锚网索喷支护在大型机电硐室的研究与应用.doc

锚网索喷支护在大型机电硐室 的研究与应用 1 前言 锚网索喷支护是近几年以来大力推广的一种新型支护方式，它具有施工速度快，机械化程度高，支护效果好，成本低等特点。由于机电硐室跨度大、结构复杂、施工难度大，岱庄矿针对本矿地质构造条件及煤层顶底板岩性，结合围岩松动圈与顶板离层值的测定结果，合理确定了大型机电硐室的支护参数，形成了大型机电硐室以锚网索喷为主的支护方式。 锚网索喷支护是一系列支护，与架棚及砌碹支护相比，变被动支护为主动支护，简化了施工环节，提高了施工速度，节省了投资。 2 xx矿硐室布置与围岩情况 xx矿轨道大巷上下山一般沿煤层顶底板岩层布置。首采煤层为3上煤层，揭露的实际煤厚2.83.2m，煤层顶板裂隙发育，节理多，为复合顶板。顶板以粉砂岩为主，次为泥岩、中砂岩和细砂岩，厚0.2530.59m,平均为4.07m，局部见泥岩或粉砂岩尾顶一层，厚0.200.53m。抗压强度粉砂岩为33.164.5Mpa，中砂岩为60～114.9 Mpa，平均79.6 Mpa；泥岩为44.8～55.5 Mpa，平均50.2 Mpa。底板以粉砂岩为主，次为泥岩，厚0.54～15.46m, 平均2.88m偶见泥岩底，0.22～050m，抗压强度，44.8～55.5 Mpa。 由上可见，顶板围岩的抗压强度比较低，属于不稳定岩层。 3 围岩松动圈确定 xx矿大型机电硐室初期采用砌碹支护，因为劳动强度高，投资大，施工速度慢，制约了生产发展，后改为锚网支护，但锚网支护难以保证硐室不失稳。为此与山东科技大学共同对3上煤层顶底板围岩松动圈、巷道表面收敛变形及顶板离层值进行了测定，重新对岱庄矿支护参数进行优化设计。 3．1 围岩松动圈测试 围岩松动圈是地应力、岩石强度及硐室断面形状等各种因素综合作用的结果，其厚度是反映围岩稳定的综合指标，硐室的开挖，改变了围岩的应力状态，使原岩应力重新释放，原岩应力的释放，硐室围岩将产生弹性和塑性变形，产生弹性和塑性变形的过程，就是围岩松动圈形成的过程，围岩松动圈的大小的确定对支护参数的选取具有重要意义。 99年8月期间用BAⅡ型松动圈测试仪在首采长壁面顶帮布置了测点进行观测，松动圈综合测试结果如下 测孔号 松动圈（m） 松动岩层波速 （103m/S） 测孔号 松动圈（m） 松动岩层波速 （103m/S） Jdl1 0.9 1.51841.5487 Jdl4 0.8 1.37931.4155 Jdl2 1.0 1.49731.5625 Jdl5 0.7 1.42851.4537 Jdl2 0.7 1.51511.5267 Jdl6 0.9 1.46131.4989 由测试结果看,原岩整体性较差,波速较低,均小于2.0103m/s，松动圈0.71.0m,且这一范围的划分标志点不明显,随时间推移还有发展的趋势,常规支护方式难以保证硐室的稳定。 3．2收敛变形测试 99年8月期间分别在轨道、皮带顺槽内布置测点进行顶帮围移近量的测试，测试结果如下 测试天数（d） 12测线 13测线 23测线 收敛值 （mm） 收敛速度 （mm/d） 收敛值 （mm） 收敛速度 （mm/d） 收敛值 （mm） 收敛速度 （mm/d） 1 3 5 7 10 14 20 26 32 36 41 48 55 63 71 82 8 25 40 45 52 55 55 65 73 79 80 88 90 93 96 100 8 8.5 7.5 2.5 2.33 0.75 0 1.66 1.33 1.50 0.20 0.14 0.14 0.37 0.37 0.36 5 10 18. 20 20 20 22 25 25 27 27 27 30 32 39 41 5 2.5 4.0 1.0 0 0 0.33 0.50 0 0.50 0 0 0.42 0.25 0.87 0.18 5 11 15 15 15 23 33 33 35 41 43 45 47 49 51 51 5 3.0 2.0 0 0 2 1.67 0 0.33 1.0 0.40 0.28 0.28 0.25 0.25 0 由以上图表可以看出硐室初期变形大，后期变形小，所以硐室掘出后初期支护非常重要，一方面能有效地控制硐室初期变形，同时对后期稳定也产生重要影响。 3．3顶板离层测试 同期在轨道及皮带顺槽内每隔50m安设一个顶板离层仪，每一测孔设两个基点，深部基点深度约为4～5m布置在顶板砂岩中，浅部基点深度为2～2.5m，为锚杆端部。根据顶板离层量。 硐室 类别 测量范围 指标 最大值 最小值 平均值 统计个数 轨道顺槽 0～2.0 离层量（mm） 53 3 16.8 4 膨胀率（mm/m） 26.5 1.5 8.4 4 2.0～4.5 离层量（mm） 37 1 11.75 3 膨胀率（mm/m） 14.8 0.4 4.7 3 0～4.5 离层量（mm） 90 7 33.4 4 膨胀率（mm/m） 20 1.55 7.42 4 皮带顺槽 0～2.0 离层量（mm） 46 1 11.14 7 膨胀率（mm/m） 23 0.5 5.57 7 2.0～4.5 离层量（mm） 10 0 2.43 7 膨胀率（mm/m） 4 0 0.97 7 0～4.5 离层量（mm） 46 2 13.57 7 膨胀率（mm/m） 10.2 0.4 3.02 7 由上看出浅层顶板离层较深层严重，浅层顶板的承载力低，而深部砂岩顶板变形和离层相对较小是锚索支护的基础。 工程测试结论岱庄3上煤层围岩松动范围大（0.7～1.0m），整体性较差，浅部围岩破坏严重；深部围岩离层值较小，但个别测点离层值偏大。说明3上煤层顶底板围岩稳定性较差、易离层，单一的支护方式难以有效地控制硐室稳定。由于直接顶厚度变化不一，必须根据现场实际揭露的硐室顶底板岩性，合理地确定支护方式及参数。 4 锚网索喷支护参数设计 4．1优化设计的理论依据 xx矿硐室初期采用砌碹支护，由于3 上煤层顶底板岩性变化不一，硐室顶板表现为复合顶板。强度低，易产生离层。硐室掘出后，原岩应力重新分布，此过程也是一个能量释放的过程，塑性区弹塑性应力。与位移所释放的应变能如果不能进行有效的抑制支护，这部分能量大部分表现为颗粒之间的位移，造成岩体联系的削弱，即产生离层，围岩的弹性与塑性位移变形就是围岩松动圈形成的过程。硐室产生离层是导致硐室垮落、支护失稳的一个重要原因。 锚网支护虽为主动支护，由于不能有效控制硐室的围岩松动圈。表现围硐室掘出初期支护效果比较好，但随着硐室因离层导致松动圈及压力增大时，支护容易失稳。 砌碹支护为被动支护由于砼本身的收缩与施工工艺容易造成了砼与围岩之间存在间隙，也不能很好抑制围岩松动圈扩展，况且施工工艺复杂，难以穿插作业，造成施工周期长。 根据悬吊理论及松动离层范围，合理地确定了硐室支护方式及参数。对于硐室稳定具有重要意义。 4．2 优化设计方案 顶板支护参数设计以顺槽巷道为例采用悬吊理论进行设计 4．2.1锚杆长度 LL1L2L3 L1_______锚杆外露长度，取0.15m L2_______锚杆有效长度， L3_______锚杆锚固长度，取0.95m 当围岩存在松动破碎带时，L2的长度必须大于或等于松动破碎带高度，L2的长度可利用抛物形压力理论估计冒落带高度 f≤2时，L2[L/2Hctg45φ/2]/f1.2 式中 f______岩石普氏坚固性系数，取2 L_____硐室跨度，取为3.7 H_____硐室掘进高度，取为2.7 φ____岩体内摩擦角，取为75˚ 故L2.20m，取锚杆长度为2.3m。 4．2.2锚杆杆体直径 根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，则 d35.53√Q/σ135.53√80/38016.3mm 式中 d______锚杆杆体直径，mm Q_____锚固力，取为80KN σ1_____杆体抗拉强度，取为380Mpa 杆体直径为16.3mm,现场施工取18mm。 4．2.3预应力锚索 由围岩松动与顶板离层结果知某些地段顶板离层在3m以上为此锚索设计为锚索线长4.5m，采用三块药卷锚固，锚固长度为1500mm，以深入硬岩1m为准，索孔深为4000mm,外露长度为500mm。 为了保证锚索支护系统的完整性，防止危石冒落和片帮，在支护中应使用锚杆、托梁、托盘和护网等。 在合理确定顺槽支护参数后，根据围岩松动圈与离层值的大小采用组合拱理论对大型机电硐室的支护也进行了优化设计，并在实际中大力推广应用。 实例 5 大型机电硐室 采用锚网索喷联合支护,以水处理系统为例 5．1矿井水处理系统 5.1.1水处理系统地质情况 xx矿水处理系统顶板围岩以粉砂岩为主，次为泥岩、中砂岩和细砂岩。其中粉砂岩、泥岩占绝大比重，遇水易膨胀。围岩的抗压强度比较低，属于不稳定岩层。 5.1.2水处理系统工程概况 xx矿井水处理系统为邯郸设计院设计主要由五个硐室和池体组成，硐室荒宽5.4米，高3.3米。长126米。硐室内依次布置沉沙池、混合池、反应沉淀池、淤泥调节池、浓缩池。其中沉沙池18.0*5.4米、深3.5，混合池11.2*5.4米、深2.0米，反应沉淀池26.25*5.4米、深8.0米，淤泥调节池规格为7.0*5.4米，深10米。 水处理系统硐室和池体跨度大、池体深，结构复杂，围岩应力显现明显。在掘进过程中全部采用锚网索喷支护方式，有效控制围岩变形，安全完成硐室掘砌施工。 5.1.3水处理系统支护参数 锚杆顶部采用ф182300 mm无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，孔深2.1m，锚固长度1m，双托盘、双螺帽，锚固长度1m，间排距800mm。 锚索采用ф14.25mm钢绞线截制，长度6.5m，孔深6.0m，锚固长度1.5m，锚固力15吨，使用12槽钢制作托梁，托盘采用11工字钢面去筋打孔制作，规格8080mm，孔ф18mm。 网采用ф6.5盘钢条拉伸焊制，网格150150mm，施工时用梯子筋压在锚杆上,拱部双层钢筋网，间距150mm，直墙段单层网二次复喷时使用，二次喷浆前全断面挂网。搭接长度100 mm。 6 技术经济比较 2000年共锚网索喷硐室四处，分别为西翼胶带机头硐室，北翼胶带机头硐室，西翼绞车房，煤仓顶硐室。共节省投资50万元，今年以来又先后采用锚网索喷支护施工了北翼绞车硐室、北翼采区变电所、矿井水处理系统，共节省投资70万元，大型机电硐室锚网索喷支护率100％，取得了良好的经济效益。 首先，由于确定了合理的支护形式，能够使掘进速度和支护速度很好地结合起来，能有效地控制顶帮离层和松动时间，减少了掘支循环的转换时间，大大加快了施工速度。 其次，与砌碹硐室相比节省了材料，降低了成本，取得了明显的经济效益。 最后，由于该种支护工艺使用机械简单，操作人员少，极大减轻了劳动强度，提高了劳动效率。 7 结束语 锚网索喷支护是一种新型支护方式，变被动支护为主动支护，采用悬挂理论作为设计依据，针对岱庄矿顶板岩石厚度变化比较大，在采用长锚杆难以操作且达不到支护作用时，通过低松驰钢绞线配以槽钢，直接将围岩松动圈以内岩石用锚索锚固在老顶砂岩上，并及时的喷砼封闭围岩，防止围岩风化脱落，有效地防止了裂隙产生，很好地起到了防水隔潮的作用。由于该种施工方法所有的机械简单，施工工序能穿插作业，能极大的提高了施工速度。 8