巷道支护材料

巷道支护材料
三、钢材
钢材作支护材料有许多优点：强度大，可支撑较大的地压，使用期长，可多次复用，安装容易，耐火性强，必要时也可制成可缩性结构，初期投资虽然大些，但可回收，总成本有时还是经济的。

（一）钢材的基本概念
1、常用钢材分类
按品质分，钢材分为普通钠、优质钢（硫、磷含量均低于0 . 04 % ）、高级优质钢。

普通碳素钢（如常用的3 号钢、5 号钢）根据其含碳量高低分为低碳钢、中碳钢、高碳钢；当其硫、磷等残留成分在限定量以下时，称为优质碳素钢。

根据化学成分，可将钢材分为碳素钢和合金钢。

合金钢根据含合金元素总量多少，分为低、中、高合金钢。

根据用途，常用建筑钢材主要使用型钢和钢筋（建筑钢）两类，之外还有工具钢。

各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及其加工方式。

各种型钢和钢筋、钢丝、锚具，以及矿山工程中常用的钢绞线、锚杆螺纹钢等材料，基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢等钢种，经热轧或冷轧、冷拔及热处理等工艺加工而成。

1 . 3 . 3 .
2 常用建筑钢材的主要化学成分建筑上常用的钢材是碳素钢，碳素钢的主要化学成分是以铁为基体，除含碳外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等。

硅和锰是炼钢时作为脱氧剂加人后残存的；硫和磷是炼铁时从矿石或燃料进人铁水，而后未能完全除掉所残留的。

它们都属于钢中的伴随元素。

3 . 3 . 3 常用建筑钢材的力学性能与特点建筑钢材作为主要的受力结构材料，其主要力学性能有抗拉性能、冲击韧性（抗冲击性能）、耐疲劳性能及硬度。

抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。

通过拉伸试验可以测得屈服点、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。

钢材冲击韧性能较全面地反映出材料的品质。

钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量，以及温度和时效等都较敏感。

钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生突然破坏，叫疲劳破坏。

可用疲劳极限或疲劳强度表示钢材的耐疲劳性能，它是指钢材在交变荷载下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。

硬度是指钢材表面局部体积内，抵抗外物压人产生塑性变形的能力，是衡量钢材软硬程度的一个指标。

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（二）矿用钢材种类、特点和要求
煤矿常用的金属支架材料有工字钢、角钢、槽钢、轻便钢轨、矿用工字钢以及矿用特殊型钢等。

1、矿用工字钢
热轧矿用工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长条钢材，是为矿山使用专门设计的宽冀缘、小高度、厚腹板的工字钢（图6-3、表6-5）。

它的几何特性既适于作梁，也适于作腿。

其截面尺寸以高（h）×腰厚（d）的毫米数字来表示，如高为110mm，腿宽为90mm，腰厚为9mm的工字钢标记为“工110×90×9”。

工字钢的另一种标记方法是用型号来表示，即用高的厘米数表示，如工11﹟。

11﹟工字钢是煤矿煤巷支护最常用的工字钢型号。

表6-5 矿用工字钢的截面面积、理论质量及断面参数
2、矿用特殊型钢
矿用特殊型钢主要是指截面为U形的U形钢（图6-4）。

矿山常用的包括U18、U25、U29、U32和U36五种，其中的数字是指每米的重量。

矿山主要是利用矿用特殊U形钢制作具有可缩性的拱性支架，用于困难条件下的巷道支护。

由于U形钢两个方向的抗弯截面模量Wx、Wy接近相等，说明这种型钢的竖向抗弯能力与横向抗弯能力不相上下，横向稳定性较之其他型钢好。

常用U形钢的型号和断面参数如表6-6所示。

表6-6 矿用特殊型钢断面参数
矿用工字钢与矿用特殊型钢的高度较普通型钢小，这样可以减少巷道开挖量。

3、槽钢
槽钢是截面为凹槽形的长条钢材（图6-5）。

其规格以高度（h）×腿宽(b) ×腰厚（d）的毫米数字来表示，如120mm×53mm×5mm，表示高为120mm，腿宽为53mm，腰厚为5mm的槽钢，或称12#槽钢。

煤矿
常用热轧轻型槽钢断面尺寸和参数如表6-7所示。

表6-7 热轧轻型槽钢的断面尺寸和参数
槽钢大多用于与锚索组合支护，这种组合构件的强度和刚度比较大，支护能力强。

图6-6所示是用于锚索组合的槽钢梁，常用的有12号、14号、16号槽钢。

轻便钢轨是专为井下1t至3t矿车运输提供的，并在巷道支护中可用于制作轻型支架，但其承载性能差。

此外，钢筋也是支护中常用的金属材料。

普通钢筋混凝土结构中，多采用3 号钢（低碳钢）钢筋。

20 锰硅和25 锰硅普通低合钢钢筋主要
用于受力钢筋，一般不作构造钢筋用。

在钢筋混凝土结构中，其混凝土标号不宜低于20MPa（200 号）。

表6-11螺纹钢锚杆杆体的几何参数
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三、锚杆桁架支护
锚杆桁架是在巷道肩窝处顶板上，沿45°～60°扩方向安装钢丝绳、钢筋或钢绞线锚杆，并用拉紧装置将锚杆的外露部分连接起来，再背上木楔组成的。

形成的锚杆桁架结构除有锚杆的支护作用外，还有支撑顶板的作用，可用于处理顶板锚杆或其他常规方法无效的恶劣顶板条件；但巷道两帮需用锚杆进行加固，其长度应大于顶板锚杆的水平投影。

一般情下锚杆桁架有锚杆、拉杆、拉紧螺栓、木楔等组成。

一般在顶板锚杆悬吊作用失效，或顶板锚杆之间有岩石窜落处使用锚杆桁架。

光弹性试验证明，锚杆桁架的上推力产生在钻孔口和木楔处，因而在顶板跨度中部的拉应力减小；随着锚杆桁架拉力的增加，巷道顶板拉应力持续减小，直到跨度中部完全呈受受压状态为止。

由于岩石的抗拉能力很弱，而抗压能力很强，所以拉应力区的岩石垮落危险最大，而锚杆桁架支护结构可在未支撑顶板处的巷道中部建立压应力区，代替拉应力区，
能减缓或避免巷道顶板的冒落，因此，锚杆桁架支护系统具有较好的支护性能。

锚杆桁架的支护原理如图6-36。

2 . 2 巷道断面尺寸的确定《煤矿安全规程》第二十一条规定，巷道净断面必须满足行人、运输、通风和安全设施及设备安装、检修、施工的需要。

因此，巷道断面尺寸主要取决于巷道的用途，存放或通过它的机械、器材或运输设备的数量与规格，人行道宽度与各种安全间隙以及通过巷道的风量等。

设计巷道断面尺寸时，根据上述诸因素和有关规程、规范的规定，首先定出巷道的净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支护参数、道床参数，计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许加大值（超挖值），计算出巷道的计算掘进断面尺寸；最后，按比例绘制包括墙脚、水沟在内的巷道断面图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表。

2 , 2 . 1 巷道净宽度的确定巷道的净宽度，是指巷道两侧内壁或锚杆露出长度终端之间的水平距离。

对于梯形巷道，当其内通行矿车、电机车时，净宽度是指车辆顶面水平的巷道宽度、当巷道内不通行运输设备时，净宽度是指自底板起1 . 6m 水平的巷道宽度。

运输巷道净宽度，由运输设备本身外轮廓最大宽度和《煤矿安全规程》所规定的人行道宽度及有关安全间隙相加而得。

巷道安全间隙不应小于表2 . 1 中的规定。

表3-1巷道安全间隙表单位：mm。