v煤矿各巷道锚网喷支护设计.doc
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1、目目 录录 1 顶底板岩石物理力学性质1 1.1 煤层基本情况.1 1.2 顶底板岩石物理力学参数.2 2 围岩稳定性分类与锚固参数研究4 2.1 概述.4 2.2 以巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法 4 2.2.1 分类方法.5 2.2.2 分类指标的确定.6 2.2.3 分类指标的取值方法.7 2.2.4 分类的步骤.8 2.3 分类结果 .14 3 设计理论依据.16 3.1 顶板锚固支护原理及其适用条件16 3.2 两帮锚固支护原理及其适用条件21 4 支护方案设计.23 4.1 开切眼的锚固参数设计 .23 4.1.1 开切眼两帮锚固参数确定 23 4.1.2 开切眼顶板锚固参数
2、确定 25 4.1.3 开切眼锚固方案 29 4.2 胶带运输顺槽和回风顺槽锚固参数设计 .31 4.2.1 胶带运输顺槽和回风顺槽两帮锚固参数确定31 4.2.2 胶带运输顺槽和回风顺槽顶板锚固参数确定33 4.2.3 胶带运输顺槽和回风顺槽锚固方案36 4.3 轨道顺槽和进风顺槽锚固参数设计 .39 4.4.1 轨道顺槽和进风顺槽两帮锚固参数确定39 4.3.2 轨道顺槽和进风顺槽顶板锚固参数确定41 4.3.3 轨道顺槽和进风顺槽锚固方案44 4.4 一、二号胶带大巷锚固参数设计 .47 4.3.1 一、二号胶带大巷两帮锚固参数确定47 4.3.2 一、二号胶带大巷顶板锚固参数确定49
3、4.3.3 一、二号胶带大巷锚固方案52 4.5 一采区回风大巷锚固参数设计 .55 4.5.1 一采区回风大巷两帮锚固参数确定55 4.5.2 一采区回风大巷顶板锚固参数确定57 4.5.3 一采区回风大巷锚固方案60 4.6 一采区辅运大巷和东辅运大巷锚固参数设计 .63 4.6.1 一采区辅运大巷和东辅运大巷两帮锚固参数确定63 4.6.2 一采区辅运大巷和东辅运大巷顶板锚固参数确定65 4.6.3 一采区辅运大巷和东辅运大巷锚固方案68 4.7 二采区回风大巷和回风大巷锚固参数设计 .71 4.7.1 二采区回风大巷和回风大巷两帮锚固参数确定71 4.7.2 二采区回风大巷和回风大巷顶
4、板锚固参数确定73 4.7.3 二采区回风大巷和回风大巷锚固方案76 4.8 交叉点加强支护方案 .79 4.9 临时支护 .81 4.9.1 临时支护的形式与材料规格81 4.9.2 临时支护的操作过程81 4.10 锚固材料的规格、性能及其选择 82 4.10.1 锚固剂的规格、性能及其选择.82 4.10.2 预应力锚索的规格、性能与选择.83 4.10.3 锚杆的规格、性能与选择.84 4.10.4 锚杆梁(钢带或钢筋梯子梁)的规格、性能与选择.85 4.10.5 锚杆与锚索托板的规格、性能与选择.88 4.10.6 网的规格、性能与选择 .89 4.11 锚杆(索)预紧力的确定.91
5、 4.12 喷射混凝土.96 4.12.1 喷射混凝土的常用配比 .97 4.12.2 影响喷射混凝土强度的因素分析 .97 4.13 锚杆与锚索的施工工艺 .101 4.13.1 锚杆施工工艺 101 4.13.2 锚索施工工艺101 4.14 施工操作安全技术要求 .102 4.14.1 顶板管理及锚杆施工安全技术要求102 4.14.2 锚索施工与操作安全技术要求104 5 锚固质量检查与围岩动态监测105 5.1 锚固质量的日常检查 105 5.2 围岩动态的专项监测 106 6 总结 111 1 1 顶底板岩石物理力学性质 1.1 煤层基本情况 山西煤炭运销集团阳城羊泉煤业有限公司井
6、田位于阳城县城北 西约 20km 处的芹池镇柴庄村北侧,行政区划隶属阳城县芹池镇管辖。 其地理坐标为:东经 11213441121530,北纬 35 3609353817。目前开采 3#煤层,煤层平均埋深 200m 左右, 井田面积为 7.167km2。 井田位于沁水煤田南部,沁水复式向斜南端,受一组宽缓褶曲 控制,总体向北倾伏,地层倾角约 29,现未发现断层、陷落 柱构造,未见岩浆岩侵入,地层走向变化不大,根据 DZ/TO2152002煤、泥炭地质勘查规范 ,井田构造总体属简单类 型。 本矿现开采 3 号煤层,煤层厚 3.306.39m,平均厚 3.88m,煤 层结构简单较简单,夹 02 层
7、矸石,矸石成分多为炭质泥岩或泥 岩。其伪顶为灰色泥岩或炭质泥岩,厚约 0.1m,随开采过程极易冒 落,水平层理十分发育,富含植物化石;直接顶板多为砂质泥岩、 粉砂岩、泥岩,部分为细粒砂岩,一般厚约 2.50m,钙质胶结,分 选一般,含有泥岩包裹体,斜层理明显,裂隙不太发育;老顶为中 粒砂岩,厚约 3.0m。底板岩性多为泥岩、砂质泥岩,一般厚约 3.50m。 1.2 顶底板岩石物理力学参数 据山西省煤炭工业局综合测试中心 2010 年 5 月 10 日化验资料: 3 号煤层顶板泥岩抗压强度为 13.730.4MPa,平均 24.7MPa,属软 弱岩石,抗拉强度为 0.100.69MPa,平均 0
8、.43MPa,抗剪强度为 2.553.87MPa,平均 3.38MPa。底板泥岩抗压强度为 20.447.1MPa,平均 31.2MPa,属软弱岩石中等坚硬岩石,抗拉 强度为 0.311.08MPa,平均 0.58MPa,抗剪强度为 1.772.87MPa,平均 2.49MPa。 另据本井田外西北侧的小西煤业钻孔(XX-3、XX-6 号孔)化验 资料:顶板细粒砂岩视密度 2629kg/m,含水率 1.11,孔隙率 2.63,抗压强度 51.8 MPa,属中等坚硬岩石,抗拉强度 3.60 MPa,抗切强度 3.43 MPa。顶板砂质泥岩视密度 2673kg/m,含水率 0.97,孔隙率 1.69
9、,抗压强度 30.8MPa,属软弱岩石,抗拉强 度 1.10 MPa,抗切强度 2.01MPa。底板砂质泥岩视密度 2610kg/m,含水率 0.61,孔隙率 1.21,抗压强度 30.3MPa, 属软弱岩石,抗拉强度 1.60MPa,抗切强度 2.35MPa。 底板泥岩视密度 2616kg/m,含水率 1.10,孔隙率 2.06, 抗压强度 18.9MPa,属软弱岩石,抗拉强度 1.17MPa,抗切强度 6.92MPa。 据山西阳城羊泉煤业有限公司资源整合矿井地质报告 ,顶底 板岩层详见钻孔柱状图。 3 岩层厚度 最小-最大 平均 柱 状 图 1:500 标 志 层 及 煤 层 编 号 岩
10、性 描 述 14.16-15.00 14.30 3.00-4.50 4.10 10.27-12.13 11.58 3.30-6.39 3.88 7.40-9.50 8.80 0.50-1.52 0.83 0.37-2.85 2.68 K8 深灰、灰黑色粉砂质泥岩、泥岩,含植物化石 深灰色中细粒砂岩含煤屑侧向变成细砂岩,粉砂岩或粉砂质泥岩 2 灰黑色砂质泥岩,底部见炭质泥岩,中上部有时含2号薄煤层 3 煤,黑色,以亮煤为主,镜煤次之,夹0-2层矸石,全区稳定可采 深灰色、灰黑色泥质粉砂岩,夹细砂岩,顶底部见炭质泥岩,侧向变为细砂岩 K7 深灰色细砂岩,侧向变成泥质粉砂岩,顶部见薄层炭质泥岩 灰黑
11、色砂质泥岩、泥岩 5 2 2 围岩稳定性分类与锚固参数研究围岩稳定性分类与锚固参数研究 2.12.1 概述概述 锚杆支护设计的基本方法可以归纳为以下几大类:工程类比法; 理论计算法;以地质力学为基础的数值试验法。 工程类比法在我国巷道锚杆支护设计中应用比较广泛,主要有: 以回采巷道围岩稳定性分类为基础的锚杆支护设计方法和以巷道围 岩松动圈为基础的支护设计法等。 理论计算的方法很多,主要有悬吊理论、组合梁理论、冒落拱 理论等。在众多理论中,前苏联库兹巴斯矿区的基于冒落拱理论的 设计方法最具有代表性,这种方法是根据特定煤层地质条件,应用 冒落拱理论分析围岩的松动状态,认为锚杆支护的作用是防止松动
12、破坏区的围岩垮落,设计所用主要参数的获取靠经验并结合一定的 观测手段来实现,设计的主要任务是确定锚杆支护的间排距。 英国、澳大利亚等建立了以地质力学条件和数值计算为基础的 煤巷锚杆支护系统设计方法,其核心是首先根据地应力测试结果, 以岩体力学评估为基础,结合数值模拟分析进行锚杆支护初始设计, 然后再根据现场监测结果对原设计进行修正和完善。 。 2.22.2 以巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法以巷道围岩稳定性分类为基础的工程类比法 工程类比法是煤矿巷道锚杆支护设计中应用最为广泛的方法之 一,它是根据已经成功的类似工程经验,通过类比,直接提出锚杆 支护参数,这与设计者的实践经验关系很大。然而,
13、要求每一个设 计人员都具有丰富的实践经验是不切实际的,为了将特定围岩条件 下的设计与已有的相应条件下的工程实践经验联系起来进行工程类 比,做出比较合理的设计方案,进行围岩稳定性分类是必要的。 1988 年原煤炭工业部颁发了试用我国缓倾斜、倾斜煤层回采 巷道围岩稳定性分类方案一来,经过多年的应用,已进一步完善, 发展成为包括缓倾斜、倾斜、急倾斜和各种煤层厚度的回采巷道, 煤层上下山,其他煤巷以及岩石巷道等全部在内的采准巷道围岩稳 定性分类方案。根据这一分类方案,巷道围岩的稳定性可划分为非 常稳定(类) 、稳定(类) 、中等稳定(类) 、不稳定(类) 和极不稳定(类)5 个类别。 2.2.1 分类
14、方法 模糊聚类分析自问世以来,发展十分迅速,它将模糊数学的理 论、方法引入到聚类分析中,从而形成了模糊聚类分析,并且成功 地应用到选矿、气象、地震、林业、农业、环境科学等多方面。 巷道围岩稳定性是一个复杂的问题,它受到多种因素的影响, 例如围岩性质、围岩结构、构造和破坏的情况、围岩应力、地下水、 巷道位置、巷道断面的形状及大小、巷道支护方式等,对于回采巷 道和某些巷道还要受到采动影响(包括固定支承压力、移动支承压力 和压力降低等)。对于如此错综复杂的问题,必然要采用多指标分类, 多指标分类的突出问题是各指标分类档次的不一致性,对各指标分 7 类档次综合分析后选用的类别不一定符合客观实际等。对此
15、,人们 把聚类分析引入到巷道围岩分类中来。对于巷道围岩稳定性分类, 在影响因素取舍的界限、分类指标数值的确定以及样本之间亲疏界 限等方面部具有很强的模糊性。因此,对于模糊性强、多因素、多 指标的回采巷道围岩稳定性分类,采用模糊聚类分析是适宜的。 2.2.2 分类指标的确定 回采巷道围岩稳定性分类是直接为生产服务的,因此,选取分 类指标应遵循的原则是:分类指标是影响回来巷道围岩稳定性的主 要因素,能定量表示;在煤矿现场容易测取,便于现场使用和分类 方案的推广。也就是说,所选择的指标应具有科学校和实用性。 上节研究表明,回采巷道围岩稳定性受多种因素的影响,它不 仅取决于地质因素,同时也取决于生产技
16、术因素。巷道围岩变形是 其稳定性的综合反映,是多种因素综合影响的结果。如果以 K 表示 围岩移近率,则选择 K 作为各分类指标的函数: K=f(顶,煤,底,H,L,N,X) 式中:顶直接顶单向抗压强度; 煤煤的单向抗压强度; 底直接底的单向抗压强度; H巷道埋藏深度; L直接顶初次垮落步距; N直接顶厚度与采高的比值; X护巷煤柱宽度。 上述分类指标在煤矿中较易测取,且是影响巷道围岩稳定性的 主要因素,因此是较为科学和实用的。 由于采用了围岩移近率,即顶、底板(或两帮)移近量与巷道高 度(或宽度)的比值,所以巷道断面积在分类指标中未作为单独的分 类指标。 这里还需指出,地下水对相当数量的岩石有
17、软化和泥化作用。 尤其对软岩,地下水容易使其崩解或膨胀。对有些“硬岩”地下水 对其也有软化作用。地下水是影响巷道围岩稳定性的一个因素,在 某些情况下,其影响程度可能很大。由于地下水对巷道影响的复杂 性,现在还未能定量地取得有关的数据,在本分类中这个因素未作 为指标列入。 2.2.3 分类指标的取值方法 (1)三个围岩强度指标 围岩强度是指围岩的单向抗压强度,单位为 MPa。顶板强度取 二倍巷道高度范围内的各岩层强度的加权平均值,底板强度取一倍 巷道高度范围内各岩层强度的加权平均值。分层开采时的底板强度, 实际上就是煤层强度。 (2)埋藏深度 巷道埋藏深度是指巷道所在位置距地表的深度,单位为 m
18、。 (3)直接顶初次垮落步距。 9 直接顶初次垮落步距的单位为 m。测取初次垮落步距的要求是 冒高大于 1.01.5m,冒落长度大于工作面全长的 12,从开切眼 的煤拄侧到工作面切顶排柱之间的距离。如果工作面长度不足 80m 时,可取等效步距,即 Lab(a+b),式中 a,b 分别为实际工作 面长度和直接顶初次垮落步距。 (4)直接顶厚度与采高比值 可以从地质柱状图中直接量取直接顶厚度,但应注意根据具体 条件分析直接顶的范围。直接顶是直接位于煤层(或仍顶)之上,强 度小于 6080MPa,一般随回柱随冒落的岩层。当 N4 时,取 N=4。 (5)护巷煤柱宽度 护巷煤柱宽度是指区段平巷一侧的实
19、际煤拄宽度单位为 m。当 巷道两侧为实体煤时,取 100m;当无煤拄护巷时,取 0。 2.2.4 分类的步骤 在回采巷道稳定性分类中,应用模糊聚类分析方法,大体上分 五个步骤。 (1)分类指标原始数据的预处理。 为了简化巷道围岩稳定性与其影响因素的关系,并尽可能将这 种关系转换成线性关系,在进行分类或预测巷道类别时不直接应用 分类指标的原始数据,而对其进行预处理。 (2)数据标准化。 数据标准化的目的主要是消除分类指标量纲及绝对值大小之间 差别的影响。由于所研究的各个变量的量纲和量级可能不同,直接 用分类指标的原始数据进行计算就会突出那些绝对值大的变量而压 低了那些绝对值小的变量的作用;此外,
20、为满足模糊聚类运算,需 要将指标致值压缩到0,1闭区间。因此,在进行模糊聚类分析前 要解决数据标准化问题。 (3)分类指标加权处理。 标准化后的数据并没有改变各指标对分类结果贡献相等的地位。 事实上,我们选择的各个分类指标对巷道围岩稳定性的影响程度是 不同的,有主、次之分。如果把这些影响程度不同的指标平等对待, 无疑要影响分类结果的准确性。因此,在进行模糊聚类分析时,为 区分开这些指标对围岩稳定性的不同影响程度,需要对每一个指标 进行加权处理。加权的具体实施方案就是在各指标经标准化处理后 的数据上乘以相应的权值。确定权值的途径很多,我们采用了多元 回归分析法确定本分类中七个指标的权值,并用层次
21、分析法作了检 验。 (4)标定。 标定就是计算出衡量被分类对象间相似程度的统计量,从而确 定讨论域上的模糊关系矩阵,进而确定具有自反性和对称性的巷道 加权模糊相似矩阵。 (5)聚类。 所谓聚类,就是在已建立的模糊相似矩阵的基础上,以不同的 11 阀值进行截取,从而得到不同的分类。 模糊聚类实施的作法很多,我们采用了基于模糊等价关系的聚 类法。具体作法是,将加权模糊相似矩阵进行改造,使之具有传送 性,转化为加权模糊等价关系矩阵,给出不同的阀值进行聚类。阀 值的取值视分类需要,由大到小或由小到大进行取值试验,并经抽 样检验,最终达到合理分类的要求。各指标聚类中心见下表。 表 2-1 巷道围岩分类指
22、标聚类中心 巷道 类别 顶煤底NH(m ) WD(m ) 0.1026 (95MPa) 0.201 (25MPa) 0.1291 (60MPa) 0.03260024.3 0.1414 (50MPa) 0.2357 (18MPa) 0.169 (35MPa) 2.353000.10514.9 0.1826 (30MPa) 0.2887 (12MPa) 0.2887 (12MPa) 3.103800.36510.3 0.1491 (45MPa) 0.251 (16MPa) 0.1826 (30MPa) 2.653400.57611.9 0.201 (25MPa) 0.3015 (11MPa) 0
23、.3015 (11MPa) 3.194100.7659.7 我国煤炭系统的专家、学者和工程技术人员在煤巷锚杆支护研 究、设计与施工方面做了大量的工作,积累了丰富的经验,原煤炭 工业部锚杆支护专家组将他们的经验集中起来,在采准巷道围岩稳 定性分类的基础上,制定了煤巷锚杆支护技术规范。该规范的要点 为: 1)顶板必须采用金属杆体锚杆。全长锚固或加长锚固锚杆应选 用螺纹钢体杆。采用端部锚固锚杆时,设计锚固力不应低于 64KN, 采用全长锚固锚杆时,杆体破断力不应小于 130KN。 2)一般情况下,巷帮应支护。巷帮锚杆的设计锚固力不应低于 40KN。根据巷道断面、煤层厚度与强度、节理裂隙发育程度、埋藏
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