应力集中区锚网支护技术的应用_锚下控制应力计算

来源:自然科学 发布时间:2019-05-11 05:58:12 点击:

  摘要:利用锚杆支护的理论,通过围岩的分析以及理论计算确定在应力集中区进行锚网支护的支护参数,通过现场的应用情况,得出在该区域进行锚网支护的参数。   关键词: 锚网支护应力集中区 设计
  
  1.概况
  
  7314下工作面四周与7312采空区、F55断层、F54断层和东一运输下山为界。该工作面运输顺槽与采空区净煤柱为10m,巷道处于应力集中区,巷道沿煤层底板掘进,煤厚4.8~6.5m。煤层倾角5°~10°/7°
  直接顶:泥质结构、局部含砂,见植物化石及炭化体。在施工小溜子道和大切眼时,顶板为上分层回采冒落后形成的再生顶板,胶结松散易冒落。厚度为5.0~7.50m,平均6.0m。
  直接底:泥岩及砂质泥岩,上部为深灰~灰色,泥质结构,底部夹粉砂质条带,见有植物碎屑化石及黄铁矿斑块。下部为深灰色,泥质结构,含砂不均匀,见植物碎屑化石,断口平坦。厚2.43~7.22m。
  力学参数:煤的单向抗压强度为18.98Mpa,直接顶的单向抗压强度为55.1Mpa。
  巷道断面:巷道设计为矩形断面,巷道毛宽4000mm,净宽3800mm,毛高2500mm,净高2400mm,掘进断面10.0m2,净断面9.12 m2。
  2.围岩分类
  以极限平衡区深入巷道围岩的深度△为主要指标,以巷道周边位移为辅助指标,进行巷道围岩分类。
  式中:λ=(1-sinψ)/2 sinψ =0.466
  ψ― 内摩擦角,煤层取31.17°
  R―极限平衡区深入围岩的深度
  a―巷道当量半径
  a=K×RsK为断面修正系数,取1.2,Rs表示将其它形状的巷道折算成圆形巷道的半径,Rs=(S/Π)1/2=(4.2×2.5/Π)1/2=1.825
  则a=1.2×1.825=2.19
  Pi―支护阻力,计算时可忽略不计
  Υ×H―原岩应力, Υ取2.43t/m³;H巷道埋深=333+36=369m;
  K1―采动影响系数,取1.6
  K2―煤岩体力学参数修正系数,取0.5
  C―粘结力,取4.73Mpa
  式中:G―剪切弹性模量,
  G=E/2(1+μ)=1.4GPa.
  其它各参数意义同上。
  以各项数值代入上式,计算得:R=3.2m △=R-a=1.01m
  u=0.084m。
  可见该区围岩为Ⅱ3类围岩。
  3.支护参数的设计
  3.1锚杆长度:
  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’---破坏面发生在金属锚杆表所需的锚固段长度;
  L’’―破坏面发生在钻孔岩壁表面处所需的锚固段长度;
  Dj---锚杆直径, 20mm
  Dy---钻孔直径,27mm
  Ιj―粘结剂同金属锚杆之间的粘结强度,50kg/cm2
  Ιy―粘结剂与钻孔岩壁之间的粘结强度,20MPa
  P----锚杆载荷,70kn
  现场使用中,取锚固段长度为0.25m。
  L=L1+△MAX+L2=0.25+1.32+0.1=1.67m
  式中:L―锚杆长度
   L1―锚固段长度,取0.25m.
  △MAX ---加固范围, 取1.32m;
  L2―锚尾长度,取0.1m;
  3.2锚杆间排距
  H=I=(лσD2/4qd)1/2=0.996m
  式中:H、I---锚杆间排距
  σ-----杆体材料的许用强度;300MPa
  D------锚杆直径,20mm
  qd-----载荷集度
  qd=n×(R-h)×r=0.095t/m2
  式中:n---载荷备用系数,取2
  R---极限平衡区半径;3.2m
  h---掘进巷道的半高,1.25m
  r---极限平衡区煤或顶板岩石的密度,2.43t/m2³
  根据以上计算,巷道顶部锚杆选用间排距为900×900mm,锚杆采用Φ20×1700mmⅡ级建筑螺纹钢锚杆,并配合钢带支护。
  4.支护能力的验算
  以冒落三角形的1.5倍计算顶板冒落自然拱的范围,从而推算出每米巷道所需的最小支护重量为(内磨擦角为ф=31.17°):
  P1=1.5×4.6×3.98×1.35/2=18.54t=185.4KN
  以2倍的安全系数计算,则每个支护断面上需锚杆的支护力为
  P2=2×185.4×0.9=333.72KN
  设计锚杆的锚固力为70KN;
  设计锚索的锚固力为125KN;
  设计每个支护断面上采用5根锚杆,则支护力为:
  P3=5×70=350KN>333.72KN
  设计每间隔一排打两根锚索,则支护力为:
  P4=4×70+2×125=530KN>333.72KN
  故都能满足支护要求。
  5.支护方式确定
  根据以上计算,巷道顶部锚杆选用间排距为900×900mm,锚杆采用Φ20×1700mmⅡ级建筑螺纹钢锚杆,并配合钢带支护。
  6.应用情况
  通过该巷道的使用情况看,高强度、超高强度全长树脂锚固锚杆支护系统维护顶板是行之有效的。
  目前巷道施工达到380m,巷道变形量不大,只是因为该煤柱较小,煤帮松软,两帮变形量较大,最大达到300mm,巷道局部出现底鼓现象。总体来看,该巷道能够满足回采的正常安全使用。
  7.结论和建议
  (1)在应力集中区进行锚网支护的技术是可行的,能够满足正常安全回采的使用。
  (2)在应力集中区掘进巷道时,顶板应采用锚网(索)+梁支护方式,两帮采用锚网支护方式。
  (3)掘进巷道顶板锚杆:规格为φ18×2000mm煤矿专用螺纹钢锚杆;间排距为900×900mm。
  (4)顶板锚索:规格φ15.2×6500 mm低松弛预应力钢绞线;顶板正常情况下每施工2排锚杆附加施工1排锚索,每排2根锚索成对布置,间距1800 mm。每排锚索布置:方案一,位于两排锚杆中间;方案二,与单排锚杆布置在同一排。如果锚索与单排锚杆布置在同一排,那么布置有锚索的这排锚杆,可以省去第2和第4根锚杆。
  当顶板破碎或遇断层时在影响区内采用锚索加强支护,每施工1排锚杆附加施工1排锚索,每排2根锚索成对布置。
  (5)若取得良好的煤巷巷道支护效果,必须注意以下问题:①重视“三径”匹配问题;②锚杆支护系统的薄弱环节是锚固效果,必须注意锚固剂的正确使用和锚固效果的检测;③重视帮部煤壁的支护问题,这是锚杆支护能否成功的关键所在;④注意顶板离层的检测及支护强度的检测。

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