井巷工程-6支护

第六章 巷道支护
能源科学与工程学院 郜进海 博士、教授
6.1 概述
围岩的自稳时间 支护与围岩共同作用原理
主动支护
被动支护
由于巷道的开挖形成空洞，破坏了原岩体中的原有
的应力状态，巷道周边由原来的三向应力状态变成 了两向应力状态，从而出现了应力重分布与应力集 中现象，这二者导致了在岩体中分别出现了较大的 剪应力和拉应力的出现，并使岩体向巷道内移动， 若不进行及时的支护，巷道会产生严重变形，影响 到其使用功能，更为严重的是由于岩体中构造复杂， 节理裂隙发育，当变形量达到一定程度后就会产生 冒顶片帮等事故，严重影响着煤矿的安全生产。
6.3.4
喷射混凝土主要性能指标
15～20MPa
1）喷射混凝土抗压强度 2施工
6.3.5.1
喷射混凝土施工工艺流程
6.3.5.2 喷射混凝土的主要工艺参数 1）工作风压 出口处为0.1MPa 所以工作风
压为 0.1＋0.001×输料管长度（m） 2）水压 比风压大0.1MPa 3）水灰比 0.4～0.45 4）喷头与受喷面的距离及角度 0.8～1.2m， 垂直于岩面喷射，减少回弹。 5）一次喷射厚度 顶部30～60mm，帮50～ 100mm。 6）分次喷射的间隔时间
6.3.5.3


喷射混凝土机具 1）混凝土喷射机 转子型 2）配套机械 6.3.5.4 喷射操作 喷射前安全检查， 操作的顺序：开机时：风—水—电 喷完后：电—水—风 喷射方式：圆形或椭圆形螺旋喷射 为使干料与水很好的结合，应在喷头处—设置双水环 异径葫芦管。
6.4 联合支护
围岩松动圈测试：可采用声测法，超声 波围岩松动圈探测仪等。 6.6.3 顶板离层监测：采用顶板离层监测仪， 也可用多点位移计测试。 6.6.4 锚杆支护质量监测：监测的内容包括： 锚杆的材质、锚杆安装质量、锚杆工作荷载、 锚杆的抗拔力测试。 6.6.5 喷射混凝土质量监测：喷射混凝土强度 和喷层厚度
6.2.1 锚杆支护作用原理
悬吊作用原理 1952年路易斯阿· 帕内科(Louis A.panek)等发表了悬吊理论，悬吊 理论认为锚杆支护的作用就是将巷 道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固 的岩层上，在预加张紧力的作用下， 每根锚杆承担其周围一定范围内岩 锚固力 Q ≥(1.5～2)W 体的重量，锚杆的锚固力应大于其 锚杆工作拉力 Q1=σbA 所覆盖的岩体的重力。见右图所示。 锚杆长度 L＝KH＋L1＋L2
6.2.1.3
组合拱理论
在沿拱形巷道周边布置锚杆 后，在预紧锚固力的作用下，每 根锚杆都有一定的应力作用范围， 只要取合理的锚杆间距，其应力 作用范围会相互重迭，从而形成 一连续的挤压加固带——即厚度 较大的组合拱，该加固带的厚度 是普通砌碹支护厚度的数倍。故 能更为有效地抵抗围岩应力，减 少围岩变形，其支护效果明显好 于普通砌碹支护。
6.2 锚杆支护结构
锚杆支护是将小直径的钢及其它材料制成的杆
状体，钻孔安装于围岩中，用于加固围岩的一 种支护形式。 喷射混凝土支护是用机具喷头，利用高压把混 凝土喷射到围岩表面，快速凝固后支护围岩的 一种支护形式。 锚喷支护是以锚杆支护和喷射混凝土支护为主 要支护结构的一系列支护形式的总称。
6.5.1
6.5.2 金属支架
特点：与木支架相比，
具有耐腐蚀，强度高 可复用等优点。 6.5.2.1 梯形金属支架 一般是16～20号工字钢 或矿用工字钢，由棚 腿、顶梁和木背板组 成，通常用于回采巷 道中，经修整后可多 次复用。
6.5.2.2
拱形可缩性金属
支架 由矿用特殊型钢—U型钢制 作，每架一般由三段U型钢 构成，两段之间搭接300～ 400mm，通过卡箍固定。 为防止倾倒，架与架之间 通过金属拉杆连接。当地 应力较大时，重合段之间 可产生相对移动，而产生 一定的变形，从而释放围 岩的应力。适用于地压大 围岩变形量大而断面不太 大的巷道。
目前巷道支护方式主要有： 1. 棚式支架（木支护，混凝土支架，金属支架
等，其中金属支架又有普通金属支架及可缩性金 属支架。 ）这类支护方式主要用于矩形及梯形 巷道。 2. 砌碹支护：料石砌碹，现浇混凝土 3. 锚喷支护：锚杆支护、喷射砼支护、锚喷联 合支护、锚喷支护＋（网、钢带、梯子梁等）联 合支护。 4. 上述锚喷支护再加锚索加强支护
6.2.2.2
管缝式锚杆 由强度较高的合金钢板材经卷压加工工 艺而形成的开缝式管状杆体。其直径一 般略大于锚杆孔的孔径，施工时用风钻 或其它专用机具强行将锚杆杆体压入孔 内，靠管体的弹性挤压孔壁从而产生全 长的锚固力。
6.2.2.3
6.2.2.4 内注式注浆锚杆 在不稳定岩层中，为了提高破碎岩体的自身强度， 将锚杆设计成带有中心孔的管状杆体，施工时先 将锚杆安装好（注意在孔口处的堵塞），然后把 注浆泵接到锚杆的尾端，将注浆浆液通过锚杆中 心孔并通过锚杆中的注浆口注入破碎岩层中使破 碎岩体加固，并锚固岩体的一种锚固方式。
6.2.4 锚杆支护施工
施工机具：锚杆钻机、风钻、煤电钻（煤层中）
锚杆安装器等。 安装质量：包括锚杆间排距、锚杆的角度、锚 固质量与锚固力。
6.3 喷射混凝土支护
概述 喷射砼支护是以压缩空气为动力，用喷射机将 细骨料砼以喷射的方式覆盖到需要维护的岩面 上，凝结硬化后形成的砼结构的支护方式。
6.4.1
预应力锚索支护 锚索的作用 材料及结构：钢绞线、锁具、锚固剂 钢绞线：15.24mm，17.28mm 锁具： 锚固剂：树脂锚固剂 锚索结构：三部分—内锚段、自由段、外锚段 施工工艺：地面准备、钻孔、锚固、张拉
6.4.5
6.5 其他支护技术
木支护 主要用于梯形巷道，是以前顺槽有切眼的主要支护方 式。由棚腿、顶梁和背板组成 适用条件：地压不大，巷道服务年限不长、断面较小 的采区巷道中，也可用于永久巷道施工时的临时支护。 优缺点：具有一定的强度，重量轻、加工容易、适应 性强、破坏时有一定的过程，可尽早发现及时处理。 但强度相对较低，不防火，容易腐朽，服务年限短， 不能阻止和防止围岩风化，特别是木材消耗量较大。
6.2.2 锚杆的结构类型
树脂锚杆 以树脂为锚固剂，将锚杆杆体粘结在锚杆孔 内，外加托板及螺母紧固形成锚杆支护的一 种形式。 1）普通树脂锚杆 树脂锚固剂加普通金属杆体（麻花型锚固端） 或以普通螺纹钢为杆体的锚杆。 2）等强螺纹钢锚杆 3）玻璃钢锚杆
6.2.2.1
快硬水泥和快硬膨胀水泥锚杆 以快硬水泥或带有膨胀性的快硬水泥为锚 固剂，配以金属杆体。为端头锚固型，成 本较树脂锚杆低。但锚固剂质量不易控制。 目前常用的水泥为快硬早强硅酸盐水泥和 快硬膨胀水泥及双快水泥等。
6.2.1.1
锚杆间排距
a Q Hk
6.2.1.2 组合梁理论 按材料力学理论可知，无锚杆时巷道顶板 岩石为叠合梁结构，在受到其上部围岩的应 力作用后，各层单独变形，层与层之间容易 产生滑移从而导致离层；而顶板采用锚杆支 护时，锚杆穿过各层状岩层形成组合梁，共 同抵抗围岩应力，故变形较小，从而起到支 护的作用。
由于不同的地区岩层条件各不相同，单纯的锚
杆支护或单纯的喷射混凝土支护不能满足巷道 稳定及安全的需要，因此在锚杆和喷射混凝土 支护的基础上形成了一系列的支护形式，由锚 杆、喷射混凝土、金属网、钢带、钢筋梯等组 合而成的各种联合支护形式。
锚喷支护 6.4.2 锚网支护 锚网支护 锚带网支护 6.4.3 锚杆桁架支护 6.4.4 锚注支护
d 35 . 52
t
(3)锚杆间排距
a
Q K H
2）按挤压加固拱理论计算锚杆参数 锚杆长度与锚杆间距的关系
b L tan a tan
若锚杆的控制角按45°考虑的话则
如果按常用锚杆的长度L＝1800～2200㎜和a为600～
b La
800㎜计，则加固拱的厚度将为1200～1400㎜，相当 于3～4层混凝土碹的厚度。所以，一般情况下锚杆的 长度应大于两倍的锚杆间距。
木锚杆和竹锚杆 1）木锚杆 普通木锚杆 压缩木锚杆 2）竹锚杆
6.2.2.5
其它锚杆：楔缝式、倒楔式、涨壳式钢
筋砂浆锚杆、钢丝绳砂浆锚杆等
6.2.3 锚杆支护参数的确定
工程类比法 理论计算法 数值模拟法
监测反馈法
工程类比法参数设计 直接类比和专家系统
6.2.3.1
理论计算法参数设计 主要是利用悬吊理论、冒落拱理论、组合拱理 论以及其它各种力学方法，分析巷道围岩的应 力与变形，进行锚杆支护设计，给出锚杆支护 参数的解析值。 1）按悬吊理论设计锚杆支护参数 (1)锚杆长度 L＝L1＋H＋L2 (2)锚杆杆体直径 Q
6.2.3.2
6.5.3 石材整体支架
6.6 支护效果监测
巷道稳定性监测的目的是为了确保支护巷道的
安全、优质、快速和低耗，监测内容主要包括 位移监测、围岩松动圈监测、顶板离层监测和 锚杆受力监测等。 6.6.1 岩体位移监测 深部位移监测—多点位移计 表面位移监测—使用收敛计、测杆等一般测巷 道两侧相对移近量和顶底板移近量。
6.3.1
6.3.2 喷射砼的支护原理
1）加固与防止风化作用 2）改善围岩应力状态 3）柔性支护结构作用
4）组合拱作用
6.3.3 喷射砼材料
水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号不
低于32.5，细骨料采用中砂或粗砂，细度模数 应大于2.5，粗骨料以碎石较好，粒径一般不 大于15mm，水灰比0.4～0.5。为使混凝土迅 速凝结硬化，需在喷射砼中添加速凝剂，但掺 量一般不超过5%，且要求凝结时间初凝不应 大于5min，终凝时间不大于10min。 一般还应加入减水剂，
6.6.2