焦家寨矿5 号煤层回风平巷锚杆支护设计.docVIP

焦家寨矿５ 号煤层回风平巷锚杆支护设计 焦家寨矿含煤地层主要为石炭系太原组，含煤地层平均厚度为106.00ｍ，共含煤层8层，煤层平均总厚度为20.01ｍ，含煤系数为18.9％。5号煤层位于太原组下部。结构复杂，夹石2 ～5层，最多达8层，一般夹石厚达不大于0.4ｍ，为本区主要可采稳定煤层。煤层沿走向倾向变化不大，厚度5.81-13.26ｍ，平均9.70ｍ。煤层顶板多为泥岩，局部为 粉、细砂岩，砂岩，底板多为泥岩，局部为中细砂岩。 51109 回风平巷原支护采用矿用11 号工字钢梯形棚加木顶柱支护，棚距0.5ｍ，全断面铺金属网。在掘进过程中由于煤体特别松软，巷道顶压、侧压大，已掘巷道部分梁腿变形弯曲，掘进过程中顶煤极易冒落，造成部分支护失效、断面缩小，顶煤塌落时伴随瓦斯频繁超限，致使施工无法正常进行，给顶板和瓦斯管理带来较大困难，也给安全生产造成了隐患。因此，对矿区的煤巷支护技术进行改进，减轻工人劳动强度，提高煤矿的经济效益和巷道支护的安全状况，已成为该矿区亟待解决的问题. １　地质力学测试 通过对焦家寨矿5 号煤层55工作面巷道围岩地质条件的地质力学测试与评估，地应力的平均值分别为：最大水平主应力σＨ ＝11.42ＭＰａ，最小水平主应力σｈ ＝6.29ＭＰａ，垂直主应力σｖ ＝9.96ＭＰａ，地应力水平中等。巷道顶板岩层强度如表１ 所示。 表１　５ 号煤层顶板岩层强度测试结果 岩性 厚度（m） 累计厚度（m） 平均强度（MPa） 砂质页岩 0.70 10.20 48.6 泥岩 0.70 9.50 28.6 煤 8.80 8.80 5.19 ２　数值模拟结果分析 采用有限差分数值计算程序FLAC5.0，对支护参数进行多方案比较，最后得出合理的锚杆支护初始设计。模拟范围的长和宽分别为75ｍ 和75.6ｍ，横向和纵向网格分别为90个和85个。采用应力边界条件，模型上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面垂直位移固定。 根据巷道具体的地质和技术条件，共建立17个模拟方案，分别模拟了顶板锚杆根数、锚杆直径、锚杆排距、锚杆长度、锚索根数和锚索直径对巷道支护效果的影响。 (1)开挖无支护状态下，巷道顶板产生显著位移，顶板下沉量310.4ｍｍ，巷帮移近量387.2ｍｍ。部分顶煤发生剪切破坏，破坏深度为6.5ｍ，部分巷帮发生剪切破坏，剪切破坏深度均达8.5ｍ，顶板产生大范围拉屈服破坏区域，破坏深度4.0m；两帮均产生拉断区域，拉断破坏深度均达0.5ｍ。 (2)顶板锚杆根数对支护效果的影响顶板每排４ 根锚杆时，巷道顶板下沉量为145.8ｍｍ，降低了53.0％，巷帮煤体移近量为186.4ｍｍ，降低了51.％，9顶板和两帮的变形得到有效控制，顶板和两帮的剪切破坏范围明显减小，拉屈服破坏区域全部消失。水平应力和垂直应力适当，锚杆、锚索和钢带变形在正常范围内。每排３ 根锚杆时，顶板下沉量、两帮相对移近量和剪切破坏范围仍然较大。当锚杆数增至５ 根，支护状况与４ 根时相差不大。可见，顶板每排４ 根锚杆比较合理。 (3)锚杆直径对支护效果的影响 随着锚杆直径加大，顶板下沉和两帮相对移近量一直在减小，从16ｍｍ 到18ｍｍ，顶板下沉降低了128.5ｍｍ，降低了46.8％。再增加锚杆直径，支护效果变化不明显。因此，18ｍｍ 是合理的锚杆直径。 （４）锚杆排距对支护效果的影响 锚杆排距从0.5ｍ 到0.8ｍ，顶板下沉量变化不大。排距从0.8ｍ 加大到1.0ｍ，顶板下沉量增加了102.8ｍｍ，增加了41.3％，对顶板的支护效果明显削弱。因此0.8ｍ 是合理的排距。 （５）锚杆长度对支护效果的影响 锚杆长度为1.8ｍ、2.0ｍ 和2.2ｍ 时，顶板下沉量比2.4ｍ 时大，其中锚杆长度`.8ｍ 时下沉量均增加了111.0ｍｍ，增加了43.2％。2.4ｍ 是安全合理的锚杆长度。 锚索根数对支护效果的影响 当顶板没有锚索时，巷道顶板下沉量增加了121.5ｍｍ，增加了45.4％，变化非常明显，严重威胁着顶板的安全，所以采用锚索支护的作用十分明显。 3支护方案 确定巷道支护初始设计为巷道采用树脂加长锚固锚杆、锚索组合支护系统。 3.1顶板支护 锚杆形式和规格：杆体为18＃左旋无纵筋高强螺纹钢筋，长度2.4ｍ，杆尾螺纹为M20。锚杆间距1.0ｍ，排距0.8ｍ。锚固方式：树脂加长锚固，采用一支规格为22360和一支Ｋ2335 树脂锚固剂。钻孔直径为28ｍｍ，锚固长度为1300ｍｍ。钢筋托梁规格：采用Φ14ｍｍ 的钢筋焊接而成，宽度80ｍｍ，长度3.5ｍ。托板：采用拱型高强度托盘。锚杆角度：顶板两端第一根锚杆安设角度为与垂线成10°，其它顶板锚杆与岩体垂直。采用菱形金属网护顶。 锚索：Φ15.24ｍｍ，长度为6.3ｍ，加长锚固，采用一支规格