刘庄煤矿1511采区煤巷锚杆支护设计.doc
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1、 - 1 - 国投新集能源股份有限公司国投新集能源股份有限公司 刘刘 庄庄 煤煤 矿矿 1511 采区煤巷采区煤巷锚锚杆支杆支护设计护设计 刘刘庄庄煤煤矿矿设设计计室室 二二一一四四年年六六月月 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 1 - 目目 录录 一、设计依据- 1 - 二、适用范围- 1 - 三、1511 采区地质概况.- 1 - 四、锚杆支护参数初步设计- 3 - 五、锚杆、锚索支护施工- 10 - 六、煤巷锚杆支护监测和信息反馈- 12 - 七、煤巷锚杆支护施工质量检测- 13 - 八、煤巷锚杆支护正式设计- 14 - 九、安全保障措施- 15 - 刘庄煤矿 1511 采区
2、煤巷锚杆支护设计 - 1 - 刘庄煤矿刘庄煤矿 15111511 采区煤巷锚杆支护设计采区煤巷锚杆支护设计 一、设计依据一、设计依据 安徽理工大学 2012 年 11 月份研究报告安徽国投新集刘庄矿业有限公司煤岩物理 力学参数和矿井原岩应力测定 、 煤巷锚杆支护技术规范 MT/T 1104-2009、 国投 新集刘庄煤矿煤巷锚杆支护设计规范 、安徽理工大学 2007 年 10 月对刘庄煤矿课题研 究深井回采巷道顶板离层与支护技术研究 。 二、适用范围二、适用范围 1511 采区东翼利用 1513 采区大巷布置倾斜长壁工作面,采区西翼施工三条采区上 山,再布置走向长壁工作面,轨道上山布置在煤层底
3、板岩石中,采区胶带上山、采区回 风上山、工作面轨道顺槽、工作面胶带顺槽、工作面切眼沿煤层施工。本设计适用于刘 庄煤矿 1511 采区范围内煤巷锚杆支护。 三、三、1511 采区地质概况采区地质概况 (一)采区概况 刘庄煤矿 1511 采区位于矿井西部。 采区范围为:西起 F8 断层,东至 F25 断层,北至 11-2 煤层露头,采区内以 F22 断 层为界,分为东西两翼。东翼至 11-2 煤层-747m 水平,西翼南至 11-2 煤层-747m 水平 及 F18 断层,采区东西平均长为 3.71Km,南北平均长为 1.33 km,面积为 4.95km2。 采区邻近关系:采区西以 F8、F20
4、断层为界与西三块段相邻,东以 F25 断层为界与 东一块段相邻,南与 1711 采区和西一大巷保护煤柱线相近。本采区 11-2 煤层与上部的 13-1 煤层平均层间距为 68.64m,采区东翼上方为 151301 、151302 工作面采空区和正 在回采的 151303 工作面。采区西翼上方为 151305 工作面采空区和尚未回采的 151306、151307 工作面。 (二)煤层的主要物理性质 1、光泽 以弱玻璃光泽为主,下部煤层局部可见金刚光泽,11-2 煤以弱玻璃光泽为主,沥青 光泽次之。 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 2 - 2、颜色 以黑色为主,下部煤层局部呈钢灰色。
5、11-2 煤以上的煤层可见黑褐色,从上至下煤 的颜色由黑褐黑色钢灰色,呈现出随煤层埋藏深度的加深煤化程度增高的趋势。煤 的灰分产率高低同样影响煤的颜色。主要煤层光泽和颜色的描述情况见表 1。 3、断口 下部煤的断口一般为平坦状,有时可见贝壳状,上部煤层断口大部分为平坦状,局 部可见粗糙状。见表 1 表表 1 1 主要物理性质及煤岩类型表主要物理性质及煤岩类型表 (三)煤层的煤岩类型 1、宏观煤岩类型 肉眼鉴定煤岩成分以暗煤、半暗煤、半亮煤为主,亮煤次之,夹少量镜煤条带及透 镜体,可见矿化暗淡煤及丝炭透镜体。以粉末状为主,少量块状及鳞片状,自上部煤层 至下部煤层,鳞片状逐渐减少。宏观煤岩类型以半
6、暗型半亮型煤为主。 2、微观煤岩类型 煤的显微有机组分含量较高,一般达 80%以上。镜质组含量 65.91 82.68%,丝质 组 13.8230.61%,稳定组 3.5116.62%。组分含量与 Vr 值之间有一定的联系,如 13- 1 煤层,稳定组的含量最大,显示 Vr 值亦最高。无机组分含量10%。有机组分以凝胶化 基质为主,半凝胶化、半丝炭化基质次之,局部混杂丝炭化基质,无机组分以粘土类为 主,硫化物、碳酸盐类次之。 (四)煤层顶底板条件 1、顶板岩性 11-2 煤层顶板泥岩,厚度 07.82m,平均厚度为 2.24m,占 74%;其次,粉砂岩厚 度为 2.0811.95m,平均厚度
7、6.26m,占 8%,砂岩厚度为 1.6319.00m,平均厚度为 6.79m,占 18%。 煤 层颜 色 结 构光 泽 煤岩成份煤岩类型其 它 11-2黑色 块状、粉末状为 主、少量条带状、 粒状 弱玻璃光泽为主, 沥青光泽次之。 暗亮煤,夹 镜煤条带及透 镜体。 半暗型 半亮型 断口平坦 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 3 - 2、底板岩性 11-2 煤层底板泥岩类为主,厚度 0.1011.29m,平均厚度为 2.34m,占 89%;其次, 粉砂岩厚度为 1.272.51m,平均厚度 1.97m,占 4%,砂岩厚度 0.507.19m,平均厚 度为 2.94m,占 7%。附表
8、 2 。 表表 2 2 11-211-2 煤层围岩稳定性分类表煤层围岩稳定性分类表 11-2 煤围岩物理性质 煤层 岩石名称自然条件下抗压强度范围(MPa)稳定程度 泥岩14.29720.00不稳定 粉砂岩74.92168.62稳定非常稳定 细砂岩98.79120.02稳定非常稳定 11-2 11-2 煤3.826.23不稳定 四、锚杆支护参数初步设计四、锚杆支护参数初步设计 (一)断面规格的确定 1、断面尺寸选取的原则 巷道宽度的选取要考虑 工作面布置和设备参数尺寸,并满足掘进和回采期间设 备和材料的打运、工作面出煤 等需要,在顶板破碎或压力较大时 ,需要打一排托棚 加强支护,掘进时 在巷道
9、一侧布置一部胶带输送机出煤,另一侧铺设轨道,同时 加 上必要的安全间隙及预留适当的巷道变形量 ;巷道高度的选取要保证设备及 材料车 打运的需要,皮带上 方吊挂风筒,并预留适当的变形量。 2、常用的断面规格 (1)断面形状:在满足断面尺寸选取的原则下,煤巷各断面形状 基本为破顶 500mm 左右的直墙半圆拱形, 顶板属中等及以上 稳定时,断面可变更为 沿煤层顶板 (平顶)的不规则形。 (2)断面尺寸:采区回风上山净宽取 5.0m,净高取 4.1 m,净断面为 17.81m2;采区胶带上山净宽取 5.4m,净高取 4.1 m,净断面为 19.0m2;胶带顺槽净 宽取 5.4m,净高取 4.2m,净
10、断面为 19.55m2;轨道顺槽净宽取 5.0m,净高取 4.5 m,净断面为 19.81m2;切眼净宽取 5.0m, 净高取 4.3m,净断面为 21.5m2; (二)支护形式的确定 根据地质资料和围岩稳定性 分析,11-2 煤煤层围岩大部分属于-类顶板, 局部为类和,采用锚杆与锚索支护,因此确定巷道沿煤层顶板施工期间主要采 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 4 - 用锚网的支护形式。 同时,为了将锚杆加固的 “组合梁”悬吊于坚硬的稳定岩层中, 需要用高强度锚索做铺助支护。在巷道过地质构造带、压力集中区、破碎区时,为 了安全起见,需要采用 36U 型棚支护,或采用“内锚外架”的联
11、合支护形式。 1、锚杆支护参数设计 煤巷锚杆支护设计采用以工程类比法为主的 “动态信息法” ,即在采用工程类比 法的基础上,分以下几个步骤进行: 地质力学评估初始设计锚杆支护与围岩稳 定监测和信息反馈 修改完善设计再进行锚杆支护与围岩稳定监测和信息反馈 再次修改完善设计。 依据安徽理工大学 2012 年 11 月份研究报告安徽国投新集刘庄矿业有限公司 煤岩物理力学参数和矿井原岩应力测定 ,结合刘庄煤矿多年来在 11-2 煤层已经支 护巷道的实践经验,通过类比, 确定锚杆支护形式与参数 。 1) 顶板:11-2 煤煤层围岩属于-类顶板,局部为 类。锚固方式采用加长 锚固,顶板锚杆试验抗拔力不小于
12、锚杆理论极限载荷的50%(一般对左旋螺纹钢锚 杆而言,22mm 锚杆试验抗拔力不小于 100kN) ;紧靠巷道两帮的顶锚杆宜向煤帮倾 斜,其倾斜角度与锚杆长度应在作业规程或措施中明确规定,其它顶锚杆应尽可能与 岩层层面垂直,顶锚杆不得沿岩层层面布置。 2) 巷帮支护:类围岩巷道巷帮必须支护。除工作面切眼和服务年限小于2 个月的煤层巷道可以使用玻璃钢锚杆等护帮锚杆外,其余煤层巷道巷帮必须使用左旋 螺纹钢等强锚杆。 锚杆试验抗拔力玻璃钢锚杆的试验抗拔力不小于 40kN;左旋等强 锚杆的试验抗拔力不小于 50kN。 3) 锚杆布置方式:锚杆间排距 800mm,顶部永久支护锚杆必须紧跟迎头,且逐 排向
13、迎头施工,距离迎头的最大控顶距离不得超过1 个循环进尺加 200mm 的距离。 每个循环支护工作完成后,紧靠迎头的一排顶部锚杆,距迎头的最大控顶距离不得大 于 1/2 个锚杆排距,不得小于 100mm;若两帮煤体稳定,帮锚杆施工可适当滞后,滞 后距离和最大空帮时间应在作业规程措施中明确规定;类围岩巷道两帮墙基锚 杆距底板不大于 300mm,该锚杆宜向底板倾斜,其夹角为 755。 4) 煤巷锚杆支护巷道原则上破顶 500mm 左右掘进,围岩稳定时沿煤层顶板, 在 满足通风、运输、行人等条件下,巷道设计高度和宽度根据围岩实际稳定情况可做 适度调整。 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 5
14、 - 5) 巷道断面设计由设计部门提供,支护设计方案应由设计副总和相应工程分管 副总工程师牵头制定。 6) 锚索应打在两排锚杆之间,不得打在锚杆位置代替锚杆使用。 7) 21.8mm 的预应力锚索:设计锚固力不小于 240kN,锚索预紧力不小于 120kN,在特殊地质条件下施工的锚索预紧力应在作业规程、措施中明确规定。 8) 复杂地质条件及特殊地点的巷道:复合顶板、断层等构造带附近、综采开切 眼、拆除扩巷、沿空掘巷、大跨度硐室、三四角门、皮带机头机尾巷、车场等扩巷段, 破碎、易风化、潮解、遇水膨胀及弱化的围岩等。对于复杂地质条件及特殊地点的锚 杆支护巷道,宜优先选择预应力锚索作加强支护,其它加
15、强支护措施有:注浆固化、 封闭围岩、架棚、点柱等,其加强支护延伸到正常巷道的距离不得小于5m。 9) 类围岩巷道在基本支护形式的基础上,必须另加锚索支护,其支护形 式、支护参数必须在作业规程、措施中明确规定。 10) 遇顶板淋水、帮渗水较大的施工巷道,应对该区域初期安装的锚杆进行抗拔 力试验,以确定锚固剂对该区域的适应性,并根据试验情况及时采取针对性措施。 11) 服务期长或需要封闭等其他要求的 巷道可增加喷射混凝或混凝土浇筑。 12) 钻孔直径、锚杆直径和树脂锚固剂直径应合理匹配,钻孔直径和锚杆杆体直 径之差应为 6mm10mm,钻孔直径与树脂锚固剂直径之差应为 4mm8mm。 13) 金属
16、锚杆(锚索)支护参数系列见表 3-1。 表表 3-1 金属锚杆(锚索)支护系列金属锚杆(锚索)支护系列 项 目取值范围系 列 锚 杆 长 度(m)1.22.5 2.5 锚杆杆体直径(mm)2022 22 锚杆孔孔径(mm)2832 28 32 锚 杆 排 距(m)0.40.80.8 (特殊地段和位置缩小排距) 锚 杆 间 距(m)0.50.80.8(特殊地段和位置缩小间距) 锚 索 长 度(m)6.29.2 6.2 9.2 锚 索 直径(mm) 21.821.8 锚索孔孔径(mm)2832 28 32 锚 索 排 距(m)0.81.61.2 (特殊地段缩小或放大排距) 锚 索 间 距(m)0.
17、81.61.2 (特殊地段缩小或放大排距) 2、支护参数 根据以工程类比为基础的 “动态信息法”及围岩稳定性分类与 金属锚杆(锚索) 支护参数系列见表 3-1 初步确定采用“锚杆+锚索+金属网”的联合支护形式。附表 3-2 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 6 - 表表 3-2 1511 采区围岩性质及巷道断面、锚杆支护设计一栏表采区围岩性质及巷道断面、锚杆支护设计一栏表 表表 3-2 注:注: 1.煤巷各断面形状原则上是破顶 500mm 左右的直墙半圆拱形,围岩稳定时为沿煤层顶板的不规则形。 2.各煤层巷道若为沿空掘巷应调整支护断面并加强常规支护设计,具体在工作面设计中体现。 3
18、.各煤层巷道遇到地质构造带、交岔点、安装及回撤通道、大断面硐室、吊装间、过地质构造带、顶板有煤 层(线) 、淋水带等地段,由设计副总工程师和分管副工程师总根据实际条件制定专项支护方案,具体在施工措施 中体现。 3、采用计算法校核支护参数 (1)根据悬吊及组合梁理论,顶部锚杆通过悬吊及组合梁作用,帮部锚杆通过加 固帮体形成组合拱作用,达到支护效果,选取 1511 采区煤巷较大尺寸断面,根据悬吊 理论,锚杆杆体长度(校核)应满足: LL1+L2+L3 式中:L锚杆总长,m; L1锚杆外露长(钢带厚度+托板厚度+螺母厚度+外露 =0.01+0.02+0.04+0.03=0.1m) ,m; L2有效长
19、度(顶锚杆取免压拱高 b,帮锚杆取煤帮破碎深度 c) ,m; L3锚入岩层内深度(顶锚杆取 1.2m,帮锚杆计算得 1.0m) ,m; 普氏免压拱高: b=B/2+Htan(45-帮/2) /f顶 式中 B、H巷道掘进跨度和高度,取 B=5.6m,H=4.2m f顶顶板岩石普氏系数,f顶取 4 帮两帮围岩的内摩擦角,帮取 63 b=5600/2+4200tan(45-63/2) /4 =952mm c= Htan(45-帮/2) 采区 主要煤层巷道 名 称 断面 (宽高) (m) 顶底板 岩性 巷道围岩 类别 支护结 构 支护参数 胶带上山 5.44.1 回风上山 5.04.1 轨道顺槽 5.
20、04.2 胶带顺槽 5.44.2 切眼 5.04.0 胶带顺槽 5.44.2 1511 采 区 切眼 5.04.0 顶板:顶板:细砂岩、泥岩、 砂质泥岩。 底板:底板:泥岩、11-1 煤、 泥岩。 大部分属 类和 类,局部 为类和 。 端头锚 固和加 长锚固 相结合 锚杆:22mm,长 2.5m,间排距 800800m。 锚索: 21.8mm,长 6.29.2m, 间排距 0.81.6m。 每排锚索数目:巷道净宽 3-4.5m 每排 3 根;巷道净宽 4.6-6.0m,每 排 5 根;巷道净宽 6.1-7.5m,每排 7 根;巷道净宽 7.6-9m,每排 9 根。 刘庄煤矿 1511 采区煤巷
21、锚杆支护设计 - 7 - =4200tan(45-63/2) =1008mm 依据以上公式计算得出:顶锚杆长 L顶2252mm;帮锚杆长 L帮2108mm。 所选锚杆长度 2.5m 均能满足计算要求。 (2)按锚杆所能悬吊的重量校核锚杆的间排距 每根锚杆悬吊的岩体重量 G=rL2a2,锚杆锚固力 Q 应能承担 G 的重量。为安全起见, 再考虑安全系数 k,取 k=2,即 kGQ,解算得: a(Q/krL2)1/2 式中:a锚杆间排距,m。 r岩体比重,取 26.1KN/m3。 a锚固力,岩层中取 10KN,煤层中取 5KN。 L2有效长度(顶锚杆取免压拱高 b,帮锚杆取煤帮破碎深度 c) ,m
22、; 则,顶部锚杆 aQ/(krL2)1/2 100/(226.10.9521/2 1.418m 帮部锚杆 aQ/(krL2)1/2 50/(226.11.0081/2 0.974m 根据计算结果,所选间排距 800mm800mm 参数均满足要求。 (3)悬吊理论校核锚索间距 根据地质资料,直接顶为砂质泥岩,为防止巷道顶板岩层发生大面积整体跨落, 用锚索将锚杆加固的“组合拱” ,利用“悬吊梁”理论,整体悬吊于坚硬的老顶砂岩中, 冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的直接顶整体冒落考虑。在忽略岩体粘结力 和内摩擦力的条件下,取垂直方向力的平衡,可用下式计算锚索排距。 L=nF2/2BHr 式中:
23、L锚索排距,m。 B巷道最大冒落宽度,取 5.6m。 H巷道冒落高度,按最严重的冒高即直接顶高度,取 3.2m。 r岩体比重,取 26.1KN/m3。 F2锚索极限承载力,取 504KN。 n锚索数,取 5。 刘庄煤矿 1511 采区煤巷锚杆支护设计 - 8 - 通过以上计算得,L=2.693m,所选的锚索排距取 1.6m、1.4m、1.2m 均小于计算 值,故满足设计要求。 确定锚索长度 L=La+Lb+Lc+Ld 式中:L锚索总长度,m. La锚索深入到较稳定岩层中的锚固长度,m; Lb需要悬吊的不稳定岩层厚度,取 3.2m; Lc上托盘及锚具的厚度,取 0.2m; Ld需要外露涨拉长度,
24、取 0.25m。 按 GBJ-1985 要求,锚索锚固长度 La按下式确定: LaKd1fa/4fc 式中:K安全系数,取 K=2; d1锚索钢绞线直径,取 21.8mm; fa钢绞线抗拉强度,N/mm2(1770MPa,合 1376.11 N/mm2) ; fc锚索与锚固的粘合度,取 10N/mm2。 通过以上计算得,La221.81376.11/40=1499mm,取 La=2.0m,则 L=2.0+3.2+0.2+0.25=5.65m,本巷道采用锚索长为 9.2m,满足设计要求。 锚索倾角:锚索垂直巷道拱的切线安装布置。 锚索数目的核定: N=KG/P 断 式中:N=锚索数目; K安全系
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