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②锚杆长度
随着锚杆长度增加,有效压应力区范围与厚度增加,锚杆作用范围扩大。
但锚杆长度中上部分的压应力减小;
两锚杆之间中部围岩的压应力减小。
在预应力一定的条件下,锚杆越长,预应力的作用越不明显,主动支护性越差。
因此,锚杆越长,施加的预应力应越大。
反过来,通过提高预应力,可适当减小锚杆长度。
锚杆长度分别为1.6~2.6m的应力分布如图7。
上述锚杆支护参数的分析同样适用于锚索。
锚索直径越大、强度越高、长度越大,施加的预应力应越高。
不考虑锚索的预应力而一味增加锚索直径、长度,不会取得明显效果。
高预应力的短锚索支护效果比低预应力的长锚索支护效果好。
a-锚杆长度1.6m的应力分布图b-锚杆长度2.0m的应力分布图
c-锚杆长度2.4m的应力分布图d-锚杆长度2.6m的应力分布图
图7不同锚杆长度的预应力分布图
③锚杆密度
在一定预应力下,单根锚杆周围形成了类似锥形的压应力分布区域,压应力在锚杆尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚杆自由段中部较小,锚杆端部处于近零应力和较小的拉应力状态。
锚杆间距过大,单根锚杆形成的锥形压应力区域彼此是独立的,不能形成整体支护结构。
随着锚杆间距缩小,单根锚杆形成的锥形压应力区逐渐靠近、相互叠加,连成一体,形成整体支护结构,当锚杆增加到一定程度,再增加支护密度,对有效压应力区扩大、锚杆预应力的扩散作用变得不明显。
通过提高锚杆的预应力,可增加锚杆的间排距,明显降低锚杆支护密度。
不同锚杆间距的支护附加应力场如图8。
a-4根锚杆的支护附加应力场b-5根锚杆的支护附加应力场
c-6根锚杆的支护附加应力场d-8根锚杆的支护附加应力场
图8不同间距锚杆的应力分布图
④锚杆角度
顶板角锚杆的角度对应力场分布有显著影响。
垂直布置时,角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加,在顶板形成厚度较大、分布比较均匀的压应力区,覆盖了锚固区的大多数面积,锚杆预应力扩散与叠加效果最好。
随着角锚杆角度增加,角锚杆形成的有效压应力区与中部锚杆形成的有效压应力区逐步分离,叠加区域越来越小。
当顶板角锚杆角度达到15°
,两个压应力区明显分离。
继续加大角锚杆角度,角锚杆与中部锚杆的压应力区分开的更远,成为彼此独立的支护单元,见图9。
因此,在近水平煤层巷道中,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°
。
a-垂直布置b-与垂线夹角10°
c-与垂线夹角30°
图9不同锚杆角度的应力场分布
⑥锚索的作用
锚索的作用主要有两方面:
一是将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连,提高次生承载结构的稳定性,同时调动深部围岩的承载能力,使更大范围内的岩体共同承载;
二是锚索施加较大预紧力,提供有效压应力,与锚杆形成的压应力区形成骨架网络结构,保持围岩完整性,减小围岩强度降低,见图10。
a-锚索支护b-锚杆与锚索支护
图10锚索、锚杆与锚索预应力形成的附加应力场分布
3.2设计原则
(1)一次支护原则。
锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形,避免二次或多次支护。
一方面,这是矿井实现高效、安全生产的要求,为采矿服务的巷道和硐室等工程,需要保持长期稳定,不能经常维修;
另一方面,这是锚杆支护本身的作用原理决定的。
巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳,而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆,支护效果会受到显著影响。
(2)高预应力和预应力扩散原则。
预应力是锚杆支护中的关键因素,是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数,只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护,才能充分发挥锚杆支护的作用。
一方面,要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力;
另一方面,通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散,扩大预应力的作用范围,提高锚固体的整体刚度与完整性。
(3)“三高一低”原则。
即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。
在提高锚杆强度(如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度)、刚度(提高锚杆预应力、加长或全长锚固),保证支护系统可靠性的条件下,降低支护密度,减少单位面积上锚杆数量,提高掘进速度。
(4)临界支护强度与刚度原则。
锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度,如果支护强度与刚度低于临界值,巷道将长期处于不稳定状态,围岩变形与破坏得不到有效控制。
因此,设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。
(5)相互匹配原则。
锚杆各构件,包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配,锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配,以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。
(6)可操作性原则。
提供的锚杆支护设计应具有可操作性,有利于井下施工管理和掘进速度的提高。
(7)在保证巷道支护效果和安全程度,技术上可行、施工上可操作的条件下,做到经济合理,有利于降低巷道支护综合成本。
3.3巷道支护方案设计
现作如下规定:
二采区三条2#下山正常段是指掘进巷道未穿越公路、河流的区段,其中穿越村庄、河中洗煤厂的区段也算作正常段;
二采区三条2#下山特殊段是指掘进巷道穿越公路、河流的区段。
二采区三条2#下山巷道部分区段穿越地质冲刷区域,该区域内有盘鑫公路、槐南公路、盘地村东部边缘、河中洗煤厂及盘地河,其中槐南公路为煤炭运输公路,盘地河为季节河流,雨季出现洪水流,平时为溪流或干涸。
三条下山埋深最深处87m,最浅处25m,平均埋深约35m,属于浅埋深巷道。
三条下山巷道支护,不仅要控制巷道围岩变形,保证巷道安全,还要严格控制顶板沉陷量、渗透性,保证巷道的开掘不破坏地表的公路、村庄、建筑物及河流。
钢筋混凝土拱具有强度高、整体性能好等优点,能承受较高的压力,承受不同程度的偏载,且具有良好的隔水性和耐久性,多用在压力特大且顶板淋水的破碎带。
根据新良友煤业提供的地质资料,巷道穿越盘鑫路、槐南路段最长段约三十来米,最短段约十五米;
穿越盘地河流段最长约十五米,最短段不足十米,由于穿越公路段需要抗击地面过往车辆的循环冲击载荷(约70t),穿越河流段需要防止河床下沉河水渗透,所以在穿越公路、河流段巷道需要采取特殊支护,加之区段较短,设计采用承压力强、整体性能好,具有良好隔水性和耐久性的钢筋混凝土浇注方式支护;
穿越村庄、洗煤厂段巷道最长为两百多米,最短段也有二十多米,范围较大,此外村庄、洗煤厂属于静载荷,对巷道的冲击变形影响不大,所以采用加大锚杆锚索强度密度的方式支护巷道。
针对新良友煤业的实际情况和巷道开掘要求,经过理论分析、数值模拟计算,最终确定二采区三条2#下山支护方案:
在正常段,巷道采用树脂锚杆锚索组合系统的一次支护方案;
在特殊段,巷道采用先树脂锚杆锚索支护再浇筑钢筋混凝土的二次支护方案。
在特殊段采用浇注钢筋混凝土方式加强支护时,综合考虑工程施工量、地质条件及地表公路、河流影响范围,设计特殊段两侧各留有5m富余量。
巷道掘进期间要做好防水排水工作。
3.4巷道支护断面设计
考虑到掘进过程中设备尺寸,通风要求和浇筑钢筋混凝土预留量,设计二采区2#回风下山及轨道下山正常段掘进断面呈矩形,掘进巷宽3.4m,巷高2.8m,掘进面积为9.52m2;
特殊段掘进断面呈半圆拱形,掘进拱宽4.4m,墙高1.2m,掘进面积为12.88m2;
二采区2#运输下山正常段掘进断面呈矩形,掘进巷宽3.2m,巷高2.4m,掘进面积为7.68m2;
特殊段掘进断面呈半圆拱形,掘进拱宽3.7m,墙高1.2m,掘进面积为9.82m2。
三条下山均沿3#煤层底板掘进。
3.5锚杆支护初始设计
二采区2#回风下山及轨道下山正常段支护
(1)顶板支护
锚杆形式和规格:
杆体为20#左旋无纵筋螺纹钢筋,钢材为335#锚杆专用钢,长度2.0m,杆尾螺纹为M22。
锚固方式:
树脂加长锚固,采用两支树脂药卷,一支规格为K2335,一支规格为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14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度为2900mm,两端双筋焊接。
网片规格:
采用金属网护顶,材料为10#铁丝,网孔规格50×
50mm,网片规格3800×
1000mm,网片搭接100mm,用16#铅丝逐孔连接。
锚杆布置:
锚杆排距900mm,每排4根锚杆,间距900mm。
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300Nm,但不超过550Nm。
锚索:
锚索形式和规格:
锚索材料为18.9mm,17股高强度低松弛预应力钢绞线,延伸率4.0%,长度5300mm,钻孔直径28mm,采用一支K2335和两支Z2360树脂药卷锚固,锚固长度为1900mm。
锚索托板:
采用300mm×
300mm×
16mm高强度可调心托板及配套锁具,托板要求高度达到60mm,承载能力不低于400kN。
锚索布置:
每两排布置两根的隔排布置,间距1500mm,排距1800mm。
锚索全部垂直岩面打设,考虑到施工需要,允许5°
锚索预紧力:
锚索要求超张拉至200kN,损失后预紧力为150kN。
(2)巷帮支护
锚杆形式和规格:
树脂端部锚固,采用一支树脂药卷,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。
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。
采用直径14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度2200mm,两端双筋焊接。
采用金属网护帮,材料为10#铁丝,网孔规格50×
50mm,网片规格2600×
锚杆排距900mm,每排每帮3根锚杆,间距1000mm。
巷道支护断面如图11。
图11二采区2#回风下山及轨道下山正常段支护断面图
二采区2#回风下山及轨道下山特殊段支护方案
(1)半圆拱支护
采用14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度为2750mm,钢筋托梁搭接100mm。
50mm,网片规格2700×
锚杆排距900mm,每排7根锚杆,间距850mm。
每两排布置三根的三花布置,间距2500mm,排距900mm。
(2)直墙支护
采用直径14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度2000mm,钢筋托梁搭接100mm。
50mm,网片规格1900×
锚杆排距900mm,每排每帮2根锚杆,间距850mm。
(3)钢筋混凝土浇筑支护
设计钢筋混凝土厚度为0.4m,衬筋为16mm圆钢,绑筋为8mm圆钢,钢号不低于Q235,用双股16#铁丝捆绑扎成400×
200×
400mm网格,混凝土强度为C30,衬筋两侧保护层为100mm,不得有空洞、漏筋现象。
混凝土浇筑前在巷道拱尖位置提起预埋设一寸注浆管,待混凝土浇筑完成后壁后注浆。
注浆孔为每两排三根的三花布置,间距2500mm,排距900mm,和锚索布置相对称。
巷道支护断面如图12。
图12二采区2#回风下山及轨道下山特殊段支护断面图
二采区2#运输下山正常段支护
50mm,网片规格3600×
每两排布置一根的隔排布置,位于顶板中间,排距1800mm。
采用直径14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度2000mm,两端双筋焊接。
50mm,网片规格2200×
锚杆排距900mm,每排每帮3根锚杆,间距900mm。
巷道支护断面如图13。
图13二采区2#运输下山正常段支护断面图
二采区2#运输下山特殊段支护方案
采用14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度为2600mm,钢筋托梁搭接100mm。
锚杆排距900mm,每排7根锚杆,间距800mm。
每两排布置三根的三花布置,间距2200mm,排距900mm。
采用直径14mm钢筋焊接而成,宽80mm,长度1800mm,钢筋托梁搭接100mm。
50mm,网片规格1800×
锚杆排距900mm,每排每帮2根锚杆,间距800mm。
注浆孔为每两排三根的三花布置,间距2200mm,排距900mm,和锚索布置相对称。
巷道支护断面如图14。
图14二采区2#运输下山特殊段支护断面图
遇到顶板破碎、顶板淋水等条件时要及时补打锚索。
遇到地质条件发生变化或大的地质构造时需及时汇报,以调整支护方案,加强支护设计。
支护材料及其余不明参数参照中华人民共和国煤炭行业标准MT/T1104-2009《煤巷锚杆支护技术规范》及《潞安矿区煤巷锚杆支护技术规范》(2011年修订版)。
4锚杆支护材料
本次试验所需锚杆支护材料如表2-5所列。
表2二采区2#回风下山及轨道下山正常段支护材料清单
序号
名称
型号
单位
每排数
每米数
100m巷道数
1
高强锚杆
20-M22-2000
根
10
11
1100
2
树脂药卷
K2335
支
5
5.5
550
3
Z2360
12
13.2
1320
4
钢筋托梁
14-4-80-2900
1.1
100
14-3-80-2200
2.2
200
6
金属网
50×
50mm,3.8×
1.0m
片
110
7
50mm,2.6×
220
8
锚杆托板
120×
8mm
个
9
锚索托板
300×
16mm
表3二采区2#回风下山及轨道下山特殊段支护材料清单
12.2
1220
8.5
9.44
944
14
15.56
1556
14-4-80-2750
2.22
222
14-3-80-1700
50mm,2.7×
22
50mm,1.7×
12.22
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