矿压巷道维护原理与支护技术

1、第一节第一节 无煤柱护巷无煤柱护巷第二节第二节 巷道围岩卸压巷道围岩卸压第三节第三节 巷道金属支架巷道金属支架第四节第四节 巷道锚杆支护巷道锚杆支护第五节第五节 软岩巷道变形规律及支护技术软岩巷道变形规律及支护技术第六节第六节 锚杆支护质量监测锚杆支护质量监测第八章第八章 巷道维护原理和支护技术巷道维护原理和支护技术图图8-1 8-1 留煤柱护巷示意图留煤柱护巷示意图第一节第一节 无煤柱护巷无煤柱护巷一、护巷煤柱的稳定性一、护巷煤柱的稳定性传统传统留煤柱护巷方法留煤柱护巷方法：在上区段运输平巷和下区：在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段段回风平巷之间留设一定宽度的煤

2、柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。平巷避开固定支承压力峰值区。（一）（一） 煤柱的载荷煤柱的载荷1 1煤柱载荷的估算煤柱载荷的估算图图8-2 8-2 计算煤柱载荷示意图计算煤柱载荷示意图 4ctgDHDBp22 2煤柱宽度的理论计算煤柱宽度的理论计算 方法有：方法有：按煤柱的允许应力，煤柱能承受按煤柱的允许应力，煤柱能承受的极限载荷；的极限载荷；按煤柱应力分布；按煤柱应力分布；其它多种方其它多种方法。各种方法的基本观点都认为：煤柱的宽度必法。各种方法的基本观点都认为：煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷须保证煤柱的极限载荷不超过它的极限强度的不超过它的极限强度的R R。煤柱的宽度煤柱的宽度B

3、 B计算式：计算式：hBRctgDHDBBC222. 0778. 04110002hBRctgDHDBBC36. 064. 041100012（二）（二） 煤柱的应力分布煤柱的应力分布1 1一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布图图8-3 8-3 煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布11弹性应力分布；弹性应力分布；22弹塑性应力分布；弹塑性应力分布；破裂区；破裂区；塑性区；塑性区；弹性区应力升高部分；弹性区应力升高部分；原始应力区原始应力区2 2两侧采空煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布两侧采空煤

4、柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布 两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决于回采引起的支承压力影响距离于回采引起的支承压力影响距离L L及煤柱宽度及煤柱宽度B B，主，主要有三种类型：要有三种类型： B B2L2L时（图时（图8-48-4） 2L 2LB BL L时，见图时，见图8-58-5。 B BL L时时( (图图8-68-6）, ,受两侧采动影响时，受两侧采动影响时，K K值可达到值可达到4 45 5以上。以上。图图8-4 8-4 煤柱宽度很大时弹塑性变煤柱宽度很大时弹塑性变形区及垂直应力分布形区及垂直应力分布破裂区；破裂区；塑性区；塑性区；

5、中部为原岩应力的弹性区中部为原岩应力的弹性区 图图8-5 8-5 煤柱宽度较大时弹煤柱宽度较大时弹塑性变形区及垂直应力分布塑性变形区及垂直应力分布 破裂区；破裂区；塑性区；塑性区；应力升高的弹性区应力升高的弹性区图图8-6 8-6 宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布 破裂区；破裂区；塑性区；塑性区；弹性区弹性区 图图8-7 8-7 煤柱的弹塑性变形区及应力分布煤柱的弹塑性变形区及应力分布 （三）、护巷煤柱的稳定性（三）、护巷煤柱的稳定性(1) (1) 护巷煤柱的宽度护巷煤柱的宽度 煤柱宽度影响煤柱的稳定性。煤柱宽度影响煤柱的稳定性。(2) (2)

6、护巷煤柱保持护巷煤柱保持稳定稳定的基本条件的基本条件 护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为采准巷护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为成各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为x x0 0、x x1 1（图（图8-78-7）。因此，护巷煤柱保持稳定）。因此，护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在一定宽度的在煤柱中央存在一定宽度的弹性核弹性核，弹性核，弹性核的宽度应不小于煤柱高度的的宽度应不小于煤柱高度的2 2倍。倍。 xmxB

7、20二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系二、老顶结构与沿空巷道围岩稳定的关系 在巷道整个服务时期，随采面不断前移，在巷道整个服务时期，随采面不断前移，通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响通过巷道顶板对沿空巷道围岩稳定的影响方式和程度差异悬殊。方式和程度差异悬殊。(2) (2) 沿空巷道顶板岩层处于采空区上覆岩层沿空巷道顶板岩层处于采空区上覆岩层结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断结构固支边与铰结边之间，其顶板岩层断裂成弧形三角板。裂成弧形三角板。(3) (3) 沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结沿空巷道跨度较小，工作面老顶岩层结构对巷道围岩稳定性影响最显著构对巷道围岩稳定性影响最显著, ,老顶

8、一般老顶一般可视为亚关键层。可视为亚关键层。 图图8-8 8-8 采空区上覆岩层结构示意图采空区上覆岩层结构示意图图图8-9 8-9 回采工作面倾斜方向支承压力分布回采工作面倾斜方向支承压力分布aa顶底板为砂岩顶底板为砂岩 bb顶底板为泥质或较破碎的砂质页岩顶底板为泥质或较破碎的砂质页岩 三、沿空掘巷的矿压显现规律三、沿空掘巷的矿压显现规律（一）沿倾斜方向支承压力分布规律（一）沿倾斜方向支承压力分布规律（二）巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系（二）巷道围岩变形与护巷煤柱宽度的关系表表8-1 8-1 回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值回采巷道保持稳定状态的护巷煤柱宽度值B/mB/m图图8-10

9、-x8-10 -x关系曲线示意图关系曲线示意图为巷道为巷道顶底板移顶底板移近率；近率；x x为护巷煤为护巷煤柱宽度柱宽度（三）（三） 沿空掘巷的矿压显现沿空掘巷的矿压显现1 1沿空掘巷的围岩应力和围岩变形沿空掘巷的围岩应力和围岩变形图图8-11 8-11 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布沿空掘巷引起煤帮应力重新分布 11掘巷前的应力分布掘巷前的应力分布 22掘巷后的应力分布掘巷后的应力分布 破裂区；破裂区；塑性区；塑性区；弹性区；弹性区；4 4原岩应力增高部分原岩应力增高部分 图图8-12 8-12 窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布窄煤柱护巷引起煤帮应力重新分布 1 1掘巷前的应力分布掘巷前的应力分

10、布 22掘巷后的应力分布掘巷后的应力分布 2 2窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形窄煤柱巷道的围岩应力和围岩变形 窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留窄煤柱巷道是指巷道与采空区之间保留5 58m8m宽的煤柱。巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向宽的煤柱。巷道掘进前，采空区附近沿倾斜方向煤体内应力分布（图煤体内应力分布（图8-128-12中中1 1）。最终应力分布）。最终应力分布状态如图状态如图8-128-12中中2 2所示。所示。图图8-13 8-13 完全沿空掘巷完全沿空掘巷 图图8-14 8-14 留小煤墙沿空掘巷留小煤墙沿空掘巷沿空掘巷的二种方式：完全沿空、留小煤柱。沿空掘巷的二种方式：完全沿空、

11、留小煤柱。四、沿空留巷的矿压显现四、沿空留巷的矿压显现1 1采动时期的受力状况采动时期的受力状况 沿空留巷是在上区段工作面采过后，通过加沿空留巷是在上区段工作面采过后，通过加强支护或采用其它有效方法，将上区段工作面运强支护或采用其它有效方法，将上区段工作面运输平巷保留下来，供下区段工作面回采时作为回输平巷保留下来，供下区段工作面回采时作为回风平巷（图风平巷（图8-158-15）。）。2 2沿空留巷的顶板下沉规律沿空留巷的顶板下沉规律 回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其发回采工作面推进引起的上覆岩层运动，其发展是自下而上的，上部具有明显的滞后现象，沿展是自下而上的，上部具有明显的滞后现象，沿空

12、留巷的顶板会在较长时间内受到老顶上覆岩层空留巷的顶板会在较长时间内受到老顶上覆岩层运动的影响。运动的影响。 图图8-15 8-15 沿空留巷工作面巷道平面布置图沿空留巷工作面巷道平面布置图aa走向长壁走向长壁沿空留巷沿空留巷 bb倾斜长壁倾斜长壁沿空留巷沿空留巷 五、沿空留巷五、沿空留巷巷旁支护形式巷旁支护形式1 1 巷旁支护的作用巷旁支护的作用 巷旁支护是指在巷道断面范围以外，与采巷旁支护是指在巷道断面范围以外，与采区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构区交界处架设的一些特殊类型的支架或人工构筑物。筑物。主要作用主要作用：控制直接顶的离层和及时切断直接：控制直接顶的离层和及时切断直接顶板，

13、使垮落矸石在采空区内充填支撑老顶，顶板，使垮落矸石在采空区内充填支撑老顶，减少上覆岩层的弯曲下沉。减少巷内支护所承减少上覆岩层的弯曲下沉。减少巷内支护所承受的载荷，保持巷道围岩稳定。同时为了生产受的载荷，保持巷道围岩稳定。同时为了生产安全，及时封闭采空区，防止漏风和煤炭自燃安全，及时封闭采空区，防止漏风和煤炭自燃发火，避免采空区内有害气体逸出发火，避免采空区内有害气体逸出 。2 2巷旁支护的类型和适用条件巷旁支护的类型和适用条件 木垛支护、密集支柱支护、矸石带支护、混凝木垛支护、密集支柱支护、矸石带支护、混凝土砌块支护及整体浇注巷旁充填等方式。土砌块支护及整体浇注巷旁充填等方式。除整体浇注巷旁

14、充填，其它方式有下缺点：增除整体浇注巷旁充填，其它方式有下缺点：增阻速度慢、支承能力低、密封性能差、木材消耗多阻速度慢、支承能力低、密封性能差、木材消耗多和机械化程度不高。和机械化程度不高。适用条件（见适用条件（见P226P226；略）；略）3 3整体浇注巷旁充填技术整体浇注巷旁充填技术 整体浇注巷旁充填技术具有增阻速度快、支承整体浇注巷旁充填技术具有增阻速度快、支承能力大、密封性能好和机械化程度高等优点，使发能力大、密封性能好和机械化程度高等优点，使发展沿空留巷技术的关键问题得到解决。展沿空留巷技术的关键问题得到解决。第二节第二节 巷道围岩卸压巷道围岩卸压 一、跨巷回采进行巷道卸压一、跨巷回

15、采进行巷道卸压1 1跨巷回采卸压的机理跨巷回采卸压的机理 根据采面不断移动的特点以及巷道系统根据采面不断移动的特点以及巷道系统优化布置的原则，将位于巷道上方的采煤工优化布置的原则，将位于巷道上方的采煤工作面进行跨采，使其下巷道经历一段时间的作面进行跨采，使其下巷道经历一段时间的高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨高应力作用后，长期处于应力降低区内。跨采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相采的效果主要取决于巷道与上方跨采面的相对位置。对位置。2 2、跨巷回采的应用及矿压显现规律、跨巷回采的应用及矿压显现规律 跨巷回采期间，巷道将顺次受到跨巷回采期间，巷道将顺次受到跨采面的跨采面的超前支承压力超

16、前支承压力和和上覆岩层垮落上覆岩层垮落的影响，剧烈影的影响，剧烈影响范围和程度与开采深度、围岩的力学性质及响范围和程度与开采深度、围岩的力学性质及巷道与开采煤层的法向距离有关。只要与采空巷道与开采煤层的法向距离有关。只要与采空区煤壁边缘的水平距离适当，跨采后巷道可以区煤壁边缘的水平距离适当，跨采后巷道可以长期处于应力降低区。长期处于应力降低区。图图8-16 8-16 区段煤柱对跨采上山围岩变形的影响区段煤柱对跨采上山围岩变形的影响 1 1不留区段煤柱、先跨；不留区段煤柱、先跨；22留区段煤柱、先跨留区段煤柱、先跨 33留区段煤柱、后跨；留区段煤柱、后跨；44较宽的煤柱维护上山较宽的煤柱维护上山

17、图图8-17 8-17 切缝对圆形巷道周边应力分布的影响切缝对圆形巷道周边应力分布的影响 （边界元数值模拟结果）（边界元数值模拟结果）aa无切缝；无切缝；bb两帮切缝；两帮切缝；cc顶底切缝；顶底切缝； dd两帮及顶底同时切缝两帮及顶底同时切缝 二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压二、巷道围岩开槽卸压及松动卸压1 1巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响巷道周边开槽（孔）对围岩应力分布的影响2 2巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用巷道围岩开槽（孔）卸压法的应用图图8-18 8-18 钻孔卸压现场试验结果钻孔卸压现场试验结果 1 1未卸压未卸压 22卸压钻孔深卸压钻孔深8m 38m 3卸压钻孔深卸压钻孔深

18、9m 9m 3 3巷道围岩松动爆破卸压法的应用巷道围岩松动爆破卸压法的应用 图图8-20 8-20 松动爆破卸压钻孔布置松动爆破卸压钻孔布置 三、利用卸压巷硐进行巷道卸压三、利用卸压巷硐进行巷道卸压 利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保利用卸压巷硐卸压方法的实质是，在被保护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两护的巷道附近（通常是在其上部、一侧或两侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移侧），开掘专门用于卸压的巷道或硐室。转移附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于力分布再次重新分布，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷硐

19、而形成的应力降低区内。开掘卸压巷硐而形成的应力降低区内。图图8-21 8-21 巷道一侧卸压巷硐的卸压原理巷道一侧卸压巷硐的卸压原理 1 1被保护巷道；被保护巷道；22卸压巷道；卸压巷道；33让压煤柱；让压煤柱； 44承载煤柱承载煤柱 1 1在巷道一侧布置卸压巷硐在巷道一侧布置卸压巷硐 在护巷煤柱中与巷道间隔一段距离掘一条卸在护巷煤柱中与巷道间隔一段距离掘一条卸压巷道，形成的窄煤柱称为让压煤柱，宽煤柱称为压巷道，形成的窄煤柱称为让压煤柱，宽煤柱称为承载煤柱。承载煤柱。图图8-22 8-22 胶带输送机硐室胶带输送机硐室顶部顶部卸压卸压1 1输送机硐室；输送机硐室；22卸压巷道；卸压巷道；33松

20、动爆破区松动爆破区2 2在巷道顶部布置卸压巷硐在巷道顶部布置卸压巷硐 卸压巷硐布置在被保护巷道与上部开采煤层卸压巷硐布置在被保护巷道与上部开采煤层之间之间, ,使被保护巷道避开上部煤层跨采时产生的剧使被保护巷道避开上部煤层跨采时产生的剧烈影响，处于卸压巷硐形成的应力降低区内。烈影响，处于卸压巷硐形成的应力降低区内。图图8-23 8-23 本煤层沿顶板布置卸压巷道卸压本煤层沿顶板布置卸压巷道卸压表表8-3 8-3 卸压前后巷道围岩变形参数对比卸压前后巷道围岩变形参数对比图图8-24 8-24 宽巷（面）掘进卸压宽巷（面）掘进卸压 11宽巷（面）掘进卸压后支承压力分布；宽巷（面）掘进卸压后支承压力

21、分布；22侧巷侧巷3 3、宽面掘巷卸压、宽面掘巷卸压 宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道宽面掘巷卸压通常用于薄煤层的巷道，巷道掘进时把巷道两侧掘进时把巷道两侧6 68m8m宽的煤采出，将掘巷过宽的煤采出，将掘巷过程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的程中挑顶、卧底的矸石充填到巷道两侧采出的空间。空间。图图8-25 8-25 掘前预采巷道布置示意图掘前预采巷道布置示意图 四、掘前预采的应用四、掘前预采的应用第三节第三节 巷道金属支架巷道金属支架一、巷道支架支护原理一、巷道支架支护原理 巷道支架的工作特征与地面工程结构的特巷道支架的工作特征与地面工程结构的特性有着根本性区别。支架受载的大小不

22、仅取决性有着根本性区别。支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象征），而且与其支护对象围岩本身的力学性围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是质和结构有密切关系，也就是“支架支架- -围岩围岩”相相互作用关系。互作用关系。 2 2“支架支架- -围岩围岩”相互作用的基本状态相互作用的基本状态 当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架处于支架处于给定载荷给定载荷状态。状态。当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架处于脱落时，支架处于

23、给定变形给定变形状态。状态。图图8-26 “8-26 “支架支架围岩围岩”相互作用力学模型相互作用力学模型 aa给定载荷状态；给定载荷状态； bb给定变形状态给定变形状态3 3“支架支架- -围岩围岩”相互作用原理相互作用原理巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，合理的合理的“支架支架- -围岩围岩”相互作用关系是充分利用围岩相互作用关系是充分利用围岩天然的自承力和承载力。天然的自承力和承载力。图图8-27 8-27 为支架与围岩的相互作用关系曲线为支架与围岩的相互作用关系曲线A弹塑性阶段 ； B松动破裂阶段 注：、分别为可缩性支架、刚性支

24、架工作特性曲线。这是支架固有的。4 4“支架支架- -围岩围岩”相互作用原理的应用相互作用原理的应用 依据依据“支架支架- -围岩围岩”相互作用原理，在巷道相互作用原理，在巷道支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：（1 1） 实行二次支护实行二次支护（2 2） 采用柔性支护采用柔性支护（3 3） 强调主动支护强调主动支护图图8-28 8-28 新新U25U25型钢断面图型钢断面图 二、二、巷道金属支架（一） 矿用支护 U型钢图8-29 双槽形夹板式连接件 a上限位连接件；b中间连接件；c下限位连接件 1上限位块 2下限位块 图图8-30 8-30 拱形

25、可缩性金属支架基本结构类型拱形可缩性金属支架基本结构类型 aa三节式；三节式；bb四节式；四节式；cc五节式；五节式；dd曲腿式；曲腿式；ee非对称式；非对称式；ff封闭封闭图8-31 拱形支架断面基本参数 表表8-4 8-4 我国拱形支架断面基本参数推荐值我国拱形支架断面基本参数推荐值图图8-32 8-32 四节多铰摩擦可缩支架结构四节多铰摩擦可缩支架结构 1U1U型钢；型钢；22铰结点；铰结点；33耳卡式连接件耳卡式连接件图图8-33 U8-33 U型钢拱梯形可型钢拱梯形可 缩性支架断面参数缩性支架断面参数图图8-34 8-34 马蹄形可缩马蹄形可缩 性支架性支架 图图8-35 8-35

26、圆形可缩性支架圆形可缩性支架图图8-36 8-36 环形可缩性支架环形可缩性支架 aa方环形；方环形；bb长环形长环形三、巷道支架选型三、巷道支架选型1 1金属支架的承载能力金属支架的承载能力 金属支架的承载能力分金属支架的承载能力分极限承载能力极限承载能力和和实际实际承载能力承载能力。极限承载能力是指支架处于刚性状态。极限承载能力是指支架处于刚性状态下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑性变下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑性变形为标准。实际承载能力是可缩性支架在形为标准。实际承载能力是可缩性支架在收缩阶收缩阶段段表现出的承载能力，由连接件和支架的表现出的承载能力，由连接件和支架的工作状

27、工作状况况决定。决定。 表表8-5 8-5 不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益2 2支架承载能力的计算支架承载能力的计算 力法力法以静不定结构中的多余约束力作为以静不定结构中的多余约束力作为基本未知数，根据结构的变形条件建立方程，基本未知数，根据结构的变形条件建立方程，求解出多余未知力，然后根据平衡方程求出求解出多余未知力，然后根据平衡方程求出内力。内力。位移法位移法是以静不定结构中的节点位移作是以静不定结构中的节点位移作为基本未知数，根据结点或截面的平衡条件为基本未知数，根据结点或截面的平衡条件建立方程，求出位移值，然后根据结点位移建立方程，求出位移值，

28、然后根据结点位移与内力的关系式求出内力。对于支架形状、与内力的关系式求出内力。对于支架形状、载荷分布比较复杂的问题，可以选用平面刚载荷分布比较复杂的问题，可以选用平面刚架的有限元计算程序计算支架内力。架的有限元计算程序计算支架内力。 表表8-6 8-6 各种金属支架架型的力学特性和适用条件各种金属支架架型的力学特性和适用条件四、金属支架的拉杆和背板四、金属支架的拉杆和背板（1 1）拉杆）拉杆 单个支架之间用拉杆使支架沿巷道轴向相互单个支架之间用拉杆使支架沿巷道轴向相互联成一体，可以防止支架歪斜、扭转，增加支架联成一体，可以防止支架歪斜、扭转，增加支架的纵向约束提高支架的稳定性和承载能力。常用的

29、纵向约束提高支架的稳定性和承载能力。常用的拉杆有圆钢拉杆、扁钢拉杆、角钢拉杆、可调的拉杆有圆钢拉杆、扁钢拉杆、角钢拉杆、可调节拉杆等。节拉杆等。 （2 2）背板）背板 背板属于架间防护材料，其作用是传递巷背板属于架间防护材料，其作用是传递巷道围岩载荷，防止架间离散岩块冒落，使支架受道围岩载荷，防止架间离散岩块冒落，使支架受力均匀具有较高的承载能力。背板的种类按力学力均匀具有较高的承载能力。背板的种类按力学性质可分为刚性、弹性、柔性三种。性质可分为刚性、弹性、柔性三种。 第四节第四节 巷道锚杆支护巷道锚杆支护一、一、锚杆种类锚杆种类和和锚固力锚固力 锚杆锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结是锚

30、固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。主要构件，就形成锚杆支护系统。 单体锚杆单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。尾（外锚头）、托盘等部件组成。1 1锚杆的分类锚杆的分类按锚杆的锚固方式分为以下几种。按锚杆的锚固方式分为以下几种。 机械锚固式锚杆：机械锚固式锚杆：胀壳式锚杆胀壳式锚杆、倒楔式锚杆倒楔式锚杆、楔缝式锚杆楔缝式锚杆。 粘结锚固式锚杆：粘结锚固式锚杆：树脂锚杆树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆水泥砂浆

31、锚杆。摩擦锚固式锚杆：摩擦锚固式锚杆：管缝式锚杆管缝式锚杆、水胀式管状锚水胀式管状锚杆杆等。等。 2 2锚杆的锚固力锚杆的锚固力（1 1）根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力。）根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力。 托锚力托锚力 粘锚力粘锚力 切向锚固力切向锚固力 （2 2）根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力。）根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力。 初锚力初锚力 工作锚固力工作锚固力 残余锚固力残余锚固力 二、锚杆支护理论二、锚杆支护理论（1 1） 悬吊理论悬吊理论锚锚杆杆支支护护悬悬吊吊作作用用 （2 2） 组合梁理论组合梁理论层层状状顶顶板板锚锚杆杆组组合合梁梁（3 3） 组合拱（压缩拱）理论组

32、合拱（压缩拱）理论锚锚杆杆组组合合拱拱原原理理 （4 4）最大水平应力理论）最大水平应力理论 图图8-41 8-41 最大水平应力原理最大水平应力原理 （5 5） 围岩强度强化理论围岩强度强化理论围岩强度强化理论的要点如下：围岩强度强化理论的要点如下：(1) (1) 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。成统一的承载结构。(2) (2) 巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数（巷道锚杆支护可提高锚固体的力学参数（E E、C C、），改），改善被锚固岩体的力学性能。善被锚固岩体的力学性能。(3) (3) 巷道围岩存在巷道

33、围岩存在破碎区破碎区、塑性区塑性区和和弹性区弹性区，锚杆锚固区的岩，锚杆锚固区的岩体则处于这些区域之中，相应锚固区的岩石强度处于峰后强度体则处于这些区域之中，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。得到强化，提高峰值强度和残余强度。(4) (4) 煤巷锚杆支护可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而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。提高围岩的承载能力。(5) (5) 巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、巷道围岩锚固

34、体强度提高以后，可减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。发展，从而有利于保持巷道围岩的稳定。 三、锚杆三、锚杆 （一）（一） 机械式锚杆机械式锚杆图图8-42 8-42 竹、木楔缝式锚杆竹、木楔缝式锚杆 （二）（二） 摩擦式锚杆摩擦式锚杆（1 1） 缝管式锚杆缝管式锚杆图图8-43 8-43 缝管锚杆缝管锚杆 （2 2） 水力膨胀锚杆水力膨胀锚杆图图8-44 8-44 水力膨胀锚杆水力膨胀锚杆（三）（三） 粘结式锚杆粘结式锚杆图图8-45 8-45 高强度螺纹钢锚杆结构

35、高强度螺纹钢锚杆结构 1 1 树脂药卷；树脂药卷；22杆体；杆体；33穹形球体；穹形球体；44托盘；托盘； 55塑料；塑料；66驱动螺母驱动螺母 （1 1） 锚固剂锚固剂 表表8-9 8-9 不同型号锚固剂的凝胶时间不同型号锚固剂的凝胶时间（2 2） 锚杆杆体锚杆杆体图图8-46 8-46 端头锚固式锚杆受力特征端头锚固式锚杆受力特征11内锚头；内锚头；22托板托板 图图8-47 8-47 全长锚固锚杆锚固力分布全长锚固锚杆锚固力分布 11托锚力托锚力 22剪锚力剪锚力图图8-48 8-48 全长锚固锚杆体受力状态全长锚固锚杆体受力状态 杆体剪应力杆体剪应力 杆体拉应力杆体拉应力 图图8-49

36、 8-49 不同螺纹钢锚杆不同螺纹钢锚杆 锚固力试验锚固力试验（3 3） 锚杆托板与螺母锚杆托板与螺母图图 8-50 8-50 各种托板形式示意图各种托板形式示意图图图8-51 8-51 扭矩螺母扭矩螺母（四）（四） 可延伸和可切割、可回收锚杆可延伸和可切割、可回收锚杆图图8-52 8-52 套筒摩擦式可延伸锚杆套筒摩擦式可延伸锚杆四、组合锚杆四、组合锚杆（一）锚梁网联合支护（一）锚梁网联合支护（1 1） W W型钢带型钢带图图8-53 W8-53 W型钢带形状型钢带形状（3 3）M M型钢带型钢带 图图8-55 M8-55 M型钢带断面形状型钢带断面形状 （2 2）钢筋梯子梁）钢筋梯子梁图图

37、8-54 8-54 钢筋梯子梁形状钢筋梯子梁形状（二）桁架锚杆支护（二）桁架锚杆支护 图图8-56 8-56 单式双拉杆桁架锚杆单式双拉杆桁架锚杆 11锚头；锚头；22锚杆；锚杆；33托架；托架；44水平拉杆水平拉杆 图图8-57 8-57 复式桁架锚杆复式桁架锚杆 11锚杆；锚杆；22拉杆；拉杆；33拉紧器；拉紧器；44垫木垫木 图图8-58 8-58 交叉桁架锚杆交叉桁架锚杆 图图8-59 8-59 桁架锚杆支护作用力桁架锚杆支护作用力 五、预应力锚索五、预应力锚索 预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长，能预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长，能够锚入深部较稳定的岩层中，同时施加较大的预应

38、够锚入深部较稳定的岩层中，同时施加较大的预应力。常见的预应力锚索有胀壳式钢绞线预应力锚索力。常见的预应力锚索有胀壳式钢绞线预应力锚索和砂浆粘结式预应力锚索。和砂浆粘结式预应力锚索。 图图8-60 8-60 小口径预应力锚索结构小口径预应力锚索结构六、巷道锚杆支护设计六、巷道锚杆支护设计（1 1） 工程类比法工程类比法 直接工程类比法是建立在已有工程设计和直接工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在地质和生产大量工程实践成功经验的基础上，在地质和生产技术条件及各种影响因素基本一致的情况下，根技术条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支

39、护据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。类型和参数设计。（2 2） 理论计算法理论计算法（3 3） 系统设计法系统设计法系统设计方法包括系统设计方法包括6 6个基本部分：个基本部分：地质力学评估地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩体力，主要是围岩应力状态和岩体力学性质评估。学性质评估。 初始设计初始设计，以有限差分数值模拟分析为主要手，以有限差分数值模拟分析为主要手段，辅以工程类比和理论计算法。段，辅以工程类比和理论计算法。 按初始设计选定的方案进行按初始设计选定的方案进行施工施工。 现场监测现场监测。 信息反馈信息反馈与修改、与修改、完善设计完善设计。重复进行由初始设计至

40、信息反馈与修改、完善重复进行由初始设计至信息反馈与修改、完善设计步骤。设计步骤。 第五节第五节 软岩巷道围岩变形规律及其支护技术软岩巷道围岩变形规律及其支护技术一、软岩的基本属性一、软岩的基本属性(P256)(P256)1 1软岩的概念软岩的概念（1 1）地质软岩）地质软岩 （2 2）工程软岩）工程软岩2 2软岩的基本属性软岩的基本属性（1 1）软化临界荷载（）软化临界荷载（2 2）软化临界深度）软化临界深度二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律 软岩巷道围岩变形力学机制软岩巷道围岩变形力学机制膨胀变形机制膨胀变形机制应力扩容变形机制应力扩容变形机制 (1

41、)(1)结构变形机制结构变形机制 表表8-13 8-13 软岩类型及变形特性软岩类型及变形特性三、软岩巷道支护技术三、软岩巷道支护技术（一）软岩巷道支护技术特点（一）软岩巷道支护技术特点确定软岩变形力学机制的复合型式。确定软岩变形力学机制的复合型式。将复合型变形力学机制转化为单一型。将复合型变形力学机制转化为单一型。 运用复合型变形力学机制的转化技术。运用复合型变形力学机制的转化技术。 ( (二）软岩巷道支护原理二）软岩巷道支护原理 （1 1）巷道支护原理）巷道支护原理 软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免，应以达到其最大塑性承载能力为最佳；避免，应以达到其

42、最大塑性承载能力为最佳；同时其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来。同时其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来。软岩支护设计的关键之一是选择变形能释放时软岩支护设计的关键之一是选择变形能释放时间和支护时间。间和支护时间。（2 2） 最佳支护时间和时段最佳支护时间和时段图图8-61 8-61 最佳支护时间最佳支护时间T Ts s (3) (3) 最佳支护时间的物理意义最佳支护时间的物理意义最佳支护时间的力学含意就是最大限度地发挥塑性最佳支护时间的力学含意就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。 （4 4）关键部位支护）关键部位支护关键部位是支护体

43、力学特性与围岩力学特性不耦关键部位是支护体力学特性与围岩力学特性不耦合，常发生在围岩应力集中处和围岩岩体强度薄合，常发生在围岩应力集中处和围岩岩体强度薄弱位置。弱位置。（三）软岩巷道常用支护形式（三）软岩巷道常用支护形式（1 1）锚喷网支护（）锚喷网支护（2 2）可缩性金属支架）可缩性金属支架（3 3）弧板支护）弧板支护( (封闭圆形封闭圆形) )四、巷道底臌机理和防治四、巷道底臌机理和防治1 1巷道底臌的基本形式巷道底臌的基本形式 巷道底臌的力学机制仍然是物化膨胀型、应力巷道底臌的力学机制仍然是物化膨胀型、应力扩容型、结构变形型和复合型。巷道底臌的形状可扩容型、结构变形型和复合型。巷道底臌的

44、形状可分为折曲型、直线型及弧线型。分为折曲型、直线型及弧线型。2. 2. 巷道底臌的影响因素巷道底臌的影响因素（1 1） 岩性状态岩性状态（2 2） 围岩应力状态围岩应力状态（3 3） 时间效应时间效应（4 4） 软岩物化性质及力学性质的相互影响软岩物化性质及力学性质的相互影响3 3软岩巷道底臌的防治软岩巷道底臌的防治（1 1） 起底起底（2 2） 底板防治水底板防治水（3 3） 支护加固方法支护加固方法（4 4） 应力控制方法应力控制方法（5 5） 联合支护方法联合支护方法五、巷道围岩注浆加固技术五、巷道围岩注浆加固技术1 1巷道围岩注浆加固机理巷道围岩注浆加固机理（1 1）提高岩体强度）提高岩体强度（2 2）形成承载结构）形成承载结构（3 3）改善围岩赋存环境）改善围岩赋存环境 2