巷道掘进第三章课件

第三章巷道支护第一节锚杆（索）网喷支护一锚杆支护（一）锚杆支护的优点1改善围岩受力状态2变“被动”为“主动”3减少巷道的维修量4简化工作面超前支护5提高掘进速度

6消除安全隐患7降低支护成本8减小工人的劳动强度9减小了辅助运输量10有利于生产组织（三）锚杆支护机理1悬吊理论悬吊理论认为锚杆的作用是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连结在松动区外的完整坚固岩体上，使松动岩块不致冒落2组合梁理论组合梁理论认为：顶板锚杆的作用，一方面体现在锚杆的锚固力增加了各岩层间的接触压力，避免各岩层间出现离层现象；另一方面增加了岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将作用范围内的几个岩层锚固成一个较厚的组合岩梁。

锚杆的楔固作用锚杆的楔固作用是在围岩中存在一组或几组不同产状的不连续面的情况下，由于锚杆穿过这些不连续面，防止或减少了围岩沿不连续面的移动。3组合拱理论具有预应力的锚杆，能形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠连接，便在围岩中形成一个均匀的连续压缩带，挤压加固拱。锚杆一方面在锥形体压缩区内产生压应力，增加节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力，防止岩块的转动和滑移，亦即增大了岩体的粘结力，提高了破碎岩体的强度；另一方面，锚杆产生的压应力，改善了围岩应力状态，使压缩带内的岩石处于三向受力状态，从而使岩体强度得到提高。5.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。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，因此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。开挖前开挖后（四）锚杆支护的设计方法（1）工程类比法根据已有的巷道工程，通过类比提出新建工程的支护设计；通过巷道围岩稳定性分类提出支护设计；采用简单的经验公式确定支护设计。（2）理论计算法基于某种锚杆支护理论，如悬吊理论；组合梁理论及加固拱理论，计算得出锚杆支护参数。（3）以计算机数值模拟为基础的设计方法1常规锚杆支护设计方案1）经验公式计算法（1）岩巷锚喷支护（2）煤巷锚杆及与网、梁组合支护2）悬吊理论法锚杆长度的计算公式为

式中：L1为锚杆外露长度，一般L1=0.1～0.15m。对于端头锚固型锚杆，L1=垫板厚度+螺母厚度+（0.03～0.05）m；对于全长锚固锚杆，还要加上穹形球体的厚度。L2为锚杆有效长度。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。对于全长锚固锚杆，锚杆的有效长度则为L2+L3。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：式中，γ为岩石体积力，KN/m3。2工程类比法（1）直接类比法@1围岩力学性质@2地质构造影响程度@3开采深度@4煤柱尺寸

@5巷道断面形状与尺寸@6开采时间、空间影响因素（2）间接类比法二锚索支护预应力锚索支护是锚杆支护技术发展中占有重要地位的一种支护形式。在大断面、地质构造破坏地段、顶板软弱且较厚、高地应力、综放巷道等困难、复杂的巷道中，为增加锚杆支护的可靠性，可使用小孔径预应力锚索进行加强支护。锚索的主要部件有钢绞线、锁具、锚固剂等。钢绞线锁具锚固剂按钢绞线的根数分有单根锚索和锚索束。按锚固材料分有树脂锚固锚索、水泥锚固锚索及树脂水泥联合锚固锚索，按锚固长度分有端部锚固锚索和全长锚固锚索。按预紧力分有预应力锚素和非预应力锚索。2．煤巷锚索煤巷适合采用结构简单、小孔径(孔径28—32mm)、长度约为5—20m的锚索，利用轻型锚杆钻孔即可施工。3）为了保证喷射质量、提高工效，应合理划分喷射区段。一般以6m长为一基本段，基本段再分为2m长的三小段。喷墙时，每喷完1.5m高使依次向相邻小段前进。图5-33为拱形巷道合理划分喷射区段的一个实例。对于凹凸严重的岩面，应先凹后凸、自下而上地正确选择喷射次序。（二）支护参数的确定（三）喷射混凝土材料及混合比⑴材料1）水泥：一般选用硅酸盐水泥或普通水泥，其强度等级不应低于32.5。2）砂：以采用中、粗砂为好。3）石子：一般选用坚硬的河卵石或碎石，其中碎石回弹力低，但易于堵管和磨损管道，而河卵石则相反。石子粒径应根据喷射机性能选取。在实际工作中，为了减少回弹，石子粒径不能大于15mm。石子的合理级配是影响混凝土质量、水泥用量和回弹率的重要因素之一，其合理级配可参考表5—19。表5-19喷射混凝土用石子的合理级配

4）水，要求洁净、不合杂质。污水、pH＞4的酸性水和硫酸盐含量按SO4计超过水重1％的水，都不许使用。5）速凝剂：为了使混凝土速凝，提高早期强度，一般掺入水泥重量的2.5％～4％的速凝剂。要求初凝时间小于5min，终凝时间小于10min。⑵混凝土配合比合适的配合比应使喷层有足够的抗压、抗拉和粘结强度，收缩变形值要小，回弹率要低。表5-20混凝土重量配合比

2）水压水压应比风压高0.1MPa左右，以保证喷头处的水环能充分湿润高速流过的拌合料。3）水灰比喷射泥凝土的最佳水灰比为0.4～0.45。4）喷头与受喷面的距离及倾角

合适的距离应使回弹率低而混凝土强度高，一般控制在0.8～1.2m。喷头方向除了喷墙下部可下俯10～15°外，应尽量与受喷面正交。5）一次喷射厚度若一次喷射厚度过大，由于重力作用，会使混凝土颗粒之间的凝着力减弱，混凝土将发生坠落；若喷层厚度过小，石子无法嵌入灰浆层，使回弹增大。经验表明一次喷厚，墙50～100㎜，拱30～60㎜为宜。6）分层喷射的间歇时间一般喷射顺序为分段从下向上喷射，一次喷射厚度逐渐减小。需要进行复喷时，其间隔时间与水泥品种、工作温度、速凝剂掺量等因素有关。7）混合料的存放时间由于砂、石含有一定水分，与水泥混合后，存放时间也应该缩短。不掺速凝剂，存放时间不应超过2h；掺速凝剂，存放时间不应超过20min。四锚喷联合支护（一）锚喷支护的选用（二）锚喷支护质量检验锚杆和喷射混凝土虽各自有优点，但也有不足之处。锚喷联合支护，恰能使两者取长补短，互为补充，是一种性能更好的支护形式。喷射混凝土能有效的控制锚杆间的石块掉落，但其本身是脆弱的，当岩石变形大时，容易开裂剥落。解决办法之一就是在喷射混凝土中加入钢纤维，增加混凝土的抗弯能力和韧性。另外就是喷射混凝土之前敷设金属网，喷后成钢筋混凝土层，提高了混凝土的整体性，改善了喷层的抗拉性能，这就形成了锚喷网联合支护，能有效的支护松散破碎的软弱岩层。金属网用钢筋直径一般为6～12㎜，钢筋间距一般为200～400㎜。锚网支护锚网支护是将金属网用托板固定或绑扎在锚杆上所组成的支护形式。金属网用来维护锚杆间的围岩，防止小块松散岩石掉落，也可作为喷射混凝土的配筋。被拉紧的金属网还能起到联系各锚杆组成支护整体的作用。常见的金属网有金属菱形网、经纬网，一般采用直径3～4㎜的铁丝编制而成，一般采用镀锌铁丝，由于金属网消耗钢材较大，目前正在使具有一定抗拉强度和延伸率的玻璃钢纤维或塑料网代替。菱形网锚网支护梯形巷道锚网支护拱形巷道第二节砌碹支护什么是砌碹支护？？？一适用条件二砌碹支护施工工艺（1）拆除临时支架架腿（2）掘砌基础（3）砌墙（4）砌拱（5）挖砌水沟三砌碹支护的质量评比（1）保证项目（2）基本项目（3）允许偏差项目第三节支架支护一、木支架二、金属支架三、钢筋混凝土(棚式)支架四、石材整体式支架一、木支架

巷道中常用的木支架是梯形棚子，由顶梁、棚腿和背板、木楔等组成，其结构如图5-37所示。顶梁承受顶板岩石给它的垂直压力构件。棚腿承受顶梁传给它的轴向压力和侧帮岩石给它的挤压力。背板将岩石压力均匀地传给主要构件梁与腿上，并能阻挡岩石垮落。木楔的作用是使棚子与围岩紧固在一起，为防止放炮崩倒棚子，木楔向工作面方向打紧。撑柱的作用是加强棚子在巷道轴线方向上的稳定性。１—顶梁；2—棚腿；3—木楔；4—背板；5—撑柱；6—楔子

４

Ⅰ

Ⅰ

３80°

２

６

１

５

顶梁与棚腿的联接，有“亲口接”和鸭嘴式结合两种，前者常用。(图5—38)。顶梁和棚腿应选用同样直径的坑木，以便加工和架设。根据巷道顶梁处的净宽度，支架坑木直径和每米巷道架棚数可按表5-21选取。鸭嘴式结合表5-21木材支架坑木直径与每米巷道架棚数

优点：

木棚重量轻，加工架设容易，有一定的强度；在构造上可作成具有一定刚性或较大可缩性的支架，能适应多变的地质条件，当地压突增时还能发出声响讯号，故在地下采矿工程中用得最早，过去也用得最多．缺点：由于木棚强度不高，不防火，易腐朽，不能阻水和防止围岩风化，使用日渐减少，每年消耗的坑木量十分巨大，因此，节约坑木并寻求坑木代用品，势在必行。木支架破坏情况二、金属支架

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。这种支架通常用在回采巷道中，在断面较小、地压较不严重的其它巷道里也可使用。工字钢梯形支架㈡拱形可缩性金属支架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。1—拱梁；2—柱腿；3—卡箍；4—底座

图5-40拱形可缩性金属支架

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。

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。

U型钢拱形可缩性支架U型钢方环形可缩性支架三、钢筋混凝土(棚式)支架

钢筋混凝土支架和木支架、梯形金属支架一样，构件为直线形，故构件主要承受弯而混凝土抗压强度高，抗拉强变甚低(一般相当于抗压强度的1/8～1/12)，故需在构件中配置钢筋以承受因弯曲而产生的拉应力，而混凝土则主要承受构件中的压应力，二者结合，各用其长，使构件承载能力提高。它适应于地压稳定、服务年限长及断面不小于12m2。不适宜用于有动压的巷道。由于它构件重，架设困难，随着锚喷文护的发展，钢筋混凝土棚子使用已日渐减少。

四、石材整体式支架

1．石材整体式支架的结构

石材整体式支架(简称石材支架、俗名砌碹)是指用料石、混凝土或钢筋混凝土砌筑成的连续整体式支架。其主要形式是直墙拱顶式，由拱、墙和基础三部分组成，如图5-42所示。

拱的作用是承受顶压，并向墙和两帮传递。

墙的作用是支承拱和抗侧压，在拱基处，拱传给墙的力可分为坚压力V和横推力H，要求壁后充填密实，以防在压力作用下拱与墙开裂。基础的作用是将墙传来的荷载和自重均匀传给底板。底板岩石坚硬时，墙与基础可以同宽，岩石松软时，基础必须加宽，在有底鼓时，还要砌筑底拱。

使用料石砌筑拱、墙时，一般采用拱、墙等厚，即拱厚d。=墙厚T，可按表5-22选取拱墙厚度。使用混凝土砌拱、料石砌墙时，一般拱、墙不等厚，可按表5-23选取拱墙厚。拱、墙均使用混疑土砌筑时，可参照表5-23混凝土拱厚数据选用。石材支架具有坚固耐久、防火阻水、通风阻力小、材料来源广等优点。缺点是施工复杂，工期长，成本较高。故多用于服务期长的主要巷道。

表5-22料石或砖砌巷道拱壁厚度㎜

表5-23混凝土拱、料石墙砌巷道拱壁厚度㎜

2．石材支架的施工石材支架的巷道多是在掘进后先架设临时支架，以防止掘进与砌碹之间这段距离(20～40m)中的顶、帮岩石垮落。

临时支架有两种：一种是采用带腿的金属拱形支架，由架顶、架肩、架腿或架顶、架腿组成，前者(图5-43)适用于宽度较大的断面后者用于宽度小于4m的巷道。在围岩稳定、侧压小的情况下，可采用无腿拱形金属临时支架，如图5-44所示。

石材支架的施工过程简述如下：

1）拆除临时支架的架腿

2）掘砌基础基础挖出后，将沟内积水排净，挂好中、腰线，在硬底上铺50mm厚砂浆，然后在上面砌筑料石。3）砌墙在砌墙的同时，应用矸石或混凝土将壁后充填密实。砌筑混凝土墙时，必须根据中、腰线组立模板(图5-46)，然后分层浇灌与捣固。4）砌拱其工作内容包括拆除临时支架的架肩和架顶、搭工作台、立碹胎、砌拱。目前多采用金属碹胎和金属模板