應力集中區錨網支護技術的應用

摘要:利用錨桿支護的理論，通過圍巖的分析以及理論計算確定在應力集中區進行錨網支護的支護參數，通過現場的應用情況，得出在該區域進行錨網支護的參數。

關鍵詞: 錨網支護應力集中區 設計

1.概況

7314下工作面四周與7312采空區、F55斷層、F54斷層和東一運輸下山為界。該工作面運輸順槽與采空區凈煤柱為10m，巷道處于應力集中區，巷道沿煤層底板掘進，煤厚4.8～6.5m。煤層傾角5°～10°/7°

直接頂:泥質結構、局部含砂，見植物化石及炭化體。在施工小溜子道和大切眼時，頂板為上分層回采冒落后形成的再生頂板，膠結松散易冒落。厚度為5.0～7.50m，平均6.0m。

直接底:泥巖及砂質泥巖，上部為深灰～灰色，泥質結構，底部夾粉砂質條帶，見有植物碎屑化石及黃鐵礦斑塊。下部為深灰色，泥質結構，含砂不均勻，見植物碎屑化石，斷口平坦。厚2.43～7.22m。

力學參數:煤的單向抗壓強度為18.98Mpa，直接頂的單向抗壓強度為55.1Mpa。

巷道斷面:巷道設計為矩形斷面，巷道毛寬4000mm，凈寬3800mm，毛高2500mm，凈高2400mm，掘進斷面10.0m2，凈斷面9.12 m2。

2.圍巖分類

以極限平衡區深入巷道圍巖的深度△為主要指標，以巷道周邊位移為輔助指標，進行巷道圍巖分類。

式中:λ=(1-sinψ)/2 sinψ =0.466

ψ— 內摩擦角，煤層取31.17°

R—極限平衡區深入圍巖的深度

a—巷道當量半徑

a=K×RsK為斷面修正系數，取1.2，Rs表示將其它形狀的巷道折算成圓形巷道的半徑，Rs=(S/Π)1/2=(4.2×2.5/Π)1/2=1.825

則a=1.2×1.825=2.19

Pi—支護阻力，計算時可忽略不計

Υ×H—原巖應力， Υ取2.43t/msup3;;H巷道埋深=333+36=369m;

K1—采動影響系數，取1.6

K2—煤巖體力學參數修正系數，取0.5

C—粘結力，取4.73Mpa

式中:G—剪切彈性模量，

G=E/2(1+μ)=1.4GPa.

其它各參數意義同上。

以各項數值代入上式，計算得:R=3.2m △=R-a=1.01m

u=0.084m。

可見該區圍巖為Ⅱ3類圍巖。

3.支護參數的設計

3.1錨桿長度:

L’= P/(dyлιy)=7×104/20×3.14×20×103=0.061mm

L’’=P/(djлιj)=7/(27×3.14×50×10-5)=165mm

式中:L’---破壞面發生在金屬錨桿表所需的錨固段長度;

L’’—破壞面發生在鉆孔巖壁表面處所需的錨固段長度;

Dj---錨桿直徑， 20mm

Dy---鉆孔直徑，27mm

Ιj—粘結劑同金屬錨桿之間的粘結強度，50kg/cm2

Ιy—粘結劑與鉆孔巖壁之間的粘結強度，20MPa

P----錨桿載荷，70kn

現場使用中，取錨固段長度為0.25m。

L=L1+△MAX+L2=0.25+1.32+0.1=1.67m

式中:L—錨桿長度

L1—錨固段長度，取0.25m.

△MAX ---加固范圍， 取1.32m;

L2—錨尾長度，取0.1m;

3.2錨桿間排距

H=I=(лσD2/4qd)1/2=0.996m

式中:H、I---錨桿間排距

σ-----桿體材料的許用強度;300MPa

D------錨桿直徑，20mm

qd-----載荷集度

qd=n×(R-h)×r=0.095t/m2

式中:n---載荷備用系數，取2

R---極限平衡區半徑;3.2m

h---掘進巷道的半高，1.25m

r---極限平衡區煤或頂板巖石的密度，2.43t/m2sup3;

根據以上計算，巷道頂部錨桿選用間排距為900×900mm，錨桿采用Φ20×1700mmⅡ級建筑螺紋鋼錨桿，并配合鋼帶支護。

4.支護能力的驗算

以冒落三角形的1.5倍計算頂板冒落自然拱的范圍，從而推算出每米巷道所需的最小支護重量為(內磨擦角為ф=31.17°):

P1=1.5×4.6×3.98×1.35/2=18.54t=185.4KN

以2倍的安全系數計算，則每個支護斷面上需錨桿的支護力為

P2=2×185.4×0.9=333.72KN

設計錨桿的錨固力為70KN;

設計錨索的錨固力為125KN;

設計每個支護斷面上采用5根錨桿，則支護力為:

P3=5×70=350KN>333.72KN

設計每間隔一排打兩根錨索，則支護力為:

P4=4×70+2×125=530KN>333.72KN

故都能滿足支護要求。

5.支護方式確定

根據以上計算，巷道頂部錨桿選用間排距為900×900mm，錨桿采用Φ20×1700mmⅡ級建筑螺紋鋼錨桿，并配合鋼帶支護。

6.應用情況

通過該巷道的使用情況看，高強度、超高強度全長樹脂錨固錨桿支護系統維護頂板是行之有效的。

目前巷道施工達到380m，巷道變形量不大，只是因為該煤柱較小，煤幫松軟，兩幫變形量較大，最大達到300mm，巷道局部出現底鼓現象。總體來看，該巷道能夠滿足回采的正常安全使用。

7.結論和建議

(1)在應力集中區進行錨網支護的技術是可行的，能夠滿足正常安全回采的使用。

(2)在應力集中區掘進巷道時，頂板應采用錨網(索)+梁支護方式，兩幫采用錨網支護方式。

(3)掘進巷道頂板錨桿:規格為φ18×2000mm煤礦專用螺紋鋼錨桿;間排距為900×900mm。

(4)頂板錨索:規格φ15.2×6500 mm低松弛預應力鋼絞線;頂板正常情況下每施工2排錨桿附加施工1排錨索，每排2根錨索成對布置，間距1800 mm。每排錨索布置:方案一，位于兩排錨桿中間;方案二，與單排錨桿布置在同一排。如果錨索與單排錨桿布置在同一排，那么布置有錨索的這排錨桿，可以省去第2和第4根錨桿。

當頂板破碎或遇斷層時在影響區內采用錨索加強支護，每施工1排錨桿附加施工1排錨索，每排2根錨索成對布置。

(5)若取得良好的煤巷巷道支護效果，必須注意以下問題:①重視“三徑”匹配問題;②錨桿支護系統的薄弱環節是錨固效果，必須注意錨固劑的正確使用和錨固效果的檢測;③重視幫部煤壁的支護問題，這是錨桿支護能否成功的關鍵所在;④注意頂板離層的檢測及支護強度的檢測。