煤矿井下工作面进风顺槽的支护方法与流程

本发明属于煤矿井下支护技术领域，具体是一种煤矿井下工作面进风顺槽的支护方法。

背景技术：

任何一条巷道的变形都是由多方面的原因综合影响造成的，主要包括原岩应力影响、巷道布置、设计、施工和后期的维护等方面，其中，巷道支护结构、参数及支护构件的不合理是造成巷道变形的最主要原因之一。目前，大多数煤矿的巷道顶板支护大都采用全锚索支护，锚索的特点是抗拉不抗剪，复合顶板容易发生剪切错动，因此顶板全锚索支护并不合理。两帮支护强度较弱，无法有效控制两帮的大变形，当两帮出现大变形时不可避免地对顶底板形成水平剪切。此外，由于支护构件的不合理，容易使得锚索在孔口发生破断，主要是锚索托盘与岩面接触为平板接触，无拱窝，无调心球垫，在锚索施工有一定角度时无法调节锚索的安装方向，导致锚索铸铁托盘与岩面剪切将锚索剪断。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种全新支护结构、参数及支护构件的煤矿井下工作面进风顺槽的支护方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种煤矿井下工作面进风顺槽的支护方法，包括1）顶板支护和2）两帮支护；

1）顶板支护

锚杆形式和规格：采用BHRB500钢材，杆体为22^#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24mm；

锚杆布置：锚杆排距900mm，每排6根锚杆，锚杆间距900mm，垂直顶板打设；

锚固方式：树脂加长预应力锚固，采用2支树脂锚固剂，1支规格为MSK2335，另1支规格为MSZ2360，钻头直径f30mm，锚固长度为1208mm，锚固力不小于190kN；

护表构件：采用W钢带护表，两边压边；

锚杆托板：150×150×10mm的高强度拱形托板，配套使用调心球垫和塑料垫片；

锚杆预紧扭矩：大于400Nm、小于550Nm，即400 Nm≤设计扭矩≤550Nm，锚杆安装完毕后半小时内预紧结束；

网片：采用金属网护表，网片为网格50×50mm的10^#铅丝编织，规格5.4×1.0m；

锚索形式和规格：SKP21.6-1/1860-6300，公称直径21.6mm，长度6300mm，高强度矿用钢绞线锚索，配合配套锁具；

锚索布置：沿巷道中间打设锚索，3-2布置，当排布置3根锚索时，锚索间距为1600mm，当排布置2根锚索时，锚索间距为2000mm，全都垂直顶板岩层打设；

锚固方式：加长预应力锚固，采用1支MSK2335和2支MSZ2360树脂锚固剂锚固，钻孔直径f30mm，锚固长度1970mm；

锚索托板：采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，锚索托板承载力不低于500kN，托板高度不低于60mm；

锚索预紧力：≥250kN；

2）两帮支护

锚杆形式和规格：采用BHRB500钢材，杆体为22^#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24mm；

锚杆布置：锚杆排距900mm，每帮每排7根锚杆，顶部锚杆距顶板400mm，锚杆间距900mm，锚杆全部垂直巷帮岩面打设；

锚固方式：树脂加长预应力锚固，采用两支树脂锚固剂，一支规格为MSK2335，另一支规格为MSZ2360，钻孔直径f30mm，锚固长度为1208mm，锚固力不小于190kN；

护表构件：采用W钢护板护表，规格为300×460×4mm，四边压边；

锚杆托板：150×150×10mm的高强度拱形托板，配套使用调心球垫和塑料垫片；

锚杆预紧扭矩：大于400Nm，小于550Nm，即400 Nm≤设计扭矩≤550Nm；

网片：采用金属网护表，网片为网格50×50mm的10^#铅丝编织，规格5.5×1.0m；

锚索形式和规格：SKP17.8-1/1860-4300，公称直径17.8mm，长度4300mm，高强度矿用钢绞线锚索，配合配套锁具；

锚索布置：帮部锚索3-2布置，当排布置两根锚索时，上部锚索距顶板的距离为1800mm，下部锚索距底板的距离为1800mm，当排布置三根锚索时，顶部锚索距顶板的距离为500mm，底部锚索距底板的距离为500mm，中部锚索位于顶部锚索和底部锚索中间位置，全都垂直巷帮岩层打设；

锚固方式：加长预应力锚固，采用1支MSK2335和2支MSZ2360树脂锚固剂锚固，钻孔直径f28mm，锚固长度1756mm；

锚索托板：采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，锚索托板承载力不低于500kN，托板高度不低于60mm；

锚索预紧力：≥150kN。

作为优选的技术方案，在上述支护过程中，所述的锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，锚杆钢号为BHRB500；杆体公称直径f22mm，长度2.4m；极限拉断力255kN，屈服力为190kN，延伸率18%；杆尾螺纹规格M24，采用滚压加工工艺成型，冲击吸收功不小于40J；

所述的树脂锚固剂采用型号分别为MSZ2360树脂锚固剂和MSK2335树脂锚固剂，其中，MSZ2360树脂锚固剂直径23mm，长度600mm，固化时间为中速；MSK2335树脂锚固剂直径23mm，长度350mm，固化时间为快速；

所述的锚杆托板为拱型高强度托板，尺寸为150×150×10mm，锚杆托板材料Q235，锚杆托板高度不低于36mm，承载力不低于190kN，配套使用调心球垫和塑料垫片，塑料垫片的材质为1010尼龙；

所述的W钢带的规格为W235/280/4-4800-6，W钢带材料为Q235；

所述的W钢护板为高强度W钢护板，四边压棱，尺寸为300×460×4mm，W钢护板材料为Q235；

所述的网片采用机织菱形金属网片，材料为10^#铅丝，网孔规格为50×50mm，用于顶板的网片规格为5400×1000mm，用于两帮的网片规格为5500×1000mm；

所述的锚索：用于顶板的锚索材料为f21.6mm，用于两帮的锚索材料为f17.8mm，用于顶板的f21.6mm锚索为1´19股高强度低松弛预应力钢绞线，极限破断拉力为550kN，延伸率7%；用于两帮的f17.8mm锚索为1´7股高强度低松弛预应力钢绞线，极限破断拉力为353kN，延伸率3.5%；两种锚索均配合高强度锁具和拱形可调心托板，托板承载能力不低于500kN，托板规格为300×300×16mm，用于顶板的f21.6mm的锚索长度为6300mm，用于两帮的f17.8mm的锚索长度为4300mm。

本发明支护方法中的支护结构、支护参数及支护构件都是通过大量的理论分析和不断的试验验证才最终确定的，以顶板锚杆支护为例，锚杆长度、锚杆密度、锚杆角度等支护设计的确定。

锚杆长度：随着锚杆长度增加，有效压应力区范围与厚度增加，锚杆作用范围扩大。但锚杆长度中上部分的压应力减小；两锚杆之间中部围岩的压应力减小。在预应力一定的条件下，锚杆越长，预应力的作用越不明显，主动支护性越差。因此，锚杆越长，施加的预应力应越大。反过来，通过提高预应力，可适当减小锚杆长度。通过试验得出，锚杆长度设计成2.4米最为合理科学，支护效果最佳，锚杆长度2.4m的应力分布图如图1所示。

锚杆密度：在一定预应力下，单根锚杆周围形成了类似锥形的压应力分布区域，压应力在锚杆尾部附近最大，锚固起始处附近次之，锚杆自由段中部较小，锚杆端部处于近零应力和较小的拉应力状态。锚杆间距过大，单根锚杆形成的锥形压应力区域彼此是独立的，不能形成整体支护结构。随着锚杆间距缩小，单根锚杆形成的锥形压应力区逐渐靠近、相互叠加，连成一体，形成整体支护结构，当锚杆增加到一定程度，再增加支护密度，对有效压应力区扩大、锚杆预应力的扩散作用变得不明显。通过试验得出，顶板每排六根锚杆、两帮每排七根锚杆的支护设计最为合理科学，支护效果最佳，顶板每排六根锚杆的应力分布图如图2所示。

锚杆角度：在现有的支护技术中，顶板上的锚杆除了角锚杆都是垂直顶板布置，但是角锚杆却是设定一定角度，常设的角度为10°、30°等。申请人通过研究发现，顶板角锚杆的角度对应力场分布有显著影响，垂直布置时，角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加，在顶板形成厚度较大、分布比较均匀的压应力区，覆盖了锚固区的大多数面积，锚杆预应力扩散与叠加效果最好。但随着角锚杆角度增加，角锚杆形成的有效压应力区与中部锚杆形成的有效压应力区逐步分离，叠加区域越来越小。当顶板角锚杆角度达到15°，两个压应力区明显分离。继续加大角锚杆角度，角锚杆与中部锚杆的压应力区分开的更远，成为彼此独立的支护单元。因此，在本发明中，顶板所有锚杆全部为垂直布置，不同角锚杆角度的附加应力场分布图如图3、4、5所示。

上述锚杆支护参数的分析同样适用于锚索。锚索直径越大、强度越高、长度越大，施加的预应力应越高。不考虑锚索的预应力而一味增加锚索直径、长度，不会取得明显效果。高预应力的短锚索支护效果比低预应力的长锚索支护效果好。

现有技术中孔口破断锚索多数为锚索安装角度不垂直岩面，且锚索托盘无调心装置，当顶板发生水平错动时，对锚索形成剪切，锚索铸铁托盘与岩面剪切将锚索剪断；孔内锚索破断的典型特征是锚索在破断处发生弯曲，说明顶板岩层错动先将锚索变弯，后发生剪断，断口均为齐整的剪切破断状。针对该问题，本发明在锚索支护上采用了调心托板、在锚杆支护上采用了调心球垫等支护构件，从而彻底解决了上述问题。

本发明支护方法设计合理科学，通过大量的理论分析和不断地试验验证得出了对于巷道支护效果最好的支护结构、支护参数及支护构件，从而解决了锚索、锚杆易被剪断等问题，极大地增强了巷道的支护强度，缓减了巷道易变形等问题，保证了巷道的安全。

附图说明

图1为锚杆长度2.4m的应力分布图。

图2为顶板每排六根锚杆的应力分布图

图3为顶板角锚杆垂直布置的附加应力场分布图。

图4为顶板角锚杆与垂线夹角10°布置的附加应力场分布图。

图5为顶板角锚杆与垂线夹角30°布置的附加应力场分布图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种煤矿井下工作面进风顺槽的支护方法，包括顶板支护和两帮支护；

1）顶板支护

锚杆形式和规格：采用BHRB500钢材，杆体为22^#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24mm；

锚杆布置：锚杆排距900mm，每排6根锚杆，锚杆间距900mm，垂直顶板打设；

锚固方式：树脂加长预应力锚固，采用2支树脂锚固剂，1支规格为MSK2335，另1支规格为MSZ2360，钻头直径f30mm，锚固长度为1208mm，锚固力不小于190kN；

护表构件：采用W钢带护表，两边压边；

锚杆托板：150×150×10mm的高强度拱形托板，配套使用调心球垫和塑料垫片；

锚杆预紧扭矩：大于400Nm、小于550Nm，即400 Nm≤设计扭矩≤550Nm，锚杆安装完毕后半小时内预紧结束；

网片：采用金属网护表，网片为网格50×50mm的10^#铅丝编织，规格5.4×1.0m；

锚索形式和规格：SKP21.6-1/1860-6300，公称直径21.6mm，长度6300mm，高强度矿用钢绞线锚索，配合配套锁具；

锚索布置：沿巷道中间打设锚索，3-2布置，当排布置3根锚索时，锚索间距为1600mm，当排布置2根锚索时，锚索间距为2000mm，全都垂直顶板岩层打设；

锚固方式：加长预应力锚固，采用1支MSK2335和2支MSZ2360树脂锚固剂锚固，钻孔直径f30mm，锚固长度1970mm；

锚索托板：采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，锚索托板承载力不低于500kN，托板高度不低于60mm；

锚索预紧力：≥250kN；

2）两帮支护

锚杆形式和规格：采用BHRB500钢材，杆体为22^#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24mm；

锚杆布置：锚杆排距900mm，每帮每排7根锚杆，顶部锚杆距顶板400mm，锚杆间距900mm，锚杆全部垂直巷帮岩面打设；

锚固方式：树脂加长预应力锚固，采用两支树脂锚固剂，一支规格为MSK2335，另一支规格为MSZ2360，钻孔直径f30mm，锚固长度为1208mm，锚固力不小于190kN；

护表构件：采用W钢护板护表，规格为300×460×4mm，四边压边；

锚杆托板：150×150×10mm的高强度拱形托板，配套使用调心球垫和塑料垫片；

锚杆预紧扭矩：大于400Nm，小于550Nm，即400 Nm≤设计扭矩≤550Nm；

网片：采用金属网护表，网片为网格50×50mm的10^#铅丝编织，规格5.5×1.0m；

锚索形式和规格：SKP17.8-1/1860-4300，公称直径17.8mm，长度4300mm，高强度矿用钢绞线锚索，配合配套锁具；

锚索布置：帮部锚索3-2布置，当排布置两根锚索时，上部锚索距顶板的距离为1800mm，下部锚索距底板的距离为1800mm，当排布置三根锚索时，顶部锚索距顶板的距离为500mm，底部锚索距底板的距离为500mm，中部锚索位于顶部锚索和底部锚索中间位置，全都垂直巷帮岩层打设；

锚固方式：加长预应力锚固，采用1支MSK2335和2支MSZ2360树脂锚固剂锚固，钻孔直径f28mm，锚固长度1756mm；

锚索托板：采用300mm×300mm×16mm高强度可调心托板及配套锁具，锚索托板承载力不低于500kN，托板高度不低于60mm；

锚索预紧力：≥150kN。

具体实施时，所述的锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，锚杆钢号为BHRB500；杆体公称直径f22mm，长度2.4m；极限拉断力255kN，屈服力为190kN，延伸率18%；杆尾螺纹规格M24，采用滚压加工工艺成型，冲击吸收功不小于40J；

所述的树脂锚固剂采用型号分别为MSZ2360树脂锚固剂和MSK2335树脂锚固剂，其中，MSZ2360树脂锚固剂直径23mm，长度600mm，固化时间为中速；MSK2335树脂锚固剂直径23mm，长度350mm，固化时间为快速；

所述的锚杆托板为拱型高强度托板，尺寸为150×150×10mm，锚杆托板材料Q235，锚杆托板高度不低于36mm，承载力不低于190kN，配套使用调心球垫和塑料垫片，塑料垫片的材质为1010尼龙；

所述的W钢带的规格为W235/280/4-4800-6，W钢带材料为Q235；

所述的W钢护板为高强度W钢护板，四边压棱，尺寸为300×460×4mm，W钢护板材料为Q235；

所述的网片采用机织菱形金属网片，材料为10^#铅丝，网孔规格为50×50mm，用于顶板的网片规格为5400×1000mm，用于两帮的网片规格为5500×1000mm；

所述的锚索：用于顶板的锚索材料为f21.6mm，用于两帮的锚索材料为f17.8mm，用于顶板的f21.6mm锚索为1´19股高强度低松弛预应力钢绞线，极限破断拉力为550kN，延伸率7%；用于两帮的f17.8mm锚索为1´7股高强度低松弛预应力钢绞线，极限破断拉力为353kN，延伸率3.5%；两种锚索均配合高强度锁具和拱形可调心托板，托板承载能力不低于500kN，托板规格为300×300×16mm，用于顶板的f21.6mm的锚索长度为6300mm，用于两帮的f17.8mm的锚索长度为4300mm。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。