巷道维护原理与支护技术

1、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 无煤柱护巷无煤柱护巷 巷道围岩卸压巷道围岩卸压 巷道金属支架（略讲）巷道金属支架（略讲） 巷道锚杆支护巷道锚杆支护 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1.1. 锚杆支护质量监测（略讲）锚杆支护质量监测（略讲） 一、一、“支架支架围岩围岩”相互作用原理相互作用原理 支架支架围岩构成统一的力学体系，二者之间有相互作围岩构成统一的力学体系，二者之间有相互作用，而二者合之又共同承载。用，而二者合之又共同承载。 1、支架、支架围岩相互作用的基本状态：围岩相互作用的基本状态： 给定载荷状态给定载荷状态支架仅承受其自重

2、作用，与母体岩层的移动变形无关。支架仅承受其自重作用，与母体岩层的移动变形无关。 给定变形状态给定变形状态 支架阻力与围岩移动性质、支架特性有关。支架阻力与围岩移动性质、支架特性有关。 当支架变形特性与围岩变形不相适应时，则可承受更高的载荷，支架被破当支架变形特性与围岩变形不相适应时，则可承受更高的载荷，支架被破坏。坏。8.3 巷道金属支架巷道金属支架给定载荷给定载荷围岩与母体岩层脱离，不受母体岩层移动围岩与母体岩层脱离，不受母体岩层移动 影响，支架仅承受固定载荷作用。影响，支架仅承受固定载荷作用。 （支架载荷不大，且基本固定）（支架载荷不大，且基本固定）定变形定变形围岩受母体岩层移动影响，并

3、将母体岩层围岩受母体岩层移动影响，并将母体岩层 移动变形传递给支架，支架受载与岩层变形移动变形传递给支架，支架受载与岩层变形 特征有关。特征有关。 （支架载荷较大，与围岩变形正比）（支架载荷较大，与围岩变形正比）8.3 巷道金属支架巷道金属支架3、“支架支架围岩围岩”相互作用原理：相互作用原理： 由芬纳位移公式可得右侧曲线由曲线有：由曲线有： 支撑力支撑力 位移量位移量 支撑力支撑力 位移量位移量 支撑力不可能完全限制围岩的位移；支撑力不可能完全限制围岩的位移； 支撑力小到一定程度，支撑力小到一定程度，围岩变形急剧增大，甚至破坏围岩变形急剧增大，甚至破坏； 不同特性支架、支护时间不同，支架承受

4、载荷不同；不同特性支架、支护时间不同，支架承受载荷不同； 合理支撑力应在曲线合理支撑力应在曲线拐点附近拐点附近。8.3 巷道金属支架巷道金属支架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： 1）二次支护（新奥法）二次支护（新奥法）让压支护让压支护 2）柔性支护）柔性支护允许产生一定变形。允许产生一定变形。让压支护让压支护 3）主动支护）主动支护加大围压，提高围岩强度。加大围压，提高围岩强度。抗压支护抗压支护抗压抗压 让压让压 躲压躲压 移压移压8.3 巷道金属支架巷道金属支架二、巷道支护原则：二、巷道支护原则： 支护特点：支护特点：临时性、可变形临时性、可变形。 支护要求：

5、支护要求：确保安全，维护最小允许断面确保安全，维护最小允许断面。 基本支护类型：基本支护类型： （1）木支护：梯形（对棚或密集等）木支护：梯形（对棚或密集等） （2）金属支架：）金属支架： 工字钢梯形支架工字钢梯形支架 平顶可缩金属支架平顶可缩金属支架 拱形可缩性金属支架拱形可缩性金属支架 棚间距棚间距0.50.7m 。 （3）锚杆支护：）锚杆支护：8.3 巷道金属支架巷道金属支架三、巷道金属支架支护：三、巷道金属支架支护： 1、U 型钢可缩性支架型钢可缩性支架： （拱可缩）（拱可缩） U 型钢型号：型钢型号：U18、U25、U29、U36 （kg/m） 1）基本结构类型：）基本结构类型：8.

6、3 巷道金属支架巷道金属支架 2）支架连接件：）支架连接件： （螺栓连接件，螺栓连接件， 楔式连接件楔式连接件） 上限位连接件上限位连接件 中间连接件中间连接件 下位连接件下位连接件 连接件连接件= 锁紧构件锁紧构件+ 摩擦机构摩擦机构螺栓连接件螺栓连接件：强度高、刚性大、可缩性好、工作：强度高、刚性大、可缩性好、工作 阻力稳定、型钢滑移平稳。阻力稳定、型钢滑移平稳。8.3 巷道金属支架巷道金属支架 2、矿用工字钢支架：、矿用工字钢支架： 刚性特性，可缩量小，适用于围岩稳定条件。刚性特性，可缩量小，适用于围岩稳定条件。 通过增加接榫木垫、棚腿插入底板（垫柱鞋）等措施通过增加接榫木垫、棚腿插入底

7、板（垫柱鞋）等措施可以增加适量可缩量。可以增加适量可缩量。 现场以梯形支架为主，拱型有如下类型： 拱顶斜腿拱顶斜腿 拱顶直腿拱顶直腿 锚喷加强拱顶锚喷加强拱顶8.3 巷道金属支架巷道金属支架一、锚杆种类与锚固力：一、锚杆种类与锚固力： 锚杆分类锚杆分类 锚固力锚固力机械锚固式机械锚固式账壳式、倒楔式、楔缝式；账壳式、倒楔式、楔缝式；粘结锚固式粘结锚固式树脂、快硬水泥、水泥沙浆；树脂、快硬水泥、水泥沙浆；摩擦锚固式摩擦锚固式缝管式、水胀式管状锚杆缝管式、水胀式管状锚杆。托锚力托锚力安装时，拖板与锚杆的预紧力；安装时，拖板与锚杆的预紧力；粘锚力粘锚力粘结摩擦力与锚杆轴力；粘结摩擦力与锚杆轴力；切向

8、锚固力切向锚固力限制岩块沿弱面滑动的力。限制岩块沿弱面滑动的力。初锚力、工作锚固力、残余锚固力初锚力、工作锚固力、残余锚固力8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护二、锚杆支护原理二、锚杆支护原理从支护机理上看：从支护机理上看： 锚杆支护属于锚杆支护属于“主动主动”支护，可以充分利用围岩的自承支护，可以充分利用围岩的自承能力，提高巷道围岩的稳定性，将载荷体变为承载体。在相能力，提高巷道围岩的稳定性，将载荷体变为承载体。在相同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护同生产地质条件下，锚杆支护的巷道围岩变形量比棚式支护减少一半以上。减少一半以上。从技术经济上对比：从技术经济上对比：锚杆支护可以节

9、约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻锚杆支护可以节约大量钢材，减少材料运输工作量，减轻工人的劳动强度和改善作业环境；工人的劳动强度和改善作业环境；保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工作面保持采煤工作面上下两道和开切眼的畅通，为回采工作面快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；快速推进和高产高效低成本生产创造有利条件；锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷锚杆支护巷道施工简单，机械化程度高，可大幅度降低巷道支护成本，提高掘进速度和生产效率道支护成本，提高掘进速度和生产效率8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护二、锚杆支护原理：二、锚杆支护原理： 1、悬吊原理、悬吊原理 2、组合

10、梁原理、组合梁原理 3、压缩拱原理、压缩拱原理 4、最大水平应力原理、最大水平应力原理 5、围岩强度强化理论、围岩强度强化理论1、悬吊原理、悬吊原理8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护1、悬吊原理、悬吊原理机理：机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。固体与原岩体分开。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护2、组合梁

11、原理、组合梁原理8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护2、组合梁原理、组合梁原理机理：机理：p将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦力，将锚固范围内的岩层挤紧，增加各岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。高其自撑能力。p将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚将巷道顶板锚固范围内的几个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。组

12、合梁的挠度亦减小。缺点：缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。受到破坏时，组合梁也就不存在了。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护3、压缩拱原理、压缩拱原理8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护3、压缩拱原理、压缩拱原理机理：机理： 在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成在破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将

13、相互交铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。缺点：缺点： 一般不能作为准确的定量设计。一般不能作为准确的定量设计。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护4、最大水平应力理论、最大水平应力理论8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆

14、支护4、最大水平应力理论、最大水平应力理论机理：机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具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。在最大水平应力作用下，顶底板岩有明显的方向性。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直于轴向的岩层剪切错动。缺点：缺点：直观性较差。直观性较差。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护5、围岩强度强化理论、围岩强度强化理论理论要点理论要点锚杆和锚固

15、区域围岩体形成统一承载结构锚杆和锚固区域围岩体形成统一承载结构锚杆支护可以提高锚固体的力学性质锚杆支护可以提高锚固体的力学性质提高残余强度值提高残余强度值改变围岩的受力状态改变围岩的受力状态,提高承载能力提高承载能力减少破碎区减少破碎区 松动区范围松动区范围 8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护等强螺纹钢式树脂锚杆金属杆体（高强度锚杆）等强螺纹钢式树脂锚杆金属杆体（高强度锚杆）高压注浆锚杆高压注浆锚杆8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护MG系列涨壳式预应力注浆锚杆系列涨壳式预应力注浆锚杆8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护三、锚杆的类别三、锚杆的类别1、机械式锚杆、机械式锚

16、杆 机械式锚杆是使用最早、结构多样、数量较大的锚杆机械式锚杆是使用最早、结构多样、数量较大的锚杆主要类型。机械式锚杆的锚固机构本身是一个统一体，在安主要类型。机械式锚杆的锚固机构本身是一个统一体，在安装锚杆时，锚固机构主要通过一个楔子系统在钻孔中进行轴装锚杆时，锚固机构主要通过一个楔子系统在钻孔中进行轴向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上。锚固机构通过摩擦连向或径向相互错动而张紧在钻孔壁上。锚固机构通过摩擦连接将锚固力大多传递给岩层。机械式锚杆在安装时，大多都接将锚固力大多传递给岩层。机械式锚杆在安装时，大多都产生预紧力。有时，甚至锚固机构必须直接依靠预紧力来固产生预紧力。有时，甚至锚固机构必须直

17、接依靠预紧力来固定。定。 机械式锚杆的优点：机械式锚杆的优点：安装迅速，可即时达到承载力，可二次安装迅速，可即时达到承载力，可二次张紧，某些结构的锚杆还可以回收。其缺点是，钻孔中的锚张紧，某些结构的锚杆还可以回收。其缺点是，钻孔中的锚固段较短，在高应力区容易导致岩层破坏和锚固区松动；因固段较短，在高应力区容易导致岩层破坏和锚固区松动；因此，它主要用于强度较高的岩层。此，它主要用于强度较高的岩层。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护2、管缝式锚杆、管缝式锚杆管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢管缝式锚杆的杆体，由高强度、高弹性钢管或薄钢板卷成。沿管全长有一条开缝，管的上端是锥体，在管的板卷成

18、。沿管全长有一条开缝，管的上端是锥体，在管的下端焊有一个用钢筋制成的圆环。杆体壁厚为下端焊有一个用钢筋制成的圆环。杆体壁厚为24mm、直径多为直径多为3545mm（要求比钻孔直径大（要求比钻孔直径大25mm），长度），长度可据需要加工，一般为可据需要加工，一般为1.602.0M；开缝宽度一般；开缝宽度一般1015mm为。当杆体被外力强压入钻孔后，开缝管被迫压缩，为。当杆体被外力强压入钻孔后，开缝管被迫压缩，与孔壁之间产生径向挤压应力，使杆体牢固的胀撑在钻孔与孔壁之间产生径向挤压应力，使杆体牢固的胀撑在钻孔内；杆体与孔壁间的摩擦力，便成为锚固力，并且是沿杆内；杆体与孔壁间的摩擦力，便成为锚固力，

19、并且是沿杆体全长分布的。体全长分布的。管缝式锚杆优点：管缝式锚杆优点：具有锚固可靠、安装方便且易于实现机具有锚固可靠、安装方便且易于实现机械化操作；即可实现全长锚固、又有较大预应力和滑移让械化操作；即可实现全长锚固、又有较大预应力和滑移让压特性。压特性。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护3、粘结式锚杆、粘结式锚杆 粘结式锚杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结剂粘结式锚杆是通过粘结剂来取代锚固机构。粘结剂注入钻孔内，凝固后可将杆体粘固在钻孔中。锚杆锚固力注入钻孔内，凝固后可将杆体粘固在钻孔中。锚杆锚固力向岩层的传递，主要是通过粘结的形式，而不是向钻孔壁向岩层的传递，主要是通过粘结的形式，而不是向钻孔

20、壁通过机械或摩擦胀固等施加的挤压力。通过机械或摩擦胀固等施加的挤压力。 粘结式锚杆的优点：粘结式锚杆的优点：它能在较深的钻孔中显示出很好的粘它能在较深的钻孔中显示出很好的粘着力，而且可以不可压缩的传递很大的力。由于它在锚固着力，而且可以不可压缩的传递很大的力。由于它在锚固岩层时，并不产生特别的接触压力，所以对岩层强度无特岩层时，并不产生特别的接触压力，所以对岩层强度无特殊要求，从而也可在松散岩层中成功的使用。殊要求，从而也可在松散岩层中成功的使用。4、锚固剂、锚固剂我国煤矿中主要使用的锚固剂是我国煤矿中主要使用的锚固剂是树脂树脂快硬水泥快硬水泥8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护钢带钢带主要使用在

21、顶板。主要使用在顶板。在巷道两帮煤体较破碎、松软时可使用在巷道两帮煤体较破碎、松软时可使用钢筋梯钢筋梯子梁子梁护帮。护帮。钢筋梯子梁也使用在顶板。钢筋梯子梁也使用在顶板。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护5、托梁、托梁 6、护网、护网网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的岩石网的作用主要是维护锚杆间比较破碎的岩石，防止小岩块掉落，同时对提高锚杆支护的，防止小岩块掉落，同时对提高锚杆支护的整体效果也有一定的作用。整体效果也有一定的作用。网可分为金属网和非金属网。网可分为金属网和非金属网。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护四、组合锚杆支护：四、组合锚杆支护： 1、锚梁网联合支护：、锚梁网联合支护： 锚杆锚

22、杆 + 托梁（钢带）托梁（钢带）+ 金属网金属网 2、桁架锚杆支护、桁架锚杆支护锚杆锚杆 + 拉杆拉杆 + 拉紧器拉紧器 + 垫块垫块8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护 桁架锚杆在顶板内会形成水平和铅直方向挤压力，桁架锚杆在顶板内会形成水平和铅直方向挤压力，使顶板的中性轴下移，增强顶板抗弯能力，提高其整使顶板的中性轴下移，增强顶板抗弯能力，提高其整体性。体性。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护 五、预应力锚索：五、预应力锚索： 1、类型、类型胀壳式钢绞线预应力锚索胀壳式钢绞线预应力锚索沙浆粘结式预应力锚索沙浆粘结式预应力锚索 2、小口径预应力锚索结构：、小口径预应力锚索结构：锚索比锚杆长，锚索比锚杆长，可锚入深部较稳可锚入深部较稳定的岩层中。定的岩层中。8.4 巷道锚杆支护巷道锚杆支护六、锚杆支护系统设计方法：六、锚杆支护系统设计方法： 由由地质调查地质调查、设计设计、施工施工、监测监测、信息反馈信息反馈等相互等相互制