锚杆支护设计

复合顶板下巷道的锚杆支护设计

作者：单景新储飞时间：2009-4-28 10:51:18来源：城市建设3月第22期

摘要：煤巷锚杆支护在实际施工中，经常会遇到各种各样的问题，给煤巷锚杆支护带来很多困难，复合顶板就是其中之一，如不采取有效措施，将可能产生很大的安全隐患。本文主要从锚杆的支护原理、支护设计、实际应用等方面，对如何确保复合顶板时的锚杆支护质量问题进行了阐述，取的了较好的效果。

关键词：复合顶板；监测；设计；

一、概述：

煤巷沿顶板掘进时常遇到复合顶板，所谓复合顶板是指在煤层顶板由多层岩层和煤线间隔复合而成，层间粘结力弱，暴露易发生离层，支护不良时还可能发生大面积垮落事故。过去我矿在复合顶板下掘巷时，支护方式常采用的是工字钢架棚支护，由于架棚支护是一种被动支护，易造成巷道两帮及顶底版移近量大，支架损坏严重，造成前掘后修的现象，严重影响安全生产。

为解决这一施工难题，在现阶段的技术条件下，复合顶板支护方式很多，锚杆支护以其良好的优越性排在所有支护方案的前列。但大量的实践又证明，选用单一的、一成不变的支护设计方案，是不符合复合顶的复杂性和多变性支护要求的，只有因地制宜，根据现场的复合顶板的状况，采用不同参数的锚杆支护设计方案，我矿在Ⅱ463外段机巷、Ⅱ467机巷采用锚杆支护参数动态变化试验研究，并取得了成功。

二、支护原理

1、支护原理：锚杆设计采用组合拱理论，锚索设计采用悬吊补强理论。

1）锚杆的作用

锚杆形成承载基础，既然锚杆支护无法阻止深层岩体的松动，那么也无需特别提高顶板支护体强度，只需把锚杆的延展性、高抗拉强度、抗剪强度的优越性发挥出来。锚杆锚固厚度小，锚固体扩容变形量相对较小，扩容应力也较小，利用全长锚固等强螺纹钢锚杆支护，可满足复合顶板底层锚固体的扩容变形和扩容应力，形成初期支护阶段的顶板挤压加固拱平衡状态。

2）锚索的作用

锚索形成稳定承载体，利用钢绞线锚索预应力对岩体挤压加固作用，使锚索与锚杆支护相互促进、相互补强。锚索有很好的延展性和抗拉强度，使锚索形成的锚固岩体在巷道顶板中部形成一条强度大、结构稳定的承载体。锚索锚固点处在松动圈之外，增加了顶板承载体的稳定性。锚索布置在两排锚杆之间，增加了支护的密度，锚索的高延展性、高强度，进一步提高了承载体的强度、塑性和抗弯曲破坏能力，提高了承载体的自稳能力。

3）金属网的作用

金属网能够托住挤入巷道的岩石，将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆，有效地控制锚杆之间非锚固岩层的变形；金属网托住已碎裂的岩石，防止碎裂岩体的垮落，虽然巷道围岩已破裂，由于碎石的碎胀作用和传递力的媒体作用，使巷道深部岩石仍保持三向应力状态，大大提高了岩体的残余强度。

三、支护设计

巷道初始设计采用工程类比法与理论计算相结合的方法，在组织施工过程中，灵活运用支护参数动态设计法，对初始设计予以修正

1、设计方法：

1）工程类比法：根据要设计巷道的地质条件，通过类比相似地质条件的巷道支护设计，得出支护方案。

2）顶板悬吊理论验算：根据顶板复合层的厚度来确定顶板冒落拱的高度，采用理论公式进行验算。

3）支护参数动态设计法：核心是顶板岩层结构探测与支护后顶板变形监测和稳定性预测技术，采用打锚索孔或地质探测孔的方法探测顶板的岩层结构，根据探测结果，优化、调整支护参数。随着掘进面的推进，动态监测顶板的岩层变化趋势，根据探测的结果及时发现隐患．并修改和调整待掘进区域设计。消除对围岩条件变化反应滞后的现象，对每个区域都能根据最新的实时反馈信息，得到符合实际的锚杆支护参数。确保支护安全可靠，经济合理，技术可行，取得了良好支护效果。

2、设计内容：①锚杆、锚索间排距及长度；②支护材料选择。

3、设计流程：①锚杆支护参数初始设计；②现场施工组织；③顶板岩层结构的动态探测；④支护效果监测；⑤参数修改，完善锚杆支护设计。

4、矿压观测及优化支护参数

1）观测内容包括：顶板离层仪内外离层、巷道表面位移、顶板钻孔窥探仪观测

2）支护参数优化：根据矿压信息，不断修正设计，循环往复最后达到参数的最优化。同时对支护后的巷道顶板进行变形监测，预测顶板危险区域，采取控制措施，消除安全隐患。

5、煤壁管理：针对三四煤松软特性，采取以下一系列改进措施

现象：在巷道施工过程中，断面的顶板倾角大，上帮高达4.0m，容易片帮，导致帮部在没有来得及支护之前，煤就已经塌帮。

1）钢筋网全封闭支护针对巷道施工过程中经常出现掉渣空肩现象，为有效地对围岩起到保护和支撑作用，能更好地把顶网和帮网连接成一个整体，增强了钢筋网的支撑和传递力的作用，采用全封闭支护；

2）缩小间排距由原来常规间排距800mm×800mm改为600mm×600mm。

3）塘材笆片护帮由于煤比较松软，普通的钢筋网网格较大，煤容易外漏，在钢筋网内充填塘材笆片，能更好地防止煤壁片帮。

4）加用木垫板在锚杆托盘下加一层木垫板，能起到让压作用，增加弹性，不以致于帮部一来压，减少托盘螺冒崩掉现象。

四、应用举例

1、试验巷道地质情况

刘桥一矿Ⅱ463外段机巷，以Ⅱ362钻采集中机巷Jk点向前137m为中，按方位N233°跟三煤顶板施工平距157m后，跟四煤顶板施工，与Ⅱ463外段机巷直线贯通。巷道全长630m，其中跟三煤顶板施工157m，跟四煤顶板施工473m。

巷道围岩特征：三煤煤厚平均1.03m，煤层上部有1~2可见煤线，顶板为细砂岩，灰白色，中厚层状，致密坚硬，F=6~8，厚7~20m，局部有一层灰质泥岩或泥岩伪顶，厚0.1~0.2m，不稳定易冒落。底板（四煤顶板）为深灰色泥岩，厚2.6~6.6m。四煤煤厚平均2.2m，煤层上部有0.9~6.7m的复合顶板，1~3可见煤线，厚度为0.03~0.15m，顶板（三煤底板）为深灰色泥岩，厚2.6~6.6m。底板为粉砂质泥岩，厚4.8m。

2、初始设计

1）跟三煤顶板施工阶段

（1）类比设计

顶部：采用φ18mm—M20—1800mm型高强左旋无纵筋螺纹锚杆，锚杆间排距：800mm×900mm，每排5根呈矩形布置，配加3.6m长M型钢带、钢笆网联合支护，每根锚杆使用两卷Z2350型树脂锚固剂进行加长锚固。

帮部：采用WGSC20/20J φ18mm—L2000mm型玻璃钢锚杆，配加π型、钢笆网联合支护，800mm×900mm，帮部每排使用四根锚杆，每根锚杆使用两卷Z2350型树脂锚固剂。

网：6＃钢筋焊接的方格网，规格为1000m×1000mm，网格：100mm×100mm，网间要压茬连接。

锚索：选用φ15.24mm的高强度低松弛钢绞线，锚索长度根据三、四煤层间距及三煤的厚度来确定，每根锚索使用3支Z2350型树脂锚固剂，锚索托盘采用12号槽钢加工成，长600mm，中间加焊100×100×10mm的钢板，使用配套锁具。锚索间排距为1600mm×1600mm。

（2）理论验算：

①悬吊理论计算锚杆参数：

a、锚杆长度计算：L=KH+L1+L2

式中：L---锚杆长度，m；H---冒落拱高度，m；K---安全系数，取2；

L1----锚杆锚入稳定岩层的深度,一般取0.4m；