桁架支护施工方案(石圪台煤矿)

鄂尔多斯市乌兰煤炭集团公司石圪台煤矿131201回风顺槽绕道支护方案

石圪台煤矿捷马()矿山支护设备制造

2008年08月05日

1 概述

乌兰集团石圪台煤矿131201采煤工作面位于3-1-2煤层中部，为3-1-2煤层首采面，采长150米，走向长858米。131201工作面回风顺槽绕道沿3-1-2煤层中部掘进，顺槽绕道顶板留设1m厚的顶煤。顺槽绕道埋藏深度为50～70米。其与原掘进的131201采煤工作面回风顺槽之间留设15米的煤柱。3-1-2煤层顶板为3.6米的砂质泥岩，遇水易膨胀软化，其上为3-1-1煤层房柱式开采采空区。

为避免131201工作面回风顺槽绕道在工作面回采时发生破坏，现对其支护方式进行重新设计。

2近距离煤层采空区下顺槽锚杆桁架系统支护可行性分析

锚杆桁架系统支护作用机理分析

锚杆桁架系统是一种控制巷道顶板、巷道两肩和侧帮变形的联动结构，该组合式桁架系统不仅可以改变巷道围岩的受力状态，而且还可以有效的限制巷道顶板的变形，并将顶板的变形延伸到巷道两侧。锚杆桁架系统的力的作用示意图如图1所示。同时，锚杆桁架结构对控制垂直节理的作用非常明显。

图1 锚杆桁架系统力的作用示意图

锚杆桁架系统支护是一种理想的支护手段，其不仅是贴顶支护，而且可以施加较大的预应力，实现主动支护。因此锚杆桁架系统是支护近距离煤层采空区下顺槽的有效手段，具有良好的支护效果。

煤层顺槽锚杆桁架系统支护的可行性

研究表明：预应力锚杆可有效提高围岩的残余强度，充分发挥围岩自身的承载能力。锚杆与其锚固围的锚固体构成一种锚固支护体，在锚杆的约束与抗剪作用下，使塑性破

坏后易于松动的煤岩体形成具有一定承载能力并可适应围岩变形的锚杆平衡拱，从而提高顶板的整体性，防止顶板松散冒落。从巷道纵向看，锚杆支护形成的锚固平衡拱是掘进迎头空顶上方顶板自稳的基础。因此，使用锚杆支护可以有效地阻止顶板松散冒落。

巷道支护关键是顶板，只要锚杆能保持顶板的稳定，护帮并不难。通过对锚杆支护后围岩稳定性分析研究，认为试验巷道采用锚杆支护是完全必要的。但是，考虑到顶板为典型的复合顶板，且中间为煤层，同时上方为采空区的特殊条件，采用长锚索或增加锚杆长度的方法是不可行的，而锚杆桁架系统很好地解决了以上问题。根据现场的实际考察，认为锚杆桁架系统支护试验是十分必要的，通过试验研究以期确定理想的锚杆联合支护形式和科学的锚杆桁架系统支护参数。

3 巷道围岩应力分析与支护设计 3.1 顶板岩层安全评价系数

莫尔库伦安全系数

为了确定巷道顶板锚杆长度，莫尔库伦安全系数法是确定巷道围岩破坏围的常用方法，莫尔库伦安全系数评价公式：

1

3σσC

K SF +=

式中：K ——与最大主应力有关的摩擦角； 3σ——最小主应力；

C ——摩擦系数。

3.2 计算模型与计算参数

为了分析描述回风顺槽绕道的受力状态，如最大主应力、最小主应力和剪应力等受力指标，构建了2-D 有限元分析模型。

计算巷道宽度：3.4 m 计算巷道高度： 2.4 m

计算深度：巷道埋藏深度按70m 计算。图2 为2-D 有限元分析模型。

图2 有限元计算模型

3.3 围岩应力分析

最大、最小主应力分布: 图3、4 为有限元计算所得巷道围岩应力分布图，图3 为最大主应力分布图，图4 为最小主应力分布图。

图3 最大主应力分布图

图4 最小主应力分布图

莫尔库伦安全系数分布：基于最大主应力和最小主应力计算结果，计算了莫尔库伦安全系数，图5 是巷道周围莫尔库伦安全系数分布图。从本图可以看出，直接位于煤层上方的0.6m的砂质泥岩安全系数小于1.0。

图5 巷道周围安全系数分布

锚杆长度确定：从上述安全系数分布结果看，最小的锚杆长度应该锚固在煤层上方0.6m以上的砂质泥岩中，根据此限制，考虑到一定的安全系数，顶板锚杆长度选择为

2.2m。

3.4 锚杆形式与支护参数

3.4.1锚杆类型与支护结构的确定

由于3－1－1煤层已经采用房柱式开采采空，留下了煤柱的应力集中区，顶板控制的关键是：

（1）组合梁：根据组合梁理论，采用高强度高预应力锚杆，将3－1－2的顶煤、伪顶和煤线及砂质泥岩组成一个完整的组合梁。以提高该组合岩层的自承载能力。

（2）悬吊：由于上部采空区的限制，采用长锚杆和锚索悬吊在此特殊地质条件下是不可能的。因此，为悬吊和限制锚杆加固围的组合梁，采用锚杆桁架系统是较好的选择。

最终支护方案：锚杆桁架系统＋高强预应力锚杆。图6为选定的顶板支护方案。

图6 顶板锚杆桁架系统支护方案3.4.2 锚杆安装应力的确定

锚杆支护一种主动支护方式，适宜的安装应力是发挥锚杆支护效能的关键。有效的锚杆安装应力应该取得下述支护效果：

①顶板岩层中无离层发生；

②顶板岩层中的拉应力区和拉应力值应该尽量小

为了设计科学有效的安装应力，本设计进行了有限元分析。图7所示为安装应力计算有限元模型。此模型中包括2根垂直锚杆和1套桁架系统。垂直锚杆长2.2m。桁架倾斜锚杆长2.4m。倾角45度。模型计算所选取的锚杆排距为1.0m。为了获得最佳的安装应力值，通过改变锚杆和桁架系统的安装应力，进行支护设计参数的优化计算。共计运行了10个模型，下面是部分运行结果：

图7 安装载荷有限元计算模型

(1) 3吨安装应力

图8是在3吨安装应力下的顶板变形和应力分布。在此安装应力下，无顶板离层发生。在巷道上方约1.0m的围存在一个拉应力区。所以此安装应力不能保证形成理想的组合梁，为了提高组合梁的承载效果，减小拉应力区围，锚杆安装应力需要进一步提

高。

图8 围岩应力分布与围岩变形计算结果（3吨安装应力）

(2) 4吨安装应力

图9是在4吨安装应力下的顶板变形和应力分布。在此应力下，无顶板离层发生。拉应力区基本消除，组合梁效果基本达到。因此，锚杆安装应力选定为4吨以上。