第二講 煤礦巷道錨索支護(hù)的設(shè)計及示例Microsoft PowerPoint 演示文稿

第二講煤礦巷道錨索支護(hù)的設(shè)計及示例云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：曾正良副教授4/19/20231第一節(jié)錨索支護(hù)設(shè)計

一、支護(hù)設(shè)計為擴(kuò)大錨桿支護(hù)的使用范圍，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的經(jīng)濟(jì)、快速、安全可靠的優(yōu)點，在大斷面、地質(zhì)構(gòu)造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高地應(yīng)力、綜放巷道等困難、復(fù)雜的巷道中，為增加錨桿支護(hù)的可靠性，可使用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。4/19/20232

預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)在煤巷支護(hù)中占有重要地位。由于它的錨固深度大，可將下部不穩(wěn)定巖層錨固在上部穩(wěn)定的巖層中，可靠性較好；且可施加預(yù)應(yīng)力，實現(xiàn)主動支護(hù)，因而是煤巷推廣錨桿支護(hù)技術(shù)中一項重要的保證措施。1.錨索加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計原則錨索的主要作用是將頂板下部不4/19/20233穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，因而可按懸吊理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計。但由于巖層自身具有承載能力，尤其是采用錨桿支護(hù)的頂板，圍巖強(qiáng)度得到了提高，設(shè)計中應(yīng)考慮此因素。在設(shè)計時可按最危險的極限狀態(tài)計算，即下部巖層或煤體的重量通過錨索懸吊，同時根據(jù)巖層的強(qiáng)度、裂隙、錨桿支護(hù)參數(shù)等考慮巖層的自身4/19/20234承載能力，折減計算值。設(shè)計參數(shù)包括錨索的內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)及材料，錨索的間排距、錨固長度、鉆孔深度等。由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在施工階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，及時反饋監(jiān)測結(jié)果，以現(xiàn)場監(jiān)測信息為依據(jù)，修改和完善設(shè)計。小孔徑(φ28～φ32mm)錨索結(jié)構(gòu)較為簡單，可分為三部分：內(nèi)錨固4/19/20235段、鋼絞線自由段和外錨固段，如圖1—1所示，圖1—2所示為錨索加固。2.錨索參數(shù)的確定(1)錨索支護(hù)材料①錨索：小孔徑樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索索體材料采用鋼絞線。鋼絞線為一組鋼絲以螺旋狀沿同一根縱軸繞轉(zhuǎn)而成，目前廣泛采用7股φ5mm高強(qiáng)度鋼絞線。應(yīng)選擇預(yù)應(yīng)力鋼絞線，具4/19/20236圖1—1小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)1—毛刺；2—鋼絞線；3—鉆孔；4—巷道圍巖表面；5—槽鋼；6—鋼墊板；7—鎖具；L1—內(nèi)錨固段長度；L2—錨索有效長度；L3—錨索外露長度4/19/20237圖1—2—517m馬頭門修復(fù)錨索加固方案4/19/20238有強(qiáng)度高、韌性好、低松弛等特點，既有一定剛度又有一定柔性，可盤成卷便于運(yùn)輸，又能自身攪拌樹脂藥卷快速安裝，適合在空間尺寸較小的巷道中使用。錨索的技術(shù)特征見表1—1所示。新型19根鋼絲代替了原來的7根鋼絲(圖1—3)，索體結(jié)構(gòu)更加合理，而且明顯提高了錨索的延伸率。如4/19/20239表1—17股高強(qiáng)度鋼絲(錨索)技術(shù)特征4/19/202310圖1—3錨索索體結(jié)構(gòu)圖4/19/202311φ22mm的高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線的拉斷力超過600kN，是φ15.20mm的鋼絞線拉斷力的2.3倍；索體延伸率接近7%，比φ15.20mm的鋼絞線提高一倍。真正實現(xiàn)了大直徑、大延伸率與高噸位。新型錨索岔經(jīng)在高地應(yīng)力巷道、特大斷面巷道、受強(qiáng)烈采動影響巷道得到應(yīng)用，取得良好的支護(hù)效果。

4/19/202312②鎖具:鎖具是為保持預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉力并將其傳遞到被錨圍巖上所用的永久性錨固裝置。鎖具應(yīng)具有可靠的錨固性能和足夠的承載能力，以保證充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強(qiáng)度。目前，小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索的鎖具以瓦片式為主，可承受動、靜荷載。鎖具由錨環(huán)和錨塞組成，其結(jié)構(gòu)見圖1—4。這種鎖具有多種規(guī)格，應(yīng)按鋼絞4/19/202313

圖1—4鎖具結(jié)構(gòu)圖

4/19/202314線規(guī)格選取，保證瓦片與鋼絞線有良好的匹配關(guān)系。③錨固劑：應(yīng)根據(jù)鉆孔直徑和設(shè)計的錨固長度選擇合理的樹脂藥卷型號、規(guī)格和數(shù)量。采用普通樹脂藥卷加長錨固，使用錨桿鉆機(jī)帶動鋼鉸線攪拌樹脂藥卷，安裝工序簡單。由于樹脂藥卷凝結(jié)時間短，一般等待1h后即可安裝鎖具進(jìn)行張拉，實現(xiàn)錨索4/19/202315的快速安裝和及時承載，有利于巷道快速施工和圍巖穩(wěn)定。在服務(wù)時間比較長的巷道，如大巷、采區(qū)集中巷及硐室中，為了提高錨索錨固效果，同時防止索體銹蝕，最好先進(jìn)行樹脂端部錨固，然后注漿，實現(xiàn)樹脂注漿聯(lián)合全長錨固。對于圍巖破碎、巖體含水等樹脂藥卷不能保證足夠錨固力的條件下，也可以4/19/202316采用聯(lián)合全長錨固方式。采用端錨時優(yōu)先選用樹脂錨固劑；全長錨固時選用水泥(砂)漿。④托盤：托盤強(qiáng)度與錨索強(qiáng)度相匹配。錨索托板最常用的是平托板，由一定厚度和面積(如300mm×300mn×l6mm)的普通鋼板制成。另一種是采用一段槽鋼制成，應(yīng)選用16號以上槽鋼，材料極限強(qiáng)度不低于3504/19/202317kPa。有的礦區(qū)還采用工字鋼或廢舊溜槽制作錨索托板。這幾種托板只適用于錨索垂直巷道表面布置，而且力學(xué)性能差。當(dāng)錨索預(yù)緊力和承受的載荷比較大時，平托板四周易翹起，托板承載顯著降低；槽鋼托板易變形、扭曲，甚至壓穿槽鋼，使錨索失效。(2)支護(hù)方式選擇采用聯(lián)合支護(hù)，即先錨網(wǎng)噴支4/19/202318護(hù)，再進(jìn)行錨索加強(qiáng)支護(hù)。對于拱型錨噴巷道，大斷面硐室及交岔點加固，應(yīng)采用點式錨索支護(hù)；當(dāng)巷道圍巖裂隙比較發(fā)育或上部為復(fù)合頂時，宜采用“錨索+鋼帶支護(hù)”。(3)錨索支護(hù)參數(shù)的確定原則①最小錨固長度：水泥(砂)漿錨固錨固長度大于3.5m；樹脂錨固錨固長度大于1.5m。4/19/202319②錨索長度：錨索長度5.0～10.0m，根據(jù)工程條件選取。③錨索間排距按下式選取S≤L／2式中L—錨索孔長度，m；S—錨索孔間排距，m。3.施工工藝錨索施工可分為地面準(zhǔn)備、鉆4/19/202320孔、錨固、張拉4個主要工序，見圖1—5所示。(1)地面準(zhǔn)備首先檢查鋼絞線，截去松絲、嚴(yán)重銹蝕和死彎部分，按設(shè)計長度截斷鋼絞線，除去鐵銹和污泥，在錨固頭安裝毛刺(齒)和擋圈，最后盤成圈。(2)鉆孔鉆孔是錨索施工中控制工期的關(guān)4/19/202321圖1—5錨索施工工藝4/19/202322鍵工序。為確保鉆孔效率和保證鉆孔質(zhì)量，采用錨桿鉆機(jī)或輕型專用錨索鉆機(jī)?？蛇B接B19或B22鉆桿,Ф27~29mm旋轉(zhuǎn)式鉆頭。鉆機(jī)鉆孔時，按錨索設(shè)計長度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊，鉆桿用完，孔深也恰好到位。鉆孔深度要超出錨索設(shè)計長度0.5m左右。在鉆孔時要保持鉆機(jī)不挪動，以免鉆孔軸線不在一直線上，給錨索安裝帶來困難，其4/19/202323工藝類似錨桿鉆孔。鉆孔結(jié)束，逐根拔出鉆桿和鉆具，將沖擊器清洗好備用。用一根聚乙烯管復(fù)核孔深，并以高壓風(fēng)吹孔，待孔內(nèi)粉塵吹干凈，且孔深不少于錨索設(shè)計長度時，拔出聚乙烯管，塞好孔口。兩種特殊情況的處理：①滲水的處理。在鉆孔過程中或4/19/202324鉆孔結(jié)束后吹孔時，從孔中吹出的都是一些小石粒和灰色或黃色團(tuán)粒而無粉塵，說明孔內(nèi)有滲水，巖粉多貼附于孔壁，這時，若孔深已夠，則注入清水，以高壓風(fēng)吹凈，直至吹出清水；若孔深不夠，雖沖擊器工作，仍有進(jìn)尺，也必須立即停鉆，拔出鉆具，洗孔后再繼續(xù)鉆進(jìn)，如此循環(huán)，直至結(jié)束。有時孔內(nèi)滲水量大，有積4/19/202325水，吹出的是泥漿和碎石，這種情況巖粉不會糊住孔壁，只要沖擊器工作，就可繼續(xù)鉆。如果滲水量太大，以至淹沒了沖擊器，沖擊器會自動停止工作，應(yīng)拔出鉆具進(jìn)行壓力注漿。②塌孔、卡鉆的處理。當(dāng)鉆孔穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層或巖體破碎帶時，往往發(fā)生塌孔。塌孔的主要標(biāo)志是從孔中吹出黃色巖粉，夾雜一些原狀的（非4/19/202326鉆頭碎的、非新鮮的、無光澤的）石塊，這時，不管鉆進(jìn)深度如何，都要立即停止鉆進(jìn)，拔出鉆具，進(jìn)行固壁注漿，注漿壓力采用0.4MPa，漿液為水泥砂漿和水玻璃的混合液，24h后重新鉆孔。雨季，常常順巖體破碎帶向孔內(nèi)滲流泥漿，固壁注漿前，必須用水和風(fēng)把泥漿洗出（塌入鉆孔的石塊不必清除），否則，不僅固壁注4/19/202327漿效果差，還容易造成假象。(3)錨固根據(jù)選用的錨固劑不同，錨固工藝也有所差別。注水泥漿與樹脂膠泥工藝相似，將注漿管和排氣管綁在鋼絞線上，排氣管綁在最上端，注漿管綁在下端，輕輕送人孔底，封孔后開始注水泥漿或樹脂膠泥，直到排氣管不出氣或出漿為止。4/19/202328采用樹脂藥卷錨固時，按先后順序?qū)⒊旎蚩焖贅渲幘砗椭兴贅渲幘硭腿肟變?nèi)，用鋼絞線輕輕將樹脂卷送人孔底，用攪拌連接器將鋼絞線與鉆機(jī)連接起來，開動鉆機(jī)，邊攪拌邊推進(jìn)，攪拌20～30s，將鋼絞線卷入孔底，不落鉆機(jī)停轉(zhuǎn)，等待1～2min，落下鉆機(jī)，卸下攪拌連續(xù)器，完成錨索的內(nèi)錨固。4/19/202329(4)張拉注水泥漿錨固需養(yǎng)護(hù)6～7d，注漿脂膠泥錨固需養(yǎng)護(hù)4～5h，樹脂藥卷錨固需養(yǎng)護(hù)1h。養(yǎng)護(hù)好后再裝托梁、托板、鎖具，并使它們緊貼頂板，掛上張拉千斤頂，開泵進(jìn)行張拉，觀測壓力讀數(shù)。若千斤頂行程不夠，應(yīng)迅速回程，然后繼續(xù)張拉，達(dá)到設(shè)計預(yù)力時，停止張拉，卸下千斤4/19/202330頂；若鋼絞線外露長度過長影響行人、運(yùn)輸?shù)葧r，從錨具量起，留出長5.0～10cm鋼絞線，其余部分可用液壓剪剪斷多余的外露鋼絞線。

二、質(zhì)量控制1.錨位點放線，各方向允許誤差均為±1.0cm。2.腳手架的搭設(shè)必須穩(wěn)定，對緊固件的緊固必須有人復(fù)核。4/19/2023313.錨索孔徑允許誤差±2.0mm。4.若遇坍孔，應(yīng)立即停鉆，進(jìn)行固壁注漿處理，注漿24h后重新掃孔鉆進(jìn)。5.洗孔要干凈徹底，孔中不得留有巖粉和水。6.錨索的編制要確保每一根鋼絞線始終均勻排列、平直、不扭不叉，銹、油污要除凈，對有死彎、機(jī)械損4/19/202332傷及銹坑者應(yīng)剔出。7.錨索的長度要根據(jù)鉆孔的實際深度確定，允許誤差±2.0cm，并對錨索按孔號相應(yīng)編號。8.錨索安放要平直，張拉段要放在錨孔中央。9.錨索的張拉要在錨固段達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，方可進(jìn)行。10.張拉前張拉設(shè)備要標(biāo)定，重復(fù)4/19/202333三次取平均值。各根鋼紋線拉力不均勻系數(shù)在0.95～1.05之間，各根鋼紋線的拉力差為±5%。11.補(bǔ)張拉在張拉完成后6～10d進(jìn)行，張拉力取設(shè)計預(yù)拉力的20%。三、安全措施1.施工前進(jìn)行技術(shù)安全交底，施工中應(yīng)明確分工，統(tǒng)一指揮。2.各種機(jī)械機(jī)具應(yīng)處于完好可靠4/19/202334狀態(tài)。3.上崗前要做好安全檢查工作，由班組長負(fù)責(zé)，責(zé)任到人，互相監(jiān)督，施工人員進(jìn)入現(xiàn)場應(yīng)戴好安全帽，操作人員應(yīng)精力集中，遵守有關(guān)安全操作規(guī)程。4.機(jī)械、電器設(shè)備應(yīng)專人操作。5.電（氣）焊操作工應(yīng)有操作證。4/19/2023356.風(fēng)動鉆機(jī)管路連接應(yīng)牢靠，避免脫開甩出傷人。7.切割鋼絞線使用的砂輪切割機(jī)要設(shè)安全護(hù)罩，以免斷片傷人。4/19/202336第二節(jié)錨索設(shè)計示例示例：綜采工作面全煤切眼錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計和施工近年來隨著采礦機(jī)械的快速發(fā)展、在采煤工作面中綜采工作面所占份額不斷提高，因此，綜采工作面全煤切眼支護(hù)設(shè)計和施工十分重要。

一、綜采切眼錨網(wǎng)支護(hù)基本特點

4/19/202337（一）綜采切眼斷面及支護(hù)形式由于綜采工作面切眼的凈寬為6.0～6.5m，斷面積17～19m2。為此，一般采用先掘后擴(kuò)的方式達(dá)到設(shè)計斷面。斷面形狀多為梯形或矩形，采用工字鋼梯形棚、單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)方式或錨網(wǎng)梁（錨索）與單體支柱聯(lián)合錨網(wǎng)支護(hù)方式。

（二）綜采切眼錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)要求4/19/202338綜采工作面切眼由于安裝設(shè)備的需要，巷道斷面大，且布置在煤層中，采用錨網(wǎng)支護(hù)方式時，應(yīng)滿足以下幾條要求：1.從錨桿支護(hù)機(jī)理可以看出，錨桿的錨固強(qiáng)度是保證錨桿支護(hù)效果的關(guān)鍵因素，因此，設(shè)計時應(yīng)首先確定合理的錨固力，正確選擇錨桿類型。在一般的排間距情況下，應(yīng)選用高錨4/19/202339固力錨桿，頂板錨桿錨固力以大于70kN為宜。目前多選用樹脂錨固劑和金屬桿體錨桿加長或全長錨固以實現(xiàn)高強(qiáng)錨固支護(hù)的要求。2.綜采切眼巷道跨度大，巷中頂板錨桿支護(hù)效果尤為重要，以選用長錨桿或錨索加強(qiáng)支護(hù)為宜。否則，需在巷中增設(shè)中間立柱支撐。3.為增加頂板巖煤梁的抗剪能4/19/202340力，為巖梁提供兩個支點，應(yīng)使靠近巷道兩幫的錨桿向煤體傾斜一定角度。試驗表明，錨桿向煤體一般傾斜20°～40°(與鉛垂線夾角)為宜。其角度的大小主要由煤層的賦存條件決定，一般應(yīng)使傾斜錨桿端部的水平投影落在巷幫破煤深度之外，以使頂板形成的承載結(jié)構(gòu)兩端有穩(wěn)定的支點。4.綜采切眼多為導(dǎo)硐擴(kuò)幫施工，4/19/202341為確保施工安全，應(yīng)加強(qiáng)臨時支護(hù)，在臨時支護(hù)保護(hù)下進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè)。二、綜采切眼錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計施工下面舉例說明大跨度綜采切眼錨索支護(hù)設(shè)計和施工情況。

（一）地質(zhì)生產(chǎn)條件1301工作面是XX煤礦首采面，采用綜采開采。切眼沿3下號煤層傾向布置，原設(shè)計切眼斷面為梯形，上寬4/19/2023428.0m，下寬8.494m，高3.0m，切眼長度170m，沿煤層底板掘進(jìn)，留頂煤，平均埋藏深度458m，煤層平均厚度6.8m，傾角平均5°，單軸抗壓強(qiáng)度20.93MPa。頂板為細(xì)、粉砂巖互層，抗壓強(qiáng)度68.7MPa；底板為粉砂巖，抗壓強(qiáng)度65.2MPa，底板與煤層間夾有厚0～0.5m的粘土層。3下號煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育，該切眼的圍4/19/202343巖條件屬Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖。煤層及頂?shù)讕r性見表1—1。（二）支護(hù)設(shè)計1.斷面形狀選擇1301工作面切眼沿3下號煤底板掘進(jìn)，采用矩形斷面，切眼掘進(jìn)寬度8.494m，高3.0m，切眼切眼頂部采用微拱型，以便提高頂煤的自穩(wěn)性?？紤]到切眼煤頂會發(fā)生整體下沉，采4/19/202344表1—13下號煤層及頂?shù)讕r性4/19/202345用微拱后，隨著煤頂?shù)南鲁林饾u變?yōu)槠巾?。如掘出的切眼為平頂，?dāng)煤頂下沉后，出現(xiàn)頂部下彎而不利于頂煤穩(wěn)定，設(shè)計的頂部微拱高度200～250mm。2.支護(hù)形式確定為確保支護(hù)形式合理，首先應(yīng)對全煤切眼頂煤冒落范圍進(jìn)行分析計算。實際計算表明，頂煤潛在冒落拱4/19/202346范圍很大，不論按懸吊理論作用布置還是按加固作用布置，用常規(guī)錨桿支護(hù)都難以奏效，必須在常規(guī)錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采取加固措施。經(jīng)分析，該首采面錨桿支護(hù)試驗采用以樹脂全長錨固錨桿、金屬網(wǎng)和鋼筋梯為基本支護(hù)；以攪拌樹脂藥卷錨固，小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索為補(bǔ)強(qiáng)加固措施的支護(hù)形式。其中，錨桿以加固作用為主，旨4/19/202347在使其長度范圍以內(nèi)的頂煤形成“似整體結(jié)構(gòu)”；錨索以懸吊作用為主，旨在把潛在冒落范圍內(nèi)的頂煤懸吊在上部較穩(wěn)定的直接頂巖層上，阻止其發(fā)生垮落。3.錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)確定1)頂板錨桿：選用φ20×2500mm螺紋鋼錨桿，全長樹脂藥卷錨固；錨桿間排距，導(dǎo)硐部分600mm4/19/202348×800mm，擴(kuò)幫部分700mm×700mm。2)幫錨桿：選用擬φ6×2000mm可切割玻璃鋼錨桿，兩卷樹脂藥卷錨固，錨桿間排距擴(kuò)幫部分600mm×700mm。3)金屬網(wǎng)：采用8號鍍鋅鐵絲編制，或菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔為50mm×50mm。4/19/2023494)鋼筋帶：采用φ12圓鋼焊接而成。4.錨索補(bǔ)強(qiáng)加固參數(shù)確定切眼跨度大(8.494m)，為防頂煤錨固層整體切落，設(shè)計采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，由錨索承擔(dān)冒落拱巖石全部載荷。錨索以懸吊作用為主，根據(jù)1301切眼頂板巖性條件，確定錨索長度為4/19/2023506.0m（實際長度6.5m），選用φ15.24×6000mm錨索，其破斷力260kN，3卷樹脂藥卷錨固，預(yù)緊力大于100kN，每排布置4根，間排距1600mm×1400mm。1301切眼錨桿錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1—1所示。5.支護(hù)說明1301綜采切眼原設(shè)計采用工字鋼4/19/202351圖1—11301切眼錨桿錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)1—錨索φ15.24×6000mm；2—錨桿φ20×2500mm；3—鋼筋梯；4—菱形網(wǎng)50mm×50mm4/19/202352架棚背板支護(hù)，其導(dǎo)硐部分早已施工完畢。為保證切眼導(dǎo)硐部分的安全，決定在工字鋼架棚支護(hù)基礎(chǔ)上，采用錨網(wǎng)梯、單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)（單體液壓支柱替代擴(kuò)幫側(cè)工字鋼棚腿），錨索補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)方式。頂板采用φ20×2500mm樹脂全長錨固螺紋鋼錨桿，間排距600mm×800mm，南幫（導(dǎo)硐外側(cè)）4/19/202353錨桿采用φ20×2200mm樹脂藥卷加長錨固的螺紋鋼錨桿，間排距600mm×800mm。（三）施工工藝首先在已施工的導(dǎo)硐內(nèi)，按設(shè)計方案要求安裝導(dǎo)硐錨網(wǎng)、錨