断面设计课件

姚伟

三矿职工教育学校巷道掘进与支护主要内容巷道断面设计木支架金属支架钢筋混凝土支架石材整体支护锚喷支护临时支护我集团公司支护现状及存在问题巷道断面设计一、巷道断面设计1、断面形状巷道断面按照几何形状可分为：矩形、拱形、圆形、多角形和不规则形等。如图1所示：巷道断面设计图1巷道断面设计一、巷道断面设计

断面形状不同，承受压力的能力不同，使用的支护形式也不同。确定断面形状时，通常要考虑以下几方面的情况：（1）采用的支护材料及形式（2）巷道的用途、服务期限（3）巷道所穿过岩层的物理力学性质、压力的大小及方向等。巷道断面设计一、巷道断面设计在实际工作中，通常根据后两个因素决定支护材料及形式，并选定断面形状。我国煤矿巷道用的最多得是梯形、拱形和矩形断面。巷道断面设计一、巷道断面设计

2、断面尺寸巷道断面尺寸一般由设计部门提供，在施工时按照断面施工图进行。确定巷道断面尺寸主要考虑的因素有：（1）满足运输设备运行的要求（2）满足通风的要求（3）满足运送大型材料、设备的要求巷道断面设计一、巷道断面设计

2、断面尺寸（4）满足《煤矿安全规程》中的有关要求（5）满足行人的要求要满足以上要求，断面越大越好，但是断面越大，施工越困难，费用越高。所以在考虑断面尺寸时要进行全面的综合分析，应在满足要求的情况下，尽量减小断面。巷道断面设计一、巷道断面设计

2、断面尺寸巷道主要的断面尺寸有以下几个：（1）巷道的宽度（2）巷道的高度巷道的宽度

巷道的宽度分为巷道的净宽和毛宽。毛宽是巷道的掘进宽度，即巷道在没有支设支架时的巷道两帮之间的距离。净宽是指巷道支架已支好，两帮支架内侧的水平距离，是毛宽减去支架厚的宽度。我们一般说的巷道宽度是指净宽。巷道的宽度梯形断面巷道分上净宽、下净宽、上毛宽和下毛宽，上净宽指棚梁与棚腿的接口处两个棚腿内侧之间的距离，也叫净口。下宽是指巷道底板处的宽度。半圆拱形断面的宽度是直墙段的巷道宽度。木支架二、木支架木支架的材料就是木材，优点：质轻，弹性和韧性好，容易加工，成本低等；缺点：支护强度低，易腐蚀，服务年限短等。用作井下支护的木材叫坑木，常用的坑木有松木、杨木、杉木、桦木、榆木及其他杂木。变质、腐蚀、有虫眼、弯曲严重的不要使用木支架严重损坏木支架二、木支架

1、支架结构形式（1）梯形木棚（2）帽柱（3）鸭嘴棚木支架二、木支架

2、木棚的施工（1）梯形木棚

A、砍口B、修刷断面

C、挖柱窝D、支设支架

金属支架三、金属支架

1、金属支架的优点（1）承载能力大（2）可加工性能好（3）适应较大断面巷道（4）维护费用低（5）复用次数多（6）安全

金属支架三、金属支架金属支架也有它的缺点。用钢量大，初期投资大，制造、回收、修理需要专用设备和技术。

2、梯形金属结构（1）支架的结构

A、按榫结构B、底座

C、拉杆（2）支架的施工支架的施工和要求与梯形木支架基本一样

金属支架三、金属支架

3、可缩性金属支架可缩性金属支架与普通金属支架之间，最大的区别就在于：前者可借助支架构件间的相对滑移，产生可缩，从而缓和了围岩对支架的压力。因此这种支架适应于地压大、地压不稳定和围岩变形量大的巷道。可缩性金属支架可加工成梯形、拱形和圆形等。如图2的可缩性可以用卡箍的松紧程度来调价和控制。金属支架三、金属支架

图2U型钢可缩性拱形支架适用巷道：服务时间长围岩不稳定受动压影响大变形大于400mm无底臌U型钢可缩性拱梯形支架U型钢可缩性圆形支架适用巷道：服务时间长围岩不稳定受动压影响大变形大于800mm有底臌U型钢可缩性环形支架适用巷道：服务时间长围岩不稳定受动压影响大变形大于1000mm有底臌刚性支架的破坏适用巷道：服务时间短围岩稳定受动压影响小刚性支架的破坏适用巷道：围岩稳定受动压影响小巷道变形小金属刚性支架破坏U型钢拱型可缩性支架破坏钢筋混凝土支架四、钢筋混凝土支架钢筋混凝土支架和木支架、梯形金属支架一样，构件业务额折线形，混凝土抗压强度高，主要承受构件中的压应力，而构件中放置的钢筋以承受因弯曲而产生的拉应力，二者结合，各用其长，使支架承载能力大大提高。

石材整体支护五、石材整体支护石材整体支护就是我们所说的砌支护，是用料石、砖、混凝土予制块砌筑成的连续整体支护。这种支护能承受较大地压，服务期长，通风阻力小，材料来源广泛，可就地取材。石材支护的主要形式是直墙拱顶式，它由拱、墙和基础三部分组成，如图3所示：

石材整体支护

五、石材整体支护

图3锚喷支护

六、锚喷支护

锚喷支护是包括锚杆支护、喷射砂浆支护或喷射混凝土支护的总称。这完全是一种新型的支护形式，同前面介绍的各种传统支护形式的最本质的却别就在于，锚喷支护的支护机理是加固围岩与围岩一起共同承受巷道的地压，是积极的发挥巷道围岩本身特性的支护技术，而传统的支护是依赖支架构件支撑围岩，承受巷道地压，这完全是消极，滞后的支护技术。因此锚喷支护的发展日新月异，为煤矿巷道支护以至整个地下工程界带来了革命化的广阔前景。锚喷支护

六、锚喷支护

1、锚杆支护①什么是锚杆支护锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体。锚杆支护是巷道掘出后向围岩中钻锚杆眼，然后将锚杆安设在锚杆眼内，对巷道周围的岩石给予人工加固，以维护巷道的稳定性。锚喷支护

六、锚喷支护

1、锚杆支护②锚杆的分类锚杆的类型很多，按其对岩体的锚固方式，可分为端头锚固，和全长锚固两大类，端头锚固是以插进钻孔中的锚杆头部锚固装置和尾部的托板把岩层固定，由锚杆的张力锚紧岩层，我集团公司现在使用的树脂锚杆就是一种端头锚固式锚杆。全长锚固是将锚杆的杆体和孔壁之间的间隙用砂浆或胶结剂充填，使之完全粘结的方式，或具体使杆体与孔壁相互挤压而产生摩擦固力的方式，我集团公司使用的管缝式锚杆就属于这一种。锚喷支护

按锚固原理可分为机械锚固、粘结锚固、摩擦锚固以及混合锚固等。按锚杆的杆体材料，可分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆。按锚杆的锚固剂，可分为砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥锚杆等。集团公司各矿使用最多的树脂锚杆和管缝式锚杆。

锚喷支护

树脂锚杆

目前集团公司80%以上的锚杆支护为树脂锚杆支护，我们讲的重点是树脂锚杆。

A、树脂锚杆的结构树脂锚杆是以合成树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下，将锚杆与钻孔壁岩石粘结成坚固整体的一种锚杆。

锚喷支护

树脂锚杆由杆体、托板、螺帽、树脂药包组成，当前集团公司使用的是金属杆体，如图6-41，

锚喷支护

是用直径14-18mm的普通圆钢加工而成，杆体长1400-1800mm，杆体插入钻孔底的锚固端砸扁，拧成反麻花状，以便把锚固剂推送到眼底，并搅拌均匀，增加锚固可靠性，为防止撑拌时的树脂外流和保证锚固长度，在锚固端（200-2500mm）下部必须焊上挡圈。托板有金属、木头、水泥等多种，金属托板一般是直接为100-150mm铸钢件，也有使用。

树脂锚杆的安装

a、打锚杆眼b、安装锚杆锚喷支护

管缝式锚杆管缝式锚杆

悬吊理论

机理：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、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层

2.锚杆支护原理组合梁理论

机理：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，提高其自撑能力。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。缺点：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、连续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。适用条件：层状地层顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。组合拱（压缩拱）理论

机理：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，只要铺杆间距足够小，各个错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，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。缺点：一般不能作为准确的定量设计。适用条件：顶板无稳定岩层最大水平应力理论

机理：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。缺点：直观性较差。煤巷锚杆支护是高产高效的途径从支护机理上看，锚杆支护属于“主动”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。从技术经济上对比，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；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；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。锚杆支护锚杆支护梯形巷道锚杆支护拱形巷道低水平的锚杆支护巷道变形锚喷支护

3、锚杆支护的优点

A、支护效果好

B、节约材料，降低成本

C、工作安全

D、掘进速度快，工效高

E、安装搬运轻

抗腐蚀柔性好锚杆支护效益锚喷支护

4、锚杆安装时的注意事项

A、锚杆眼的深度与选用锚杆长度应适当配合

B、锚杆眼要尽量与主要裂隙面或层面垂直，当主要裂隙面或层面不明显时，应与巷道周边垂直。

C、安装托板时应尽量将沿口岩石找平，使托板和岩石全部解除，以求托板受力均匀，增加承载能力。

D、采用树脂等尾部有螺帽紧固的锚杆时，必须拧紧螺帽，使锚杆中产生足够的顶紧力，防治岩层间的错动和离层。

E、锚杆眼中的粉末和岩屑必须清楚干净，特别是对水泥锚杆和树脂锚杆。

喷射支护

七、喷射支护

①喷射支护的含义与实质

喷射支护是指喷射砂浆和喷射混凝土两种支护。是以喷射机、搅拌机和喷咀等为主要施工机械，以压缩空气为喷射动力将一定比例的水泥、砂子哦水等或水泥、砂子、小石子、速凝剂和水高速喷射到巷道的煤岩层表面，经凝结、硬化在巷道周边形成一个薄的支护层，同时也对巷道的周边进行了封闭，可起到很好的防风化和支护作用。

喷射支护

②光爆锚喷

喷锚支护通常都要配以光面爆破和锚杆支护。这种包括光锚、锚杆、喷射支护的联合支护技术即成为光爆锚喷。是当代巷道支护中发展最快，最被看好，也最有前途的一种支护技术。当然这项技术也存在一些不足，诸如喷射作业中的粉尘大，回弹多等问题仍有待进一步改进和完善。

喷射支护

③喷射材料

喷射混凝土最好用400号以上的普通硅酸盐水泥，这种水泥凝结快，保水性好，早期强度增长快。砂子要过筛，用较坚硬的中砂或粗纱，我们阳泉地区要用黄砂。石子要前要筛选，河卵石粒径不应大于25mm，碎石粒径不大于20mm，我集团公司使用的是碎石。水质要清洁。水泥、砂子、石子的酉胎数量以重量为标准，一般应采用一份水泥、二分砂子、二分石子配混凝土施工中，加入速凝剂，

喷射支护

喷射支护的优点

可缩短混凝土的凝结时间，使混凝土喷射后很快就能达到一定强度，速凝剂的用量一般为水泥重量的3%左右。参照比例如下图

喷射支护

在喷射混凝土作业时应注意，喷射时要把巷道划分为小段进行，先从墙基开始自下而上喷，喷拱时也要从拱基开始，先喷凹处，再喷凸出；喷射中划分的小段接茬处应做成斜接头；施工中突然停电、停风、停水不能工作时，喷射机和熟料管中的混合料要及时清理干净；喷射中要严格控制水灰比，使混凝土表面平整，光泽潮润，粘性、密性好，无干斑或滑移流沿现象；喷射混凝土厚度在100MM以上时，应分次喷射，一次喷射厚度应在50-70mm。在第二次喷射时，应在第一次喷射混凝土达到终凝后进行。若两次喷射时间超过两个小时，应先喷水湿润混凝土表面，再喷第二次。在喷射混凝作业完成后，要做好养护工作。混凝土喷完后2小时，要喷水养护，养护时间不能少于五天。每天最少喷水一次。

喷射支护

临时支护八、临时支护巷道掘出后在支设永久支护以前，这段时间内需要检查顶板、出矸、支设永久支架等工作，为了避免工人在空顶下作业，防治顶板早落伤人，所以在巷道掘出后，永久支架支设以前，要对巷道顶帮进行临时支护。依据永久支护形式和断面形状不同，要求临时支架的形式也不一样，根据集团公司的规定，架棚巷道中的临时支架必须使用金属前探梁；锚杆支护巷道中的临时支架可以是帽柱或鸭嘴棚，帽柱可以是木柱，摩擦式金属支柱或单独液压支柱；砌碹支护巷道中的临时支架是无腿拱形支架。

集团公司支护现状九、集团公司支护情况

1、集团公司巷道支护的现状

①已形成以锚喷支护为主，其它支护形式为辅的合理支护结构。

②锚喷支护的各个环节更加规范化，支护质量有了很大的改观。

集团公司支护现状八、锚喷支护

1、集团公司巷道支护的现状③丈八煤底分层巷道支护的攻关已经引起了各级有关部门的严重关注，支护强度和支架的整体稳定性得到一定程度的改善。④加强了金属支架的回收复用工作。已列入各级考核的重要内容，较大力度地降低了全集团公司支护钢材的消耗量。

集团公司支护现状2、集团公司巷道支护的存在的主要问题

①综放工作面巷道的支护问题，仍是一个需加大投入，努力探索的大课题

②锚喷支护巷道的质量保证体系尚需认真研究和建立。锚喷支护质量，贯穿于施工的各个环节，贯穿于全过程，隐避的质量问题，既成事实的多发性往往困扰着基层管理人员。

集团公司支护现状

③巷道支护强度低，特别是回采巷道，如：综放工作面靠采空区一侧的顺槽，其它煤层的回采工作面尾巷，支架支护强度低，在服务器间内巷道变形严重，支架大量的被压坏，需要投入大量的人力、物力进行维修，并且严重影响回采工作和安全

锚杆支护比例国外:60％以上国内:29.7％煤巷锚杆支护的应用和技术进展十、煤巷锚杆支护的应用和改进国内外首次开发了应用计算机数值模拟和方案优化方法、全部由计算机自动设计和分析处理的锚杆支护专用设计软件。国内外首次提出5个反馈信息指标和锚杆支护巷道围岩稳定性判别准则。技术水平国外澳、英等国采用数值模拟设计，科技人员分析和选择方案。我们开发的专用锚杆支护设计软件，采用数值模拟和方案优化方法，由计算机自动分析对比和输出最优方案。我们的力学模型更符合实际。1.锚杆支护“动态系统设计方法”对20MnSi材质锚杆的杆体及尾端分别按不同工艺进行连续性热处理的强化技术，使屈服强度从340MPa提高到600MPa以上，单根锚杆承载能力高达215