巷道支护材料.docx
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巷道支护材料
巷道支护材料
三、钢材
钢材作支护材料有许多优点：
强度大，可支撑较大的地压，使用期长，可多次复用，安装容易，耐火性强，必要时也可制成可缩性结构，初期投资虽然大些，但可回收，总成本有时还是经济的。
（一）钢材的基本概念
1、常用钢材分类
按品质分，钢材分为普通钠、优质钢（硫、磷含量均低于0.04%）、高级优质钢。
普通碳素钢（如常用的3号钢、5号钢）根据其含碳量高低分为低碳钢、中碳钢、高碳钢；当其硫、磷等残留成分在限定量以下时，称为优质碳素钢。
根据化学成分，可将钢材分为碳素钢和合金钢。
合金钢根据含合金元素总量多少，分为低、中、高合金钢。
根据用途，常用建筑钢材主要使用型钢和钢筋（建筑钢）两类，之外还有工具钢。
各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及其加工方式。
各种型钢和钢筋、钢丝、锚具，以及矿山工程中常用的钢绞线、锚杆螺纹钢等材料，基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢等钢种，经热轧或冷轧、冷拔及热处理等工艺加工而成。
1.3.3.2常用建筑钢材的主要化学成分建筑上常用的钢材是碳素钢，碳素钢的主要化学成分是以铁为基体，除含碳外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等。
硅和锰是炼钢时作为脱氧剂加人后残存的；硫和磷是炼铁时从矿石或燃料进人铁水，而后未能完全除掉所残留的。
它们都属于钢中的伴随元素。
3.3.3常用建筑钢材的力学性能与特点建筑钢材作为主要的受力结构材料，其主要力学性能有抗拉性能、冲击韧性（抗冲击性能）、耐疲劳性能及硬度。
抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。
通过拉伸试验可以测得屈服点、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。
钢材冲击韧性能较全面地反映出材料的品质。
钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量，以及温度和时效等都较敏感。
钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生突然破坏，叫疲劳破坏。
可用疲劳极限或疲劳强度表示钢材的耐疲劳性能，它是指钢材在交变荷载下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。
硬度是指钢材表面局部体积内，抵抗外物压人产生塑性变形的能力，是衡量钢材软硬程度的一个指标。
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（二）矿用钢材种类、特点和要求
煤矿常用的金属支架材料有工字钢、角钢、槽钢、轻便钢轨、矿用工字钢以及矿用特殊型钢等。
1、矿用工字钢
热轧矿用工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长条钢材，是为矿山使用专门设计的宽冀缘、小高度、厚腹板的工字钢（图6-3、表6-5）。
它的几何特性既适于作梁，也适于作腿。
其截面尺寸以高（h）×腰厚（d）的毫米数字来表示，如高为110mm，腿宽为90mm，腰厚为9mm的工字钢标记为“工110×90×9”。
工字钢的另一种标记方法是用型号来表示，即用高的厘米数表示，如工11﹟。
11﹟工字钢是煤矿煤巷支护最常用的工字钢型号。
表6-5矿用工字钢的截面面积、理论质量及断面参数
型号
尺寸/mm
截面面积/cm2
理论
质量/kg·m-1
断面参数
h
b
d
t
r
r1
r2
Ix
/cm4
Wx
/cm3
Ix
/cm
Sx
/cm2
Iy
/cm4
Wy
/cm3
Iy
/cm
9
90
76
8
10.9
12
4
1.5
22.5
17.7
281
62.5
3.53
37.8
62.5
16.5
1.67
11
110
90
9
14.1
12
5
1.5
33.2
26.1
623.7
113.4
4.34
68.5
127.7
28.4
1.96
12
120
95
11
15.3
15
5
1.5
39.7
31.2
867.1
144.5
4.67
87.9
178.2
37.5
2.12
2、矿用特殊型钢
矿用特殊型钢主要是指截面为U形的U形钢（图6-4）。
矿山常用的包括U18、U25、U29、U32和U36五种，其中的数字是指每米的重量。
矿山主要是利用矿用特殊U形钢制作具有可缩性的拱性支架，用于困难条件下的巷道支护。
由于U形钢两个方向的抗弯截面模量Wx、Wy接近相等，说明这种型钢的竖向抗弯能力与横向抗弯能力不相上下，横向稳定性较之其他型钢好。
常用U形钢的型号和断面参数如表6-6所示。
表6-6矿用特殊型钢断面参数
型
号
高度
/mm
宽度/mm
截面
面积/cm2
理论
质量
/kg·m-1
惯性矩/cm4
截面积/cm4
截面模量与
理论质量之比
wx/G
上宽
下宽
Ix
Iy
Wx
Wy
18
100
122
57
23.34
18.31
279.9
317.4
54.8
52.0
3.35
25
110
134
50.8
31.54
24.76
451.7
508.7
81.68
75.92
3.29
29
124
150.5
53
37
29.0
616.0
775.0
94.0
103.0
3.2
矿用工字钢与矿用特殊型钢的高度较普通型钢小，这样可以减少巷道开挖量。
3、槽钢
槽钢是截面为凹槽形的长条钢材（图6-5）。
其规格以高度（h）×腿宽（b）×腰厚（d）的毫米数字来表示，如120mm×53mm×5mm，表示高为120mm，腿宽为53mm，腰厚为5mm的槽钢，或称12#槽钢。
煤矿常用热轧轻型槽钢断面尺寸和参数如表6-7所示。
表6-7热轧轻型槽钢的断面尺寸和参数
型号
尺寸/mm
截面面积/cm2
理论
质量/kg·m-1
断面参数
Z0
/cm
h
b
d
e
r
r1
Ix
/cm4
Wx
/cm3
Ix
/cm
Sx
/cm2
Iy
/cm4
Wy
/cm3
Iy
/cm
10
100
46
4.5
7.6
7.0
3.0
10.90
8.59
174
38.4
3.99
20.4
20.4
6.46
1.37
1.44
12
120
52
4.8
7.8
7.5
3.0
13.30
10.4
304
50.6
4.78
29.6
31.2
8.52
1.53
1.54
14
140
58
4.9
8.1
8.0
3.0
15.60
12.3
491
70.2
5.60
40.8
45.4
11.0
1.70
1.67
14a
140
62
4.9
8.7
8.0
3.0
17.00
13.3
545
77.8
5.66
45.1
57.5
13.3
1.84
1.87
16
160
64
5.0
8.4
8.5
3.5
18.10
14.2
747
93.4
6.42
54.1
63.3
13.8
1.87
1.80
16a
160
68
5.0
9.0
8.5
3.5
19.50
15.3
823
103
6.49
59.4
78.8
16.4
2.01
2.00
槽钢大多用于与锚索组合支护，这种组合构件的强度和刚度比较大，支护能力强。
图6-6所示是用于锚索组合的槽钢梁，常用的有12号、14号、16号槽钢。
轻便钢轨是专为井下1t至3t矿车运输提供的，并在巷道支护中可用于制作轻型支架，但其承载性能差。
此外，钢筋也是支护中常用的金属材料。
普通钢筋混凝土结构中，多采用3号钢（低碳钢）钢筋。
20锰硅和25锰硅普通低合钢钢筋主要用于受力钢筋，一般不作构造钢筋用。
在钢筋混凝土结构中，其混凝土标号不宜低于20MPa（200号）。
表6-11螺纹钢锚杆杆体的几何参数
项目
系列
杆体直径/mm
16
18
20
22
25
杆体长度/m
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
钻孔直径/mm
26
28
30
33
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三、锚杆桁架支护
锚杆桁架是在巷道肩窝处顶板上，沿45°～60°扩方向安装钢丝绳、钢筋或钢绞线锚杆，并用拉紧装置将锚杆的外露部分连接起来，再背上木楔组成的。
形成的锚杆桁架结构除有锚杆的支护作用外，还有支撑顶板的作用，可用于处理顶板锚杆或其他常规方法无效的恶劣顶板条件；但巷道两帮需用锚杆进行加固，其长度应大于顶板锚杆的水平投影。
一般情下锚杆桁架有锚杆、拉杆、拉紧螺栓、木楔等组成。
一般在顶板锚杆悬吊作用失效，或顶板锚杆之间有岩石窜落处使用锚杆桁架。
光弹性试验证明，锚杆桁架的上推力产生在钻孔口和木楔处，因而在顶板跨度中部的拉应力减小；随着锚杆桁架拉力的增加，巷道顶板拉应力持续减小，直到跨度中部完全呈受受压状态为止。
由于岩石的抗拉能力很弱，而抗压能力很强，所以拉应力区的岩石垮落危险最大，而锚杆桁架支护结构可在未支撑顶板处的巷道中部建立压应力区，代替拉应力区，能减缓或避免巷道顶板的冒落，因此，锚杆桁架支护系统具有较好的支护性能。
锚杆桁架的支护原理如图6-36。
2.2巷道断面尺寸的确定《煤矿安全规程》第二十一条规定，巷道净断面必须满足行人、运输、通风和安全设施及设备安装、检修、施工的需要。
因此，巷道断面尺寸主要取决于巷道的用途，存放或通过它的机械、器材或运输设备的数量与规格，人行道宽度与各种安全间隙以及通过巷道的风量等。
设计巷道断面尺寸时，根据上述诸因素和有关规程、规范的规定，首先定出巷道的净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支护参数、道床参数，计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许加大值（超挖值），计算出巷道的计算掘进断面尺寸；最后，按比例绘制包括墙脚、水沟在内的巷道断面图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表。
2,2.1巷道净宽度的确定巷道的净宽度，是指巷道两侧内壁或锚杆露出长度终端之间的水平距离。
对于梯形巷道，当其内通行矿车、电机车时，净宽度是指车辆顶面水平的巷道宽度、当巷道内不通行运输设备时，净宽度是指自底板起1.6m水平的巷道宽度。
运输巷道净宽度，由运输设备本身外轮廓最大宽度和《煤矿安全规程》所规定的人行道宽度及有关安全间隙相加而得。
巷道安全间隙不应小于表2.1中的规定。
表3-1巷道安全间隙表单位：
mm
项日
规定数值
人行侧从道渣面起1.6m高度范围内设备与拱、壁间
综采矿井
1000
其他矿井
800
非人行侧设备与拱、壁间
综采矿井
500
其他矿井
300
移动变电站或平板车上综采设备最突出部分与拱、壁间
与拱、壁间
300
与输送机间
700
人车停车地点人行侧从道碴面起1.6m高度范围内设备与拱、壁间
1000
安设输送机巷道输送机与拱、壁间
500
两列对开列车最突出部分间
200
采区装载点两列车最突出部分间
700
电机车架空线与巷道顶或棚梁间
200
导电弓距拱、壁间
300
矿车摘挂钩地点两列车最突出部分间
1000
导电弓子距管道最突出部分间
300
运输设备距管道最突出部分间
300
设备上面最突出部分距巷道顶或棚梁间、壁间
300
用架空乘人装置运送人员时，蹬座中心至巷道一侧的距离
700
升级会员 