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1、内蒙古乌海能源公司老石旦煤矿北三16404工作面回风顺槽支护方案设计捷马（济宁）矿山支护设备制造有限公司2011年10月23日老石旦煤矿16401工作面顺槽采用锚杆和金属网进行一次支护，采用U型钢棚进行二次支护，但在回采过程中U型棚回撤困难，同时巷道维护效果不好，需要补打锚索进行补强。为此矿上决定在16404工作面取消U型钢棚支护，采用锚网和锚索进行支护。捷马公司的技术人员在矿上及公司生产处有关人员的带领下，分两次对井下北三16404工作面及16401工作面顺槽的支护现状进行了调研，结合矿上的有关资料，捷马公司对井下支护现状进行评价，同时将对北三16404工作面回风顺槽提出支护方案建议，供矿方
2、参考，以达到在掘进和回采中安全、经济、快速的目的。本报告包括以下内容：（1）地质及采矿条件概况（2）原有支护方式及存在的问题分析（3）16404工作面回风顺槽锚网支护思路及改进的主要参数（4）整体耦合让均压支护理念（5）支护方案及支护参数的确定（6）试验前的准备工作（7）现场支护观测及评价1 地质及采矿条件概况北三16404工作面位于北三采区，井下位置在北一采煤柱与北三煤柱之间，距16402工作面运输顺槽80米。16402工作面现正在回采中。16404工作面所采煤层为16煤层。16煤层共分为4层煤，其中16-4煤层平均厚度为3.05m，倾角为818，煤层硬度系数f=1.5，煤层层理及节理发育。
3、煤层顶底板情况如下表所示。表1 巷道顶底板情况表顶底板名称岩石名称厚度（m）岩性特征老 顶砂页岩4.01m较完整直接顶煤及页岩互层8.03m较完整直接底细砂岩4.92m较完整老 底砂页岩2.17m较完整16404工作面回风顺槽沿16-4煤层底板进行掘进，巷道断面设计采用矩形断面进行设计，巷道设计宽为4200mm，高为3500mm。16404工作面回风顺槽具有如下特点：（1）巷道采用矩形断面，可以解决拱形断面回采时遇到的超前支护问题。（2）围岩节理层理发育。（3）巷道主要受工作面超前支撑压力的影响。2原有支护方式及存在的问题分析2.1原有支护方式传统工作面回风顺槽设计采用锚杆+金属网+U型钢棚，
4、巷道采用半圆拱形。锚杆参数锚杆：182000mm圆钢锚杆托板：150150mm梯子梁：四孔型142800100mm金属网：12005000mm树脂药卷：S2360、Z2360U棚规格29kg/m U型钢2.2 存在的问题及分析根据井下观察，目前支护存在着锚杆支护主动效果差，锚杆和锚索支护无法达到耦合状态，护表效果差等问题，而且巷道支护成本高，很难保证目前支护能够满足回采的需要。（1）锚杆工作状态初期支护：安装应力没有明确要求，安装扭矩与安装应力的关系不明确，虽然对安装扭矩有要求，但从现场情况看，很多锚杆托盘没有紧贴岩面，安装应力很小甚至为0，锚杆无法真正起到主动支护的作用。后期受力：锚杆受力不
5、明显，很多锚杆随着围岩的变形一起变形，造成围岩表面破碎。虽然锚杆杆体的直径及强度较大，但锚杆对围岩的支护力却很小，造成锚杆与围岩的变形及受力不耦合，锚杆没有起到应有的支护作用，造成锚杆失效。锚杆产品质量：所用的托盘、螺母与杆体强度不匹配，无法保证锚杆在受力时充分发挥杆体的作用，在很多情况下是由于托盘和螺母的强度达不到要求造成锚杆后期失效。（3）护表效果表面支护主要是由托盘、金属网背板木材组成。托盘的强度及大小必须与锚杆杆体的强度相匹配，充分发挥锚杆的作用；金属网必须保证能够适应围岩的变形需要；（4）U型钢棚子支架16401工作面顺槽二次支护方式为U型钢棚子支护，很明显，U型钢棚子支护效果不尽人
6、意，存在的问题比较多：l 架设时很难接顶，受力不均，在巷道围岩产生大量破坏变形之前，基本上载荷很小，起不到支护作用。l 在工作面支撑压力影响区，U型钢支架在煤壁前方需要撤腿，在撤腿过程中引起顶板下沉严重，巷道高度减小，严重影响巷道的使用。l 由于巷道是半圆形，端头支护在型梁和拱之间需要打木垛。l U型钢本应在超前支撑压力范围内支护巷道，但由于替腿和换梁，U型钢完全失去支护作用，而且需要花费大量人工回收。l 端头支架和顺槽U型棚无法配合，造成端头支护非常困难，已经成为制约工作面推进的主要因素。l U型钢棚子运输及安装不方便，从经济方面无法与锚网支护相比。（5）围岩及变形情况总体来讲，在不受超前影
7、响之前，巷道变形在目前的支护方式下变形不大，然而在受到支撑压力影响后，巷道围岩破碎，顶板下沉量大。这一方面是锚杆支护系统存在问题，另一方面替棚换梁造成U型棚在超前支撑压力去完全失去作用。当然目前的端头支架不配套也是主要问题之一。3 16404工作面顺槽支护思路及改进的主要参数3.1支护思路16401工作面顺槽目前采用锚网+U型钢支架进行支护，安装U型钢支架的主要作用一是对围岩进行补强支护，二是对工作面进行超前支护，适应回采的需要。然而通过井下观察，在受支撑压力之前，围岩的变形并不明显，U型棚没有起到支护的作用；而且在受支撑压力之后，由于巷道断面是半圆拱断面，在型梁与U型钢支架之间需要架设木垛，
8、端头支架无法与U型钢配合，支架回撤困难，影响工作面回采，U型钢支架没有真正起到超前支护的作用。根据上面的分析，U型钢既没起到支护的作用，也没起到超前支护的作用，而且回撤存在很多问题，因此取消U型钢支架不可避免；拱形断面对回采工作面端头支护及超前支护影响较大。因此，16404工作面回风顺槽支护思路如下：（1）根据目前的条件，能否取消U型钢支架。（2）拱形断面不利于巷道超前支护以及端头支护，能否变拱形断面为矩形断面。（3）根据上面的分析，目前支护的重点是如何保证在矩形断面条件下采用锚网支护一次性支护成功。根据目前锚网支护技术的发展，现有的支护技术完全能够保证矩形巷道条件下围岩的稳定。针对老石旦煤矿
9、存在的问题，为了实现锚网支护一次成功的目标，必须对目前支护系统进行改进。在目前的支护水平条件下，根据长期的支护经验，只要设计合理，产品质量得到保证，施工管理满足要求，实现矩形巷道取消U型钢支架是完全可行的。巷道支护主要包括支护设计、支护产品以及现场施工和观测，因此，这就需要对巷道进行有针对性的支护设计，采用满足设计要求的支护产品，制定检验标准及矿压观测标准保证井下施工质量，并为修改支护参数提供依据。支护设计：针对巷道的地质条件和采矿特点进行分析，有针对性的提出支护的重点；对安装应力进行支护设计，以保证锚杆的主动支护效果，充分调动围岩的承载能力；对锚杆锚索进行耦合支护设计，使锚杆锚索和围岩从应力
10、和变形两个方面达到耦合状态；对支护系统进行整体设计，尽量使围岩保持整体状态。支护产品：所选用的产品从产品性能来讲必须满足设计要求；支护产品的配件（托盘、螺母、垫圈、索具、让均压装置）等必须满足锚杆杆体或者钢绞线的强度及变形要求。现场施工：为保证施工质量，必须制定施工标准，同时要对工人进行施工培训，保证锚杆锚索能够满足设计的要求；同时为保证支护系统能够满足设计的需要，需对井下施工巷道进行矿压观测和评价，为支护参数的修改提供依据。3.2 改进的主要参数根据上面的分析，16404工作面回风顺槽锚网支护的重点是变二次支护为一次支护，取消棚子支护。因此16404工作面回风顺槽锚网支护需要改进的主要参数有
11、以下几个方面：（1）安装时初期支护参数的设计：必须解决初次支护系统失效问题。初次支护系统的锚杆，锚索的长度和布置需要调整。（2）后期支护参数的设计：锚杆，锚索的耦合均压支护共同支护顶板。尽最大能力提高支护系统的效率，同时防止锚杆锚索破断。（3）表面支护问题。（4）锚杆、锚索与围岩之间变形耦合问题。（5）支护产品的性能和质量。（6）施工标准及检验标准的建立。（7）矿压观测及评价。4 整体耦合让均压支护理念4.1耦合让均压的概念在巷道稳定控制中，锚杆支护的最基本点是通过锚杆支护系统对围岩施加主动力实现早期主动支护以增加围岩的强度和承载能力。实现锚杆支护系统与围岩共同作用保持围岩的稳定性。根据弹塑性
12、力学基本原理，所谓耦合的概念对一个单独的支护体相对围岩来讲就是在保证围岩稳定的条件下，支护体（锚杆或索）和围岩间必须达到围岩应力锚杆载荷平衡（应力耦合），围岩位移锚杆变形协调（变形耦合）。为了保证围岩稳定性和防止锚杆（索）破断，锚杆（索）支护设计必须满足下列条件：（1）足够的安装载荷以保证及时主动支护。（2）适宜的支护强度以保证锚杆（索）和围岩间的应力载荷平衡（应力-载荷耦合）。（3）围岩表面位移满足围岩稳定性要求。（4）足够的延伸距离以保证锚杆（索）和围岩间的变形协调（变形耦合）。4.2整体耦合让均压设计理念巷道锚杆（索）支护是按一定设计的间排距由数根锚杆（索）组成。由于沿巷道周边变形大小不
13、一，锚杆和锚索物理力学性质和几何尺寸不同，导致不同位置的锚杆（索）变形和载荷不同。为了充分发挥每根个体锚杆（索）的作用， 防止锚杆（索）早期破断，实现共同协调支护围岩的作用，个体支护体间也必须达到变形和受力耦合（均压）。整体耦合定义为：个体支护体和围岩间的耦合（让压）和支护体和支护体之间的耦合（均压）。所以整体耦合包括以下几方面的内容：（1）锚杆系统和围岩耦合：锚杆支护系统的支护强度和变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。（2）锚索系统和围岩耦合：同样，锚索系统作为支护的一部分，其变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。（3）锚杆间的耦合：由于不同位置的锚杆所经受的位移和应力过程
14、不同，其受力差别很大，这有可能引起受力大的锚杆首先破断，进而把其承载的力传替到邻近的锚杆造成锚杆顺序依次破断。（4）锚杆和锚索的耦合：锚杆和锚索间的变形耦合也非常重要。从支护体本身来讲，锚杆和锚索存在着物理力学性质和几何尺寸的差别，这种差别如果在设计和使用过程中应用不当，会引起锚杆或锚索由于变形协调不好造成受力不均甚至破断。一般而言，锚杆与锚索在延伸率、承载能力和支护范围上存在较大的差别。延伸率：锚杆的延伸率远大于锚索的延伸率；承载能力：锚杆的承载能力远小于锚索的承载能力；支护范围：锚索长度一般来说大于锚杆长度。（5）表面支护对耦合的影响：合理的表面支护可以在尽量小的设计支护强度下取得最佳的耦
15、合效果。4.3整体耦合让均压参数确定方法根据整体耦合让均压基本理念，在巷道支护设计中，必须根据具体的地质和采矿条件，对耦合让均压参数进行整体设计。包括：锚杆（索）的安装载荷、围岩应力锚杆（索）载荷平衡（最小支护强度）、围岩变形锚杆（索）延伸长度耦合（支护体最小延伸长度）、锚杆锚索间的耦合。4.3.1锚杆的安装应力锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数，是主动及时支护的源泉。安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，巷道变形增加。安装应力的主要作用有：（1）压实浮岩、浮煤、金属网和钢带等，减少围岩的早期变形量，使得锚杆支护能够起到早期主动支护的作用。同时安装应力能
16、保证锚杆支护系统按照设计的支护工况点工作。图1是实验室和现场拉拔曲线图。可以看出：(a)在无安装载荷条件下，随着围岩的变形，首先要压实锚杆托盘和顶板间的浮煤、浮矸、金属网和钢带，在此顶板变形期间，锚杆体受力缓慢，当顶板变形达到40mm时，锚杆体才真正承载，此时围岩可能已经发生了破坏而进入不稳定状态。在这种情况下，锚杆已失去了主动早期加固围岩的作用。(b)在安装载荷为5t条件下，托盘和顶板间的浮煤、浮矸、金属网和钢带在安装应力的作用下已经压实，围岩受到5t的主动支护力。随着围岩的变形，锚杆体迅速受力，当顶板变形达到4mm时，锚杆体达到屈服承载能力。支护系统真正起到了早期（3mm围岩变形）和主动（
17、5t）的支护作用。（2）减少和消除顶板离层和拉应力区，增加围岩的自承载能力。顶板的离层和拉应力区与安装应力的大小有直接关系。适当的安装应力可以消除拉应力和防止顶板离层产生。图1 22mm杆体锚杆的实验室和现场拉拔曲线比较图由于地质采矿条件的复杂性，不可能用一个公式来确定安装应力的大小。目前的确定方法主要是基于数值分析和工程类比。捷马公司经过长期的深井高应力支护实践（新汶、潞安、兖矿、华亭、肥城、宁煤、平煤、邯郸、焦作等）和大量数值分析取得了一些成果，在间排距不大于1000mm，采深在8001000m的条件下，岩石巷道的安装应力不小于4t，全煤巷道在48t之间。4.3.2 最小支护强度（应力载荷
18、耦合）和最小延伸长度（变形耦合）（1）耦合工况点的概念。围岩既是被支护的对象，又是支护体的一部分（自承）。锚杆支护设计必须把围岩和锚杆系统作为一个整体考虑。随着开采深度的不断增加，巷道围岩变形与应力的关系变得越来越复杂。首先是“静压力”（垂直和水平）高带来的“软岩”变形大的特性。当变形超过锚杆（锚索）的可延伸长度时导致锚杆（锚索）破坏，最终整个支护体失稳。在有冲击倾向的围岩条件下，由于动压冲击引起瞬时压力，造成支护体（包括锚杆、锚索以及围岩）瞬时破坏，一般的来说，是由于锚杆或锚索首先破坏而导致整个支护体失稳。所以，合理的支护设计必须具有一定的变形让压性能，以达到支护体的特性曲线和围岩特性曲线耦
19、合，保证在由于变形压力引起超负荷时起到变形耦合和让均压作用。根据传统理论，围岩应力变形特性曲线如图2所示。从图2可以看出，从支护角度讲特性曲线可分为三个区：图2围岩应力变形特性曲线A区（围岩弹性变形区）：在此区域内，围岩基本处于弹性变形阶段，围岩保持完好，围岩变形小。在此区域内增加支护强度不能明显改善围岩变形。B区（围岩弹塑性区）: 在此区域内，围岩基本处于弹塑性变形阶段，围岩基本保持稳定，弹塑性变形区没有超过锚杆的支护范围，锚杆系统仍然起到支护作用。在此区域内，支护强度的微变将引起变形的剧烈增加。C区（围岩破坏区）:此时围岩破坏，支护系统承受破碎岩石的静载荷。随着破坏区域的增加，载荷增加。对
20、于锚杆支护，如果锚杆系统的支护范围小于破坏范围，则锚杆系统受力将变为0，彻底失去其支护作用，锚杆支护系统与围岩同步移动。A区和B区的交点定义为耦合工况点。其包括两个参数：支护系统的最小支护强度和最小延伸长度。在图2的条件下分别为100t和45mm。（2）支护体（锚杆，锚索）和围岩间的耦合一个成功的锚杆支护系统，不仅要求支护强度达到要求，还要根据围岩应力和变形特性曲线特征设计合理的锚杆特性曲线，以适应围岩应力和变形的需要。下面先回顾一下已经用过的三代锚杆的特性曲线并分析其存在的问题。第一、二 代锚杆：普强全螺纹钢锚杆和普强滚丝锚杆。这两类锚杆除了预应力上稍有差别外，特性曲线基本相同。这种类型的锚
21、杆在浅部地区效果较好，基本上解决了用锚网支护代替棚子支护的问题。在深部和地压大的矿井，其支护效果不理想，巷道变形量大，翻修量大。其锚杆支护特性曲线如图3所示。由此可以看出，第一代锚杆的设计支护强度过低（安装应力几乎没有）。在应力较大的条件下，根本达不到控制围岩稳定的要求，导致松散破碎区变大，最终超过锚固区。此时，锚杆系统失效并导致锚杆与围岩同步移动。现场所表现的就是锚杆不破断但巷道变形大甚至冒顶。图3第一，二代锚杆支护工作曲线及其耦合第三代锚杆:高强锚杆。超高强锚杆是利用Q500和Q600钢材制造的锚杆。其特点是强度大，但加工性能不好。成品锚杆在破坏时大多在丝部脆断，延伸率极小，无塑性变形阶段
22、。尽管其强度高，但由于其与围岩变形不适应，锚杆破断率极高，其特性曲线如图4所示。图中的锚杆支护系统特性曲线的实线部分是锚杆在丝部断裂时的状态，实线+虚线是锚杆在杆体破断时的特性曲线。由此可以看出，锚杆在丝部断裂时的允许变形和围岩变形相差甚大。此时尽管锚杆拥有较高的强度，但在围岩大变形条件下必然断裂。锚杆在杆体断裂时，尽管锚杆的整体变形达到围岩变形的要求，然而锚杆处于塑性变形状态下工作，此时由于巷道支护安全的需要，设计锚杆时应尽量设计锚杆的工况点在弹性范围内，否则变形的安全距离太小，微小的扰动和围岩变形变化也会导致锚杆破断。此时如果单一地增加锚杆的支护强度，则锚杆支护系统所需的最小支护强度超过5
23、00 t。按每排5根锚杆计算，则单根锚杆的支护强度不小于100t。在目前的钢材产品和制造水平下，还没有这样的锚杆。图4第三代锚杆工作特性曲线及其耦合耦合让均压锚杆（索）。耦合让均压锚杆是根据钢材的原始特性，通过耦合让均压元件来改善锚杆（索）的工作特性曲线，使其与围岩特性曲线耦合，达到安全、经济的支护目标（图5）。图5耦合让均压锚杆工作特性曲线和耦合1）耦合让均压元件的参数有两种途径可以实现锚杆耦合让均压功能：一种是内让压结构，把杆体本身做成可变形结构，但变形参数难控制且成本太高；另一种是保持杆体本身不变，利用耦合让均压元件让均压耦合。根据不同要求，耦合让均压环根据需要可以设计制造成不同特性。这
24、里不阐述耦合让均压环的详细结构和制造过程，只简单介绍设计原理和结果。耦合让压均压环的基本设计参数包括：n 让压点：让压点即让压均压环设计的起始让压载荷。让压点的大小，应保证锚杆在巷道掘进过程中承受的总载荷小于锚杆的实际屈服极限，以保证锚杆在掘进过程中不发生屈服破坏，同时为动压变形阶段留有充分的余地。n 让压载荷的稳定性：一旦让压均压环开始让压，载荷需基本保持稳定，过大的载荷下降会导致顶板支护效果不佳。让压稳定性的标准可以用让压稳定系数来衡量：W让压稳定性系数，t/mm。W应以不大于0.2为宜。Rt让压终端载荷，tR0让压点起始载荷，tD最大让压距离，mm。n 最大让压距离：耦合让均压环从稳定让
25、压开始到载荷开始增加的距离，其大小根据巷道变形的具体情况按围岩应力-变形关系确定。2）锚杆和锚索间的耦合锚杆和锚索是由不同性质的金属材料制成，本身的延伸率差别很大，在应用中其几何参数和安装载荷差别很大，所以在大采深高应力条件下，两者之间变形耦合和载荷耦合都很差，很难达到共同支护围岩的效果。由于这种现象的存在，很多深井巷道在高支护强度条件下仍然发生大量的支护体破断现象。图6是锚索延伸率（35%）和锚杆延伸率（15%）的实验室对比试验。如果锚杆、锚索支护体系在井下的实际工作状态与实验室一致的话，低延伸率的锚索必然首先破断。然而，井下实际施工和实验室相差太大，锚杆、锚索的实际工作曲线比实验室复杂得多
26、，这样更增加了锚索破断的概率。现场实际应用中经常发生下列情况：图6锚索延伸率和锚杆延伸率实验室试验比较a）无安装载荷锚杆和高安装载荷锚索。这种现象在现场很普遍，锚杆的安装载荷很小但锚索施加高安装载荷（这与国内施工机具有直接的关系）。图7是锚杆锚索的工作曲线。此时，锚杆无安装载荷而锚索的安装载荷为10t。工作曲线表明，随着围岩变形，锚杆初期受力很小，而锚索载荷增加很快，在围岩位移达到40mm时，锚杆才真正受力，而此时锚索已经破断。即锚杆和锚索耦合性能差，起不到共同支护顶板的作用。图7锚杆锚索的工作曲线b）锚杆安装载荷为46t，锚索为20t。图8为锚杆锚索系统的实际工作曲线，由此可以看出，更高的锚
27、索安装应力条件下，锚索破断前允许的顶板下沉量更小。（允许变形量仅为34mm），这间接减少了锚索的工作延伸率。而锚杆的安装应力4t时，其允许变形量为75mm。锚杆和锚索允许变形量的安装差别，必然导致锚索首先破断。图8锚杆锚索的工作曲线为了解决这个问题，必须采取耦合措施使得锚杆和锚索实现变形和载荷耦合协调，达到共同支护围岩的目的。图9为整体耦合让均压鸟窝锚索，图10为一般锚索和整体耦合让均压鸟窝锚索的工作特性曲线比较。根据需要，可以设计锚索的耦合让压点、让压距离达到锚索与锚杆耦合。图9 整体耦合让均压鸟窝锚索图10普通锚索和整体耦合让均压鸟窝锚索的工作特性曲线比较4.3.3 表面支护表面控制是指锚
28、杆托盘、钢带（钢筋梁）和金属网等。锚杆托盘是锚杆支护顶板的受力点，托盘的强度必须与锚杆匹配，托盘的大小必须保证在锚杆达到其屈服载荷之前围岩不会被压坏。所以，其尺寸和强度应根据杆体强度和围岩强度确定。不合适的托盘会导致锚杆失效。图11是现场两种不同规格的托盘拉拔试验。3条曲线分别是实验室和现场200200mm、120120mm托盘条件下的拉拔结果。很明显可以看出，120120mm托盘受力面积太小，随着围岩的变形，托盘压入顶板造成锚杆受力急剧减少，完全改变了设计的锚杆工作曲线；尽管采用了高强锚杆，但锚杆受力达不到其屈服载荷，锚杆对围岩支护力大大降低，从而造成围岩移动量大。达不到设计的耦合让均压支护
29、的效果。图11 不同托盘对锚杆支护的影响试验结果5 支护方案及支护参数的确定根据地质采矿条件和现场观测分析，考虑锚杆初次支护系统失效的几个关键因素：锚杆（索）长度，整体耦合让均压性能，安装应力的大小，为了实现尽量减少二次支护最终彻底取消二次支护，现对支护系统做出如下调整和改进。（1）锚杆支护锚杆类型：根据前面分析和设计要求，建议采用整体耦合让均压应力显示锚杆，如图12所示图12整体耦合让均压高强锚杆锚杆参数：顶板202400mm：Q500矿用螺纹钢，屈服吨位为16.018t，抗拉吨位为21.143t。两帮：182000mm：Q500矿用螺纹钢，屈服吨位12.974t，抗拉吨位为17.126t。
30、安装应力： 4t以上让压装置：最大让压距离 30mm，让压点：顶板1215t，两帮：710t树脂锚固剂：Ck23352。护表措施：顶板：编织网W钢带高强托盘（1501508mm） 两帮：编织网W钢带高强托盘（1501508mm）顶板钢带：41002752.75mm；两帮钢带：33002752.75mm。间排距：锚杆排距初步确定为900mm，根据实验情况适当调整。间距如图13和图14所示。（2）辅助支护 锚索类型：整体耦合让均压鸟窝锚索 锚索直径：17.78mm，最大破断力36t 让均压装置：双泡让压管，最大让压距离 50mm，让压点：顶板2225t 树脂锚固剂：根据现场情况确定。 锚索长度：中
31、间锚索：9300mm；两边锚索：6300mm锚索托盘：30030012mm的高强托盘。 间排距：锚索布置如图所示。图13 巷道支护断面图图14 顶板支护平面图表2 支护所需产品列表及每米材料消耗量序号材料名称规格尺寸配置每米材料消耗量1整体耦合让均压应力显示锚杆202400mm500杆体，三明治垫圈，阻尼螺母，150 150 8mm高强托盘，应力显示让均压装置5.56套2整体耦合让均压应力显示锚杆182000mm500杆体，三明治垫圈，阻尼螺母，150 150 8mm高强托盘，应力显示让均压装置8.89套3整体耦合让均压鸟窝锚索17.789300mm索具、加强管、索头保护套、球垫、300300
32、12mm高强托盘，双泡让均压装置0.56套4整体耦合让均压鸟窝锚索17.786300mm索具、加强管、索头保护套、球垫、30030012mm高强托盘，双泡让均压装置1.11套5W钢带2.752754100mm顶板锚杆用1.11条6W钢带2.752753300mm两帮锚杆用2.22条7金属网矿上自备经估算，每米支护材料成本1790元左右。表3 所需设备与配套工具（现场试验后确定）序号工具名称规格尺寸数量备注1顶板锚杆钻机矿上自备2帮锚杆钻机风煤钻3钻杆、钻头矿山自备4锚杆搅拌器B19/M246捷马公司5锚杆搅拌器B19/M226捷马公司6锚索搅拌器B19/K17.7812捷马公司7扭矩放大器B1
33、9/M24-3.56捷马公司8扭矩放大器B19/M22-3.56捷马公司9T型扳手M243捷马公司10T型扳手M223捷马公司11锚索张拉器K17.78矿上自备6试验前的准备工作（1）锚杆安装应力检测确定锚杆安装应力与安装扭矩的关系，确定施工与检验标准。（2）拉拔试验确定围岩的可锚性及锚固段的锚固长度。（3）施工工艺（作业规程）的确定试验之前与矿方一起就试验巷道制定专门的作业规程，确定施工工艺。7 现场试验观测及评价7.1 支护产品性能测试（1）试验室内测试捷马公司对所提供的支护产品锚杆杆体、锚杆托盘、锚杆阻尼、耦合让均压装置和锚索索体、锚索托盘、索具等产品在出厂前对其定量抽检和检测，确保所提
34、供的支护产品达到设计的性能要求和各项技术指标。（2）井下现场测试现场测试主要是对锚杆的安装应力、扭矩应力比、锚杆锚固力、锚固剂性能等实际技术参数进行测试，以确定锚杆的安装参数和工艺要求。（3）试验段技术要求试验段内的巷道采用矩形巷道。l 整体耦合让均压应力显示锚杆（锚杆型号：NMG2024），锚杆预应力大于4吨，锚杆破坏性实验的拉拔力20吨，日常质量监测锚杆的锚固力不低于16吨。顶板锚杆最终紧固扭矩不低于220Nm，两帮锚杆最终紧固扭矩不低于220Nm（具体数值试验后确定）。l 整体耦合让均压鸟窝锚索：锚索预应力1012吨，锚索锚固力不小于36吨。7.2 施工工艺 施工质量是巷道支护试验能否成
35、功的关键因素，一定要有合适的施工机具和正确的施工方法才能保证施工质量。为此，捷马（济宁）矿山支护设备制造有限公司总结多年的施工经验，得出了一套适合现场实际的施工工艺。实践表明，采用此施工工艺可有效提高锚杆的安装应力，保证施工质量。7.2.1锚杆安装工艺（1）基本参数：锚杆类型：整体耦合让均压应力显示锚杆锚杆长度：2400mm，2000mm锚杆直径：20mm，18mm钻孔直径：28mm树脂锚固剂：CK23352（2）安装步骤： 打孔，用锚杆机打钻孔。孔深比锚杆托盘到末端长20mm。把树脂药卷和锚杆推入规定的孔位。利用锚杆和锚杆搅拌器通过锚杆机的上推力把树脂推入孔中直到锚杆托盘离顶板10mm左右。
36、注意在上推树脂时尽量不要旋转，严禁把托盘死死压在顶板上。完成第2步后，迅速旋转锚杆搅拌1520秒（旋转搅拌时不要施加上推力），然后顺势上推锚杆使托盘贴近顶板。停：完成搅拌后停止60秒钟左右让树脂充分凝固。上紧螺母：旋转搅拌器上紧螺母。在紧螺母时应给最大扭矩而不要施加上推力以最大限度的上紧螺母。用扭矩放大器或手动加长扳手，进一步上紧螺母，达到规定的安装应力。 锚杆安装可以总结为：一推（推树脂至钻孔规定位置），二转（旋转搅拌树脂），三等(等树脂充分凝固)，四紧(紧固螺母)。 在安装过程中要严格按安装步骤。否则会出现“长尾锚杆”或打不开阻尼现象。这会大大影响锚杆支护效果甚至失效。（3）锚杆安装质量检
37、查标准：合格的锚杆安装应该满足下列标准： 充填在螺母的树脂阻尼必须全部脱落，否则锚杆无法达到安装载荷。 塑料垫圈必须溶化掉。 锚杆外露长度为30mm80mm。 用扭矩扳手检验，锚杆安装扭矩不低于220Nm。7.2.2 锚索安装与测试（1）锚索井下安装培训捷马公司对所提供的产品进行全面的技术培训。（2）锚索拉拔试验 17.8mm的整体耦合让均压鸟窝锚索的拉拔力需要大于36吨，设计选用Z2350树脂3只，正常情况下可以满足锚索的拉拔力。（3）锚索安装（1）钻孔深度大于锚索长度（从托盘到锚索前端的距离）35cm。（2）钻孔打好后，轻轻将选定的锚固剂推入钻孔，要确保不使锚固剂外壳破裂。（3）将安装好索
38、具、耦合让均压装置、球垫和高强托盘的锚索将锚固剂缓缓推入钻孔，直至推不动为止。（4）将预先安装在钻机上锚索搅拌器跟锚索的尾部连接，快速搅拌锚固剂，搅拌锚固剂的同事钻机推力要最大。锚固剂搅拌时间为2530秒，搅拌锚固剂停止时要确保锚索托盘靠近岩面。（5）锚固剂搅拌完毕后1520分钟后，用锚索涨拉器拉紧锚索，锚索预应力要达到1012吨。7.3巷道支护效果及矿压观测成果为全面检测老石旦煤矿16404工作面回风顺槽采用整体耦合让均压应力显示锚杆和整体耦合让均压鸟窝锚索支护段巷道的支护状态，监控巷道所受到的掘进和采煤工作面影响，掌握围岩的变形规律，确定巷道的稳定程度，以便及时采取措施保证矿井安全生产，应
39、通过监测来验证支护设计的合理性，检验支护质量，同时为修改支护设计提供科学依据。本次矿压监测的主要内容包括：巷道煤岩体表面位移监测、顶板离层监测、锚杆锚索受力状态监测、锚杆安装应力监测与锚杆锚固力监测。7.3.1 煤岩体表面位移监测 （1）断面位置及间距以采用整体耦合让均压应力显示锚杆支护的巷道断面为开始点，第一观测断面位置距离开始点50m，然后向掘进方向掘进50m布置下一个断面（为监测断层附近或特殊围岩条件的巷道变形，断面间距可以适当扩大或缩小，断面尽量选择在顶板和两帮相对较完整的位置，以便于观测）。 （2）测点布置方式及施工要求巷道位移监测断面测点布置如图15所示。 图15 测点布置图（3）
40、施工技术要求 要保证A、B测点的连线与底板垂直，C、D的连线与底板平行。 为准确定位测点位置，需在各测点所在位置的煤岩体内打一个深0.5m，直径为29mm的钻孔，然后在钻孔中央放置一段长0.55m，直径为20mm的螺纹钢，并用树脂药卷把钢筋固定在钻孔内，钢筋要露出2050mm（也可以采用木桩或别的材料作为基点）。 测点布置后，应注意保护断面，防止测点被破坏。（4）测试时间安排及测试要求测试断面布置的当天进行第一次测量，以后每两天观测一次，一周后改为5天观测一次，直到巷道基本稳定为止。采煤工作面回采期间，应根据情况增加观测次数。测试内容为A与B、C与D、A与E及C与E之间的距离，各测点的位置以外
41、露基点的顶端平面为基准，测量要认真，读数要准确，并做好记录。本测试采用的测量仪器为米尺加测绳（采用测杆也可以）。在测试过程中发现异常情况时，应及时向带队人员反映，并通知相关科室，等问题解决后再进行作业。（5）数据处理根据观测的结果，作出巷道表面位移随时间变化的曲线，根据曲线分析巷道稳定性受掘进和工作面回采的影响程度，总结巷道表面位移的变化规律，确定巷道的稳定程度和锚杆的支护效果。7.3.2 顶板离层监测在试验段的第一个观测断面左右2m范围内的顶板安设第一个顶板离层指示仪，以后每隔50m安设一个顶板离层指示仪。在距工作面50m内观察离层值，50m以外改为观察两个刻度坠的颜色（绿色表示顶部离层值较
42、小，处于稳定状态；黄色表示离层松动已经达到警戒值；红色则表示顶板离层松动值较大，已经进入危险状态），离层指示仪应有专人班班观察，发现异常应及时通知相关科室，保证矿井安全生产。为准确定位顶板的离层部位和离层量，采用钻孔窥视仪进行观测，其可以直接观察10m深钻孔的岩层结构、层理、各类弱面和离层情况。在要观测离层的断面，在中线附近沿与顶板垂直的方向打一个直径为28mm，长度为10m的钻孔。钻孔打完后要用清水冲洗20秒，钻孔要平直，以利于观测，钻孔打完后30分钟内进行观测，观测结束后保留此钻孔，下次观测时可重复利用（观测时间和观测次数根据现场情况而定）。7.3.3 整体耦合让均压应力显示锚杆受力状态监
43、测为掌握锚杆安装应力的大小，判断施工质量，进一步根据锚杆的工作状态判断其参数是否合理，锚杆是否发生屈服、破断等，需进行锚杆受力状态测试。本测试采用托板压力表进行。使用时，首先将托板压力表套在锚杆托盘和外锚头的螺母之间（压力表的刻度盘朝外），然后紧固螺母对锚杆施加预应力，记录下压力表指示的初始值（初始值达到4MPa即可），以后每两天观测一次，一周后改为5天一次，直到压力表读数基本稳定为止。采煤工作面回采期间，根据现场情况增加观测次数。托板压力表应安设在位移观测断面处，每个断面安设4块压力表（顶板锚杆锚索一块，两帮锚杆各一块）。每30m设一组观测断面。此压力表1MPa=440kg，当压力表的读数达
44、到40 MPa时，应密切关注锚杆的状态，此时锚杆已经屈服，并可能发生破断。通过压力表的观测结果，可以随时监测锚杆的受力状态，确定掘进及回采期间锚杆的稳定程度，判断出掘进和回采的影响范围和影响程度，进一步确定锚杆杆体强度选择的合理性。7.3.4 整体耦合让均压应力显示锚杆安装应力监测采用扭矩扳手配合安装应力测试表来确定井下施工现场施工让压锚杆的安装扭矩与安装应力的关系，简化以后日常监测锚杆安装应力的工作。根据试验结果，确定锚杆施工的安装扭矩，以此作为日后监测的标准。实验方法为：把安装应力测试表放在托盘与螺母之间，按照正常的锚杆安装步骤完成锚杆安装工作，然后利用扭矩扳手紧固螺母，每增加50N.m，
45、记录一次安装应力测试表的读数，直到扭矩达到500N.m为止。最后，根据试验的结果作出安装应力与安装扭矩的关系曲线。7.3.5 整体耦合让均压应力显示锚杆锚固力监测锚杆锚固力监测是通过井下拉拔实验完成的，通过拉拔实验确定施工锚杆的全程应力应变曲线。拉拔实验的目的是测试锚杆系统是否满足设计要求，其包括锚杆杆体强度、锚固段抗拉强度、树脂、托盘和螺母等是否匹配。拉拔实验完成后，应作出锚杆拉拔实验的应力应变曲线，根据曲线分析锚杆系统的性能，找出破坏的原因。拉拔实验操作步骤如下：（1） 首先记录操作对象的各种特性型号：直径：长度：托盘：（2）制作数据记录表吨位 位移12 加到2吨时位移计调零31718（3
46、）在垫圈和托盘之间加卡环和两个垫圈。（4）将小套筒卡在卡环上，加大套筒，液压缸，垫圈2个，紧固螺母。（5）安装位移计，并确保位移底部不能下沉，千分表安装在支撑杆上。（6）每加压力1吨，读千分表读数一次，并作记录。（7）卸压后，拆卸仪器，清点物品。拆卸完毕后记录千分表未归零的读数。拉拔实验必须有专业人员来完成。巷道掘进施工中，作为日常锚杆锚固力监测，要求每掘进3050m巷道抽样一组（三根）进行实验，抽测时只做非破坏性拉拔，顶锚杆达到160kN，帮锚杆达到120kN，即可停止拉拔。抽查到的3根锚杆被加载到设计锚固力时，其中只要有一根不符合要求，应再抽查一组（3根）；若再不符合要求，则锚固力项目为不合格，应立即组织有关单位查明原因，锚固力达到要求后方可再次施工。
