第四章 井巷支护

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4.最大水平应力理论 该理论认为：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向 性，最大水平应力一般为最小水平应力的1.5～2.5倍。巷道顶底板的稳定性主要受水 平应力的影响，且有如下特点：与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶 底板稳定性最好；与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向巷道某 一帮；与最大水平应力垂直的巷道，顶底板稳定性最差，如图所示。 在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨 胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错 动，要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作用。 最大水平应力理论，论述了巷道围岩水平应力对巷道稳定性的影响以及锚杆支护 所起的作用。
0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0.000 3651 3951 4251 4551 运算步 4851 底板 两帮 顶板
位移（m）
5151
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四、锚杆的布置 根据围岩的性质，锚杆可排列成方形、五花形等。方形适
用 于稳定的岩层，梅花形适用于稳定性较差的岩层，其布置如图 5—20所示。锚杆的锚入方向，应与岩层面或主要裂隙面成较大 的角度相交，尽可能与其正交；层面与裂隙面不明显时，锚杆 应垂直于巷道周边锚入。
(三)数值模拟计算
位移变化 模型
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
位移(m)
底板 两帮 顶板
3651 4052 4452 4852 5252 5652 6052 6452 6852 7252 运算步
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巷道围岩变形规律
巷道变形矢量图
一、锚杆的结构类型
•
普通木锚杆 • 压缩木锚杆 • 用于采区巷道的巷帮支护。
木锚杆 a.普通木锚杆； b.压缩木锚杆 1—外楔；2—铁垫圈；3—木托板；4—木杆体；5——内楔
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（二）普通圆钢黏结式锚杆
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ห้องสมุดไป่ตู้
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端部锚固
1.水泥锚固锚杆 2.树脂锚固锚杆
㈡拱形可缩性金属支架
图5-40 拱形可缩性金属支架
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1—拱梁；2—柱腿；3—卡箍；4—底座 7
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拱形可缩性金属支架适用于地压大， 地压不稳定和围岩变形量大的巷道， 支护断面一般不大于12m2。 支架棚距一般为0.7～1.1m，棚子 之间应用金属拉杆通过螺栓、夹板 等互相紧紧拉住，或打入撑柱撑紧， 以加强支架沿巷道轴线方向的稳定 性。
第一节 棚式支护 第二节 锚 杆支护 第三节 喷射混凝土支护
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第一节 棚式支架
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㈠梯形金属支架 梯形金属支架用18～24kg/m钢轨、16～20号号工字钢或 矿用工字钢制作，由两腿一梁构成(图5-39)，其常用的梁、 腿连接方式亦如图示。
一、金属支架
这种支架通常用在回采
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机械锚固型 集中端头锚固类 黏结锚固型
涨壳式锚杆 倒楔式锚杆 微膨胀水泥锚杆 木锚杆 竹锚杆
锚杆 的类型
机械锚固型 全长锚固类 黏结锚固型
树脂锚杆 水泥锚杆
快硬水泥锚杆 压缩木锚杆 管缝式锚杆 水力膨胀式锚杆 全长树脂锚杆 全长水泥锚杆 钢筋沙浆锚杆 钢丝绳沙浆锚杆
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• （一）木锚杆和竹锚杆
喷射 混凝 土的 补强 作用
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2．改善围岩应力状态 一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不平 引起的应力集中现象，避免过大的集中应力所造成的围岩破
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（八）其他锚 杆
金属倒楔式锚杆
此种锚杆由杆体、固定楔、活
动倒楔、垫板和螺帽组成，如图5-6 所示。这种锚杆属端头锚固型，安 装后可立即承载，可回收。锚固力 达40KN左右。常用于围岩比较破
碎，需要立即承载的地下工程。
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可伸缩式锚杆 ⑴结构可伸缩式锚杆。这种锚杆是对杆件、内锚头、 外锚头及托板等构件采用特殊结构实现可伸缩的目的。
图 5-20 锚杆的布置形式 2018/5/4 （a）方形布置；（b）梅花形布置
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钻眼、锚杆安装 为了获得良好的支护效果，一般在爆破后即安设顶部锚杆。 目前可采用气腿凿岩机钻眼，手工安装锚杆。当围岩较稳定 时，也可以在爆破后先喷混凝土，等装岩后再用锚杆眼打眼安 装机进行文护工作，或者在装岩机后面用此机进行支护。
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锚杆作用围岩的属性
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（一）按悬吊理论确定支护参数 工程类比、理论计算、数值模拟。 （二） 理论计算法
三、锚杆支护参数确定
1.按悬吊理论确定支护参数 1）锚杆长度 锚杆长度的计算公式为 L L1 L2 L3
式中： L1—为锚杆外露长度，一般L1=0.1m。 L2—为锚杆有效长度，大于不稳定岩层厚度。 L3—为锚杆锚固段长度，一般端锚L3=0.3～ 0.4m，由拉拔实验确定；当围岩松软时还要 加大。
第一类为各种被动支护形式，包括木棚支架、钢筋混凝土支 架、金属型钢支架、料石碹、混凝土及钢筋混凝土碹等； 第二类是以锚杆支护为主，旨在改善巷道围岩力学性能的积
极支护形式，包括锚喷支护、锚网支护、锚喷网支护等；
第三类是以锚杆和注浆加固为主的积极主动加固形式，如锚
注支护、预应力锚索支护技术等。
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2．组合梁作用 组合梁作用是将层状岩体各层用锚杆连接并紧固,锚杆 把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，从而提高了 岩层的整体抗弯能力。
锚杆的组合作用
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3．组合拱理论（压缩拱） 预应力锚杆形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区， 多根锚杆形成一个连续压缩带，形成自身稳定、承载防止围岩 松动变形的挤压加固拱。适于拱形巷道。
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3 .螺母 4 .托板 5 .减摩垫圈
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（五）玻璃钢树脂锚杆
聚脂树脂为基材，玻璃纤维为增强材料，经牵引、高 温高压固化为全螺纹玻璃纤维增强塑料杆体。 可切割、抗腐蚀，是煤帮锚杆的替代品。
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玻璃钢锚杆
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（六）注浆锚杆
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（七）钻锚注锚杆
特点: (1)杆体强度低 (2)刚度低 (3)尾部螺纹部分直径小,承载能力小. 2018/5/4
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(三)摩擦锚固式锚杆
管缝式锚杆又称开缝式或摩 擦式锚杆，它是采用高强度钢板 卷压成带纵缝的管状杆体外径 38.1 ㎜，用凿岩机强行压入比杆径小 2～3mm的锚孔，为安装方便， 打 入端略呈锥形。由于管壁弹性恢 复力挤压孔壁而产生锚固力，属 全长锚固型锚杆。 对地层横向错动，有良好适 应能力，钻孔变弯曲，锚固得更 牢。 对孔径差要求严格;安装难度 2018/5/4 大;受淋水腐蚀会失效.
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⑵杆体可伸缩锚杆
用优质钢材，并对材料进行专门加工处理，可制成较大 延伸率的锚杆杆体。
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二、锚杆支护的作用原理
1．悬吊作用 悬吊作用是利用锚杆将软弱的直接顶悬吊于上部坚固稳 定的岩层上； 或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块悬吊在上部 的完整坚固岩体(自然平衡拱)上，使松动岩块不致冒落。
b——加固拱厚度，m； L——锚杆的有效长度，m； α——锚杆在松散体中的控制角，度； a——锚杆的间距。 如α为45度,b=L-a,根据上式，如果按常用锚杆1800～2200㎜和间、排 距600～800㎜，则 加固拱厚度将为1200～1400㎜，相当于3～4层料 石碹拱的厚度。
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五、锚杆支护施工
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第三节 喷射混凝土支护
一、支护的作用原理 二、喷射混凝土材料 三、主要性能指标 四、喷射混凝土施工 五、注意问题
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一、支护的作用原理 1．加固与防止风化
喷射混凝土以较高的速度射入张开的节理裂隙，产生如同 石墙灰缝一样的粘结作用，从而提高了岩体粘结力和内摩擦 角，也就是提高了围岩的强度。同时喷射混凝土层封闭了围 岩，能够防止因水和风化作用造成围岩的破坏与剥落。
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1.螺纹钢杆体
(四)高强度锚杆
(1)普通建筑螺纹钢杆体
特点:带纵筋 纵筋高,直径相对大; 杆体与钻孔有效间隙小; 尾部螺纹部分强度小.
逐步淘汰.
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(2)右旋全螺纹钢杆体
(3)左旋无纵筋螺纹钢杆体，比较理想的杆体。
右旋、左旋全螺纹钢杆体
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2.树脂锚固剂 锚固剂直径23、28、35mm适应钻孔直径28、32、 42mm的钻孔直径。长度300、350、500、600mm等，根 据需要设计安装的数目。
3）锚杆间、排距 锚杆的间距，排距计算，通常间、排距相等，取为a，并 根据锚杆的锚固力应等于或大于被悬吊岩石的重量的原则确 定，即：
Q a KL2
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式中，K为安全系数，1.5-2.0
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⑵按挤压加固拱理论计算锚杆参数，它不要求锚杆伸入坚固岩层 中。这样锚杆长度和间距之间必须满足某种关系，才能形成一定厚度的 挤压加固拱，以支承地压，按照挤压加固拱理论，加固拱厚度与锚杆长 度和间距之间的关系可按下式 Ltg a b tg
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对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度则为L2+ L3。
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有效长度L2，有以下几种确定方法： ①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，L2应大于 或等于它们的厚度。 ②当巷道围岩存在松动破碎带时，L2应大于巷道松动破 碎区高度hi，hi可按下式确定：
hi
(100 RMR ) B 100
式中，RMR为CSIR地质力学分级岩体总评分； B为巷道跨度。
③ 软弱岩层的确定是根据地质资料，实测或经验估计，
当f≥3时,是按下式估算，即
L2
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B 2f
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2）锚杆杆体直径 锚杆杆体直径根据杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即
d 4Q
t
式中，d为锚杆杆体直径，m；Q为锚固力，由拉拔实验 确定，MN；σt为杆体材料抗拉强度，MPa。
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U 型钢拱形可缩性支架
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U 型钢方环形可缩性支架
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第二节 锚 杆支护
㈠锚杆的结构类型 ㈡锚杆支护的作用原理 ㈢锚杆支护参数确定 ㈣锚杆的布置 ㈤锚杆支护施工
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巷道支护三种类型
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锚固岩体、维护围岩稳定的杆状结构物; 1872 年英国北威尔士露夭页岩矿首次应用锚杆; 1912 年德国最先采用锚杆支护井下巷道; 我国50 年代开始试用; 1980-1990 我国实验研究阶段; 1991-1995重点攻关; 2018/5/4 1996年后全面推广阶段,目前美国和澳大利亚锚杆支护比重接近100%.
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锚杆支护空间布置
0.300 0.250
位移(m)
位移云图
0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 3661 4061 4461 4861 5261 运算步 5661 6061 6461 6861 底板 两帮 顶板
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围岩位移变化规律
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钢筋网壳锚喷支护结构
巷道中，在断面较大、地压
较严重的其它巷道里也可使 用。
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工字钢梯形支架
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拱形可缩性金属支架是用特殊型钢制作，它的结构如图5-40所示。 每架棚子由三个基本构件所 组成，一根曲率为R1的弧形顶梁 和两根上端部带曲率为R2的柱腿。 弧形顶梁的两端插入相搭接 在柱腿的弯曲部上，组成一个三 心拱。
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5.围岩强度强化理论
围岩强度强化理论是针对软岩煤巷围岩特点提出的。
巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结 构。巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数(E、C、φ)，改善被锚固岩体 的力学性能。巷道围岩存在破碎区、塑性区和弹性区，锚杆锚固区的岩体 则处十破碎区或处于上述2～3个区域中，相应锚固区的岩石强度处于峰后 强度或残余强度。锚杆支护使巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到强 化，提高峰值强度和残余强度。煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态。 增加围压，从而提高围岩的承载能力。