摘要:利用錨桿支護的理論,通過圍巖的分析以及理論計算確定在應(yīng)力集中區(qū)進行錨網(wǎng)支護的支護參數(shù),通過現(xiàn)場的應(yīng)用情況,得出在該區(qū)域進行錨網(wǎng)支護的參數(shù)。
關(guān)鍵詞: 錨網(wǎng)支護應(yīng)力集中區(qū) 設(shè)計
1.概況
7314下工作面四周與7312采空區(qū)、F55斷層、F54斷層和東一運輸下山為界。該工作面運輸順槽與采空區(qū)凈煤柱為10m,巷道處于應(yīng)力集中區(qū),巷道沿煤層底板掘進,煤厚4.8~6.5m。煤層傾角5°~10°/7°
直接頂:泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、局部含砂,見植物化石及炭化體。在施工小溜子道和大切眼時,頂板為上分層回采冒落后形成的再生頂板,膠結(jié)松散易冒落。厚度為5.0~7.50m,平均6.0m。
直接底:泥巖及砂質(zhì)泥巖,上部為深灰~灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),底部夾粉砂質(zhì)條帶,見有植物碎屑化石及黃鐵礦斑塊。下部為深灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),含砂不均勻,見植物碎屑化石,斷口平坦。厚2.43~7.22m。
力學參數(shù):煤的單向抗壓強度為18.98Mpa,直接頂?shù)膯蜗蚩箟簭姸葹?5.1Mpa。
巷道斷面:巷道設(shè)計為矩形斷面,巷道毛寬4000mm,凈寬3800mm,毛高2500mm,凈高2400mm,掘進斷面10.0m2,凈斷面9.12 m2。
2.圍巖分類
以極限平衡區(qū)深入巷道圍巖的深度△為主要指標,以巷道周邊位移為輔助指標,進行巷道圍巖分類。
式中:λ=(1-sinψ)/2 sinψ =0.466
ψ— 內(nèi)摩擦角,煤層取31.17°
R—極限平衡區(qū)深入圍巖的深度
a—巷道當量半徑
a=K×RsK為斷面修正系數(shù),取1.2,Rs表示將其它形狀的巷道折算成圓形巷道的半徑,Rs=(S/Π)1/2=(4.2×2.5/Π)1/2=1.825
則a=1.2×1.825=2.19
Pi—支護阻力,計算時可忽略不計
Υ×H—原巖應(yīng)力, Υ取2.43t/msup3;;H巷道埋深=333+36=369m;
K1—采動影響系數(shù),取1.6
K2—煤巖體力學參數(shù)修正系數(shù),取0.5
C—粘結(jié)力,取4.73Mpa
式中:G—剪切彈性模量,
G=E/2(1+μ)=1.4GPa.
其它各參數(shù)意義同上。
以各項數(shù)值代入上式,計算得:R=3.2m △=R-a=1.01m
u=0.084m。
可見該區(qū)圍巖為Ⅱ3類圍巖。
3.支護參數(shù)的設(shè)計
3.1錨桿長度:
L’= P/(dyлιy)=7×104/20×3.14×20×103=0.061mm
L’’=P/(djлιj)=7/(27×3.14×50×10-5)=165mm
式中:L’---破壞面發(fā)生在金屬錨桿表所需的錨固段長度;
L’’—破壞面發(fā)生在鉆孔巖壁表面處所需的錨固段長度;
Dj---錨桿直徑, 20mm
Dy---鉆孔直徑,27mm
Ιj—粘結(jié)劑同金屬錨桿之間的粘結(jié)強度,50kg/cm2
Ιy—粘結(jié)劑與鉆孔巖壁之間的粘結(jié)強度,20MPa
P----錨桿載荷,70kn
現(xiàn)場使用中,取錨固段長度為0.25m。
L=L1+△MAX+L2=0.25+1.32+0.1=1.67m
式中:L—錨桿長度
L1—錨固段長度,取0.25m.
△MAX ---加固范圍, 取1.32m;
L2—錨尾長度,取0.1m;
3.2錨桿間排距
H=I=(лσD2/4qd)1/2=0.996m
式中:H、I---錨桿間排距
σ-----桿體材料的許用強度;300MPa
D------錨桿直徑,20mm
qd-----載荷集度
qd=n×(R-h)×r=0.095t/m2
式中:n---載荷備用系數(shù),取2
R---極限平衡區(qū)半徑;3.2m
h---掘進巷道的半高,1.25m
r---極限平衡區(qū)煤或頂板巖石的密度,2.43t/m2sup3;
根據(jù)以上計算,巷道頂部錨桿選用間排距為900×900mm,錨桿采用Φ20×1700mmⅡ級建筑螺紋鋼錨桿,并配合鋼帶支護。
4.支護能力的驗算
以冒落三角形的1.5倍計算頂板冒落自然拱的范圍,從而推算出每米巷道所需的最小支護重量為(內(nèi)磨擦角為ф=31.17°):
P1=1.5×4.6×3.98×1.35/2=18.54t=185.4KN
以2倍的安全系數(shù)計算,則每個支護斷面上需錨桿的支護力為
P2=2×185.4×0.9=333.72KN
設(shè)計錨桿的錨固力為70KN;
設(shè)計錨索的錨固力為125KN;
設(shè)計每個支護斷面上采用5根錨桿,則支護力為:
P3=5×70=350KN>333.72KN
設(shè)計每間隔一排打兩根錨索,則支護力為:
P4=4×70+2×125=530KN>333.72KN
故都能滿足支護要求。
5.支護方式確定
根據(jù)以上計算,巷道頂部錨桿選用間排距為900×900mm,錨桿采用Φ20×1700mmⅡ級建筑螺紋鋼錨桿,并配合鋼帶支護。
6.應(yīng)用情況
通過該巷道的使用情況看,高強度、超高強度全長樹脂錨固錨桿支護系統(tǒng)維護頂板是行之有效的。
目前巷道施工達到380m,巷道變形量不大,只是因為該煤柱較小,煤幫松軟,兩幫變形量較大,最大達到300mm,巷道局部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象??傮w來看,該巷道能夠滿足回采的正常安全使用。
7.結(jié)論和建議
(1)在應(yīng)力集中區(qū)進行錨網(wǎng)支護的技術(shù)是可行的,能夠滿足正常安全回采的使用。
(2)在應(yīng)力集中區(qū)掘進巷道時,頂板應(yīng)采用錨網(wǎng)(索)+梁支護方式,兩幫采用錨網(wǎng)支護方式。
(3)掘進巷道頂板錨桿:規(guī)格為φ18×2000mm煤礦專用螺紋鋼錨桿;間排距為900×900mm。
(4)頂板錨索:規(guī)格φ15.2×6500 mm低松弛預應(yīng)力鋼絞線;頂板正常情況下每施工2排錨桿附加施工1排錨索,每排2根錨索成對布置,間距1800 mm。每排錨索布置:方案一,位于兩排錨桿中間;方案二,與單排錨桿布置在同一排。如果錨索與單排錨桿布置在同一排,那么布置有錨索的這排錨桿,可以省去第2和第4根錨桿。
當頂板破碎或遇斷層時在影響區(qū)內(nèi)采用錨索加強支護,每施工1排錨桿附加施工1排錨索,每排2根錨索成對布置。
(5)若取得良好的煤巷巷道支護效果,必須注意以下問題:①重視“三徑”匹配問題;②錨桿支護系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)是錨固效果,必須注意錨固劑的正確使用和錨固效果的檢測;③重視幫部煤壁的支護問題,這是錨桿支護能否成功的關(guān)鍵所在;④注意頂板離層的檢測及支護強度的檢測。