刘庄煤矿1511采区煤巷锚杆支护设计.doc
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1、国投新集能源股份有限公司刘 庄 煤 矿1511采区煤巷锚杆支护设计刘庄煤矿设计室二一四年六月目 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采区煤巷锚杆支护设计一、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
2、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、1511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,
3、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
4、,沥青光泽次之。2、颜色以黑色为主,下部煤层局部呈钢灰色。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1 主要物理性质及煤岩类型表煤 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(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
5、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
6、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6.26m,占8%,砂岩厚度为1.6319.00m,平均厚度为 6.79m,占18%。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2 。表2 11-2煤层围岩稳定性分类表煤层11-2煤围岩物理性质岩石名称自然条件下抗压强度范围(MPa)稳定程度11-2泥岩14.29720.00不稳定粉砂岩74
7、.92168.62稳定非常稳定细砂岩98.79120.02稳定非常稳定11-2煤3.826.23不稳定四、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
8、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用锚网的支护形式
9、。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
10、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
11、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
12、稳定情况可做适度调整。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,其它加强支
13、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) 金属锚杆(锚索)支护参数系列见表
14、3-1。表3-1 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)283228 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)6.29.26.2 9.2锚 索 直径(mm)21.821.8锚索孔孔径(mm)283228 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)0.81.61.2 (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
15、”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1511采区胶带上山5.44.1顶板:细砂岩、泥岩、砂质泥岩。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。
16、回风上山5.04.1轨道顺槽5.04.2胶带顺槽5.44.2切眼5.04.0胶带顺槽5.44.2切眼5.04.0表3-2 1511采区围岩性质及巷道断面、锚杆支护设计一栏表表3-2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. 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(
17、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
18、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) =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
19、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;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
20、下式计算锚索排距。 L=nF2/2BHr式中: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。 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,取0.25m。按GBJ-1985要求,锚索锚固长
21、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安全系数,一般取2;P断锚索的最低破断力,504KN;G被吊岩石的自重,KN;G=BDB巷道掘进宽度,
22、取最大宽度5.6m进行计算; 悬吊岩石厚度,取3.2m;悬吊岩石平均容重,26.1KN/m3;D锚索排距,取较大值1.6m。通过计算得,G=5.63.226.11.6=748.34KN,则N=2748.34/5042.969根,锚索为21.8mm的预应力钢绞线制作,L=9200mm,锚索锚固端应锚固在稳固岩层中,巷道安装锚索时,考虑到锚索为在原锚网支护基础上的加强支护,故5根即可满足设计要求。附图:1511采区煤巷断面图册.dwg 3、支护材料和施工机具设备1) 锚杆:锚杆为22mm L=2500mm的左旋金属强力锚杆,托板规格均为120mm120mm10mm和150mm150mm14 mm金
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