架，超出的一部分工作阻力可作為安全系數(shù)考慮。 圖2-6-32 根據(jù)頂?shù)装逡平考芭镒娱g距確定支架工作阻力 1.3 圍巖壓力分析計算設(shè)計方法 （1） 普氏法圍巖壓力計算見圖2-6-33 圖 2-6-33 圍巖壓力計算見圖 計算跨度之半 式中，a-巷道寬度之半 m h-巷高，m -巖石內(nèi)摩擦角。對粘土及破碎松散巖石 式中: f-普氏系數(shù)。 RC-折減后抗剪強度， -巖石容重， H-巷道埋深。24501htgaaHRtgfC按巖石抗壓強度計算 R30MPa，f=R/60R/80塌落拱高 b=a1/f(m) （2-6-3）垂直巖壓 Q=a1b （2-6-4）側(cè)壁巖壓

5、 p=h(b+h/2)tg2(450一/2) （2-6-5）（2） 圓形斷面彈性理論公式徑向應力 （2-6-6）切向應力 （2-6-7）剪切應力 （2-6-8）式中， -極坐標輻射角， - 側(cè)壓力系數(shù)， -泊松比。0r 2cos121HH0r1（3） 圓形斷面彈塑性理論公式 （2-6-9）式中: Pi-支護阻力 C-巖體內(nèi)聚力， r0-巷道半徑， R - 塑性區(qū)半徑， CtgRrCtgHPi sin21sin20sin1（4） 經(jīng)驗系數(shù)法 水電部總結(jié)國內(nèi)經(jīng)驗而得出:PZ=SZb，PX=SXH式中: PZ-均勻分布的垂直壓力， SZ-垂直巖體壓力系數(shù) b-巷道開挖寬度， PX-均勻分布的水平圃巖

6、壓力，噸/米， SX-水平圍巖壓力系數(shù) H-巷道開挖的高度。 砂巖地段可用普氏法計算，泥巖段可用彈塑性理論公式和經(jīng)數(shù)法計算。 4）綜合設(shè)計方法 各礦區(qū)根據(jù)具體情況，綜合考慮上述方法制定本礦區(qū)巷道棚式支架支護設(shè)計規(guī)范。 陽泉礦區(qū)以大量的實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行理論分析計算并通過工程實踐檢驗，得出綜采放頂煤工作面巷道支護有關(guān)參數(shù)見表2-6-5。注 支護安全系數(shù)1.2; 12#礦工鋼3.2m跨度時梁承載能力123.48KN/根， 11#、12#表示11#礦工鋼、12#礦工鋼對棚支架型式。表2-6-5 綜采放頂煤工作面巷道支護參數(shù) 2 巷道錨桿支護設(shè)計（1） 工程類比法 工程類比法由直接類比法和間接類比法

7、組成。直接工程類比法是建立在已有工程設(shè)計和大量工程實踐成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件及各種影響因素基本一致的情況下，根據(jù)類似條件的已有經(jīng)驗，進行待建工程錨桿支護類型和參數(shù)設(shè)計。1988年原煤炭工業(yè)部頒布試用我國緩傾斜傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案以來，經(jīng)過十余年的應用，分類方案近一步充實、完善，對于錨桿支護更應當注重巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上推薦的巷道頂板錨桿基本支護形式與主要參數(shù)選擇見表2-6-11、表2-6-12。表2-6-11 煤巷頂板錨桿基本支護形式與主要參數(shù) 巷 道 類 別 巷 道 圍 巖穩(wěn) 定 狀 況基 本 支護 形 式 主 要 支 護 參數(shù) 整 體砂 巖 、 石 灰

8、巖 類 巖 層 ， 不支 護 非 常 穩(wěn) 定其 它 巖 層， 單 體 錨 桿 頂 板 較 完 整， 單 體 錨 桿端 錨 桿 體直 徑 16mm、 桿 體長度 1.6 1.8m、 間 排 距 0.81. 2m 、 設(shè)計 錨 固 力 64 80kN 穩(wěn) 定 頂 板 較破 碎 ， 錨 桿+ 網(wǎng) 頂 板 較 完 整， 錨 桿 + 鋼筋 梁 或 桁 架端 錨 桿 體直 徑 1618mm、桿 體 長度 1.6 2.0m、間 排 距0.8 1.0m、 設(shè) 計 錨 固力 6480kN 中 等 穩(wěn) 定頂板 較 破 碎 ，錨 桿 + W 鋼 帶（ 或鋼 筋 梁 ） +網(wǎng) ， 桁 架 +網(wǎng) ， 或 增加 錨 索

9、端 錨 桿 體直 徑 1618mm、桿 體 長度 1.6 2.2m、間 排 距0.6 1.0m、 設(shè) 計 錨 固力 6480kN 全 長 錨 固 桿 體 直 徑 18 22mm、桿體 長 度 1. 82. 4m、間排 距 0.6 1.0m 、 不 穩(wěn) 定 錨 桿 +W 鋼帶+ 網(wǎng) ， 或增 加 錨 索 桁 架 +網(wǎng) ， 或 增加 錨 索 全 長 錨 固 桿 體 直 徑 18 22mm、桿體 長 度 1. 82. 4m、間排 距 0.6 1.0m 、 極 不 穩(wěn) 定頂 板 較 完 整，錨桿 + 金 屬 可縮 支 架 ，或 增 加錨 索 ； 頂 板較 破 碎 ， 錨桿 + 網(wǎng) +金 屬 可 縮 支

10、架 ，或 增 加 錨索 ；底 臌 嚴 重， 錨桿 + 環(huán) 形可縮 支 架 全 長 錨 固 桿 體 直 徑 18 24mm、桿體 長 度 2. 02. 6m、間排 距 0.6 1.0m 、 注1.巷幫錨桿基本支護形式與主要參數(shù)視地應力、巷幫煤（巖）強度、節(jié)理狀況、護巷煤柱尺寸、巷道斷面等因素，參照頂板錨桿確定；2對于復合頂板、破碎圍巖、易風化、潮解、遇水膨脹圍巖，可考慮在基本支護形式基礎(chǔ)上增加錨索加固或注漿加固、封閉圍巖等措施；3“頂板較完整”指節(jié)理、層理分級的、，“頂板較破碎”指、級，如7-7所示。 表2-6-12 節(jié)理、層理發(fā)育程度分級 節(jié)理、層理分級 節(jié)理、層理發(fā)育程度 極不發(fā)育 不發(fā)育

11、中等發(fā)育 發(fā)育 很發(fā)育 節(jié)理間距 D1m 3 13 0.41 0.10.4 0.1 分層厚度 D2m 2 12 0.31 0.10.3 0.1 （2） 理論計算法按懸吊理論錨桿長L可由下式計算 （2-6-10）式中 L1錨桿外露長度，一般取L10.15m； L2錨桿有效長度，m； L3錨桿錨固長度，由拉拔試驗確定，m。321LLLL 當直接頂需要懸吊的范圍易于劃定時，L2應大于或等于它們的厚度。巷道圍巖存在松動破碎帶時，L2應大于或等于松動破碎區(qū)的高度： （2-6-11）式中 RMRCSIR地質(zhì)力學分級巖體總評分； B巷道寬度，m。1001002BRMRL 用普氏自然平衡拱理論確定松動破碎區(qū)的

12、高度時，L2應等于普氏免壓拱的高度：當f3時 （2-6-12）當f2時 （2-6-13）式中 f普氏巖石堅固性系數(shù)， h巷道掘進高度，m； 巖體內(nèi)摩擦角，（0）。fBL222452102hctgBfL 根據(jù)桿體承載力與錨固力等強度原則計算桿體直徑D(mm)： （2-6-14）式中 由拉拔試驗確定的錨固力，kN； t桿體材料的抗拉強度，MPa。tQD52.35 根據(jù)每根錨桿懸吊的巖重，計算錨桿的間排距s1、s2（m），通常按錨桿等距排列： （2-6-15）式中 K錨桿安全系數(shù)，一般取K1.52； 巖石體積力，kN/m3。221LKQss按組合梁理論計算： （2-6-16）式中 K1安全系數(shù)，一般

13、取K135； q均布載荷，kN/m。在考慮了巖層蠕變的影響及頂板各巖層間摩擦作用的影響后： （2-6-17）式中 x原巖水平應力，MPa； 反映與梁應力和彎曲有關(guān)的各巖層間摩擦作用的慣性矩折減系數(shù)（表2-6-13）。tqKBL125 . 0 xtqKBL120193. 0表2-6-13 由組合梁巖層數(shù)目決定的系數(shù)數(shù)值 根據(jù)組合梁的抗剪強度，計算錨桿的間排距s1、s2 （m），通常按錨桿等距排列： （2-6-18）式中 桿體材料抗剪強度，MPa； K2頂板抗剪安全系數(shù)，一般取K236。 組合巖層數(shù)目 1 2 3 4 1 0.75 0.7 0.65 BqKLDss22210458. 0（3） 系統(tǒng)

14、設(shè)計法 對于大量工程巖石力學問題，只有少數(shù)能得到解析解，這一方面是由于巖體的非勻質(zhì)、各向異性等特征，造成巖體本構(gòu)關(guān)系的非線性，以及控制偏微分方程的非線性。另一方面，邊界條件常常不能表示為簡單的數(shù)學函數(shù)。因此，當力學模型建立之后，設(shè)計分析和反饋分析階段通常要采用數(shù)值方法得出近似解。利用有限元法、有限差分法、邊界元法和離散元法等工程數(shù)值方法，使我們有可能選擇更精確的力學模型處理錨固體的復雜力學特征，例如，非線性、非勻質(zhì)性、各向異性和時變性等。也有可能解決復雜的巷道錨桿支護中的工程問題，例如，分步開挖、復雜幾何形狀、地下水作用、采動影響等問題。 我國巷道錨桿支護系統(tǒng)設(shè)計的基本思想是認為地質(zhì)調(diào)查、設(shè)計、施工、監(jiān)測、信息反饋等是相互關(guān)聯(lián)、制約和影響的有機整體，巷道支護系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)設(shè)計方法包括6個基本部分： 地質(zhì)力學評估，