巷道支护.docx
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巷道支护
第七章巷道支护
第一节巷道围岩压力的概念
一、巷道围岩压力
矿山压力、矿山压力显现
二、影响巷道围岩压力的地质因素
影响围岩压力的因素很多，通常可分为地质、开采和支护等类，影响围岩压力的地质因素有：
原岩应力状态、围岩力学性质及岩体结构、膨胀压力的影响因素等。
三、巷道矿压控制原理
目前所采用的各种矿压控制方法，从其对付矿压的原理来看不外“抗压〞、“让压〞、“躲压〞、“移压〞等几种，现将根据四种原理所采取的控制巷道矿压的根本途径及其主要优缺点归纳如表7-1所示。
表7-1巷道矿压控制根本原理及途径
控制方法
根本原理
具体措施举例
主要优缺点
抵抗矿压〔抗压〕
提高支架的支撑能力或支护密度，用加强支护的手段去抑制或减少围岩移动，增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用
1.增大型钢重量，提高支架承载能力
2.增加支护密度
3.充填支架背后空间
巷道布置地点及掘进时间可不受限制，但为此要消耗大量支护材料，支护劳动量大，使开采费用大幅度提高
忍让矿压
〔让压〕
在采用适当支护措施和保持支架本身不遭受严重破前提下，容忍围岩产生一定变形，以释放掉一些能量〔也称应力释放〕
可在一定程度上利用围岩自承力，减轻支架受载，应用得当可实现无维修护巷，对生产极为有利，但会增加支架结构的复杂性或多支出掘进与起底费用
躲避矿压
〔躲压〕
将巷道布置在应力经重新分布后岩体已处于卸载状态的天然低应力区，从时间上和空间上躲开高压力的作用
巷道
2.错过高压作用的时间，等压力充分稳定后再掘巷
可在不同程度上减轻巷道受压，有利于支护工作，但有时要多开一些辅助巷道〔如联络眼等〕，或要求延迟掘进时间，不利于采掘接替工作
转移矿压
〔移压〕
通过人为方法使巷道围岩受到松动，形成卸载槽孔或其他形式的卸载空间，迫使载荷转移到离巷道较远的地点，到达减轻巷道受压的目的
巷道布置地点及掘进时间可不受限制，但要增加与采用卸载措施有关的额外费用
第二节巷道支护及其材料
支护形式及支护材料的选择取决于巷道围岩性质、压力大小、巷道的效劳年限、用途及巷道的断面形状等因素。
传统的巷道支护有木支护、料石及混凝土砌碹、矿工钢支护、U型钢支护。
目前，广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护。
一、木材支架
木支架常用的结构主要是梯形棚子，棚子间距通常在～1.0m之间，在少数坚硬的巷道中，也常采用带帽点柱。
二、料石和混凝土砌碹
石材支护是以天然石材及人工石材为主要原料，并以水泥砂浆胶结而成的支护。
它和混凝土砌碹支护，主要用在效劳时间较长，且地压较大的井筒及主要巷道中作为永久支护。
天然石材是从花岗岩、正长岩、玄武岩、石灰岩、砂岩等经加工而成的石料，通常称为料石。
其外形尺寸大致为长250～300mm，宽200～250mm，厚150～200mm，重20～40kg。
其使用寿命可达20～30a。
我国竖井井筒中使用较广。
混凝土是由水泥、砂子和碎石按一定比例混合加水制成的，常用的按体积的比例为水泥：
砂子：
碎石=l：
2：
4到l：
2：
6。
水泥加水把砂子和碎石胶结在一起，成为巩固的整体。
图7-1料石支护的根本形状
三、金属支架
金属支架的优点是具有承载能力大，可屡次复用，储运方便，安装容易及迅速等优点，是采准巷道中使用时间最长的一种支护形式，采区巷道中常用的有以下几种。
①矿用工字钢刚性支架
②微拱形刚性金属支架
微拱形刚性金属支架是矿工钢梯形支架的一种改良形式，当巷道顶压较大时，为了提高顶梁的承载能力，将平梁改为弧形顶梁，梁腿交接处使用工字形铸钢接榫。
③矿用工字钢梯形可缩性支架
国内研制矿工钢梯形可缩性支架的单位很多，根据可缩结构的类型可分为三类：
螺栓连接式、楔紧连接式和插底式。
平顶型可缩金属支架的加工制造容易，巷道掘进无需挑顶，有利于保持顶板完整性，其断面利用率比拱形支架高，支架的安装和回收较方便，可简化巷道与工作面连接处的支护工艺，且工字钢来源较广，支护费用较U型钢低，在某些条件下取得了较好的技术经济效果，故在采准巷道中仍有一定的推广应用价值。
④U型钢拱形可缩性支架
U型钢拱形可缩性支架一般由顶梁、柱腿、连接件、架间拉杆、背衬材料等5局部组成，按支架节数分为三节、四节、五节，一般讲，巷道断面较小、侧压不大时用三节，断面较大、侧压较大或围岩条件和外载变化较大时用四节，断面较大时用5节。
按柱腿曲直情况分为直腿式和曲腿式两种；按拱的形状分为三心拱和半圆拱两类。
按支架对称与否可分为对称性和非对称性支架。
U型钢拱形可缩性支架结构比拟简单、承载能力较矿工钢大、可缩性能较好、可用于大断面等优点，但其使用的技术难度较大，初期投资高，此外支架的运输、架设和回收不便，变形后修复困难，复用率低，每架本钱比梯形工字钢支架高约1/2。
一般只应在原来已使用拱形支架经验和技术根底较好的大中型矿井中应用。
⑤U型钢梯形可缩性支架
U型钢梯形可缩性支架由垂直可缩、水平可缩、双向可缩三种，其原理根本相同。
U型钢梯形可缩性金属支架在围岩中等稳定、巷道断面和围岩压力不太大的情况下有其一定的优越性。
以上介绍了5种采准巷道常用的金属支架，近几年，随着采深的增加，采准巷道的围岩条件日趋复杂，出现了多种形式的金属支架，理论上比拟成熟，现场应用较好的主要有9种，它们的力学特性及使用条件如表7—3所示。
表中K为巷道顶底板最终移近率。
表7-3各种支架架型的力学特性和使用条件
序号
支架架型
主要力学特性
适用条件
l
梯形刚性支架
不可缩，承载能力较小
围岩较稳定，变形量小
2
梯形可缩性支架
垂直、侧向均可缩，承载能力较小
围岩较稳定，变形量中等，巷道净断面小于10m2,K在10%～25%之间
3
半圆拱可缩性支架
承载能力较大，特别是在均压时
围岩压力较大，特别是在压力较均匀或有一定侧压时，K在10%～35%之间
4
三心拱直腿可缩性支架
承载能力较大，特别是在顶压大时
围岩压力较大，特别是在顶压大时，K在10%～35%之间
5
三心拱曲腿可缩性支架
承载能力较大，抗侧压能力较大
围岩压力较大，压力较均匀。
顶压大及侧压大时。
K在10％～35％之间
6
多铰摩擦可缩性支架
承载能力大，能适应各方向来压
围岩压力大，能适应不对称、多变压力，K在10％～35％之间
7
马蹄形可缩性支架
承载能力大，有—定的抗底鼓及两帮移动的能力
围岩松软，移近量较大，特别是在底鼓及巷道两帮移动较严重，在使用非封闭支架时，K≥30％～35％
8
圆形可缩性支架
承载能力大，抗底鼓及两帮移动的能力大，特别是在均压时
围岩松软，移近量大，底鼓及巷道两帮移动较严重，在使用非封闭支架时，K≥30％一35％，在压力较均匀时使用更有利
9
方（长）环形可缩性支架
承载能力大，抗底鼓及两帮移动的能力大，特别是在肩压大、压力不均匀时
围岩松软，移近量大，底鼓及巷道两帮移动严重，在使用非封闭支架时，K≥30％～35％，在压力不大均匀时使用更有利
图7-2金属支架
四、锚杆支护
锚杆支护是锚固在煤、岩体内维护围岩稳定的杆状结构物，是一种主动支护形式，与被动支护相比，具有支护工艺简单，支护效果好，支护本钱低、施工方便等优点。
锚杆种类繁多，按锚固方式可分为三大类：
粘结式、机械式、摩擦式；按锚固长度可分为：
全长锚固、端部锚固、加长锚固。
按锚杆的工作特性可分为可拉伸锚杆与不可拉伸锚杆；按锚杆强度的大小可分为普通锚杆、高强锚杆、超高强锚杆。
普通圆钢（Q235钢材）粘结式锚杆是目前应用较为广泛的锚杆型式，根据粘结剂不问，可为树脂药卷锚固和水泥药卷锚固，其锚固方式主要为端头锚固。
树脂药卷锚固锚杆由树脂胶囊、杆体、托盘和螺母等组成，为保证树脂与锚头的锚固强度，根据所需要的锚固长度将锚固端拧成反麻花状，并设置挡圈，以防止树脂锚固剂由孔内流出而影响锚固强度：
树脂药卷锚固锚杆具有锚固效果好，可靠性高、使用方便、适用范围广等优点，锚杆的锚固力主要由锚杆的直径、材质确定，与高强度锚杆相比，锚杆的锚固力较低。
2．可拉伸锚杆
可拉伸锚杆按其根本原理可分为锚杆杆体可延伸和锚杆结构元件滑动可延伸两大类。
（1）杆体可延伸锚杆
杆体可延伸锚杆的工作阻力是由杆体材质的力学特性决定的，锚杆的延伸量那么是依靠杆体材质较大的延伸率提供的。
图7—4和图7—5是两种典型的杆体可延伸锚杆。
图7.4杆体弯曲可延伸锚杆
图7-5杆体可延伸增强锚杆
1——杆体；2——挡圈；3——锚头；4——丝扣；5——托盘；6——螺母
图4—3所示的锚杆是将普通碳素钢弯曲成波浪形而制成的。
将其锚固在锚孔中后，围岩变形使杆体受拉，当杆体所受拉力到达一定数值时，杆体弯曲段被拉直，从而为锚杆提供一定工作阻力和一定的可缩量。
图4—4所示的锚杆材料为含碳、磷、硫较低、延伸率较大的圆钢（也可采用螺纹钢），通过对锚杆的锚尾进行强化热处理而制成。
热处理使锚杆锚尾段的强度和硬度高于杆体，以保证锚杆在拉力作用下的断裂位置在杆体而不是在锚尾，从而充分利用首先屈服的杆体的较大塑性变形以适应巷道围岩大变形的要求。
并提高锚杆的整体强度。
锚杆螺纹局部热处理后的强度只需略高于杆体，使其仍具有较好的延伸性。
（2）结构元件滑动可延伸锚杆
结构元件滑动可延伸锚杆的典型形式有：
滑动摩擦式、结构剪切滑动式、结构挤压滑动式。
使杆体能够滑动的结构元件可设置在锚孔内，也可设置在孔口。
图7—6为套筒摩擦式可延伸锚杆。
图7—6为套筒摩擦式可延伸锚杆
1—钢管；2—滑动套筒；3—凸形托板；4—套筒挡环；5—杆体挡环；6—快硬水泥；7—水泥砂浆
这种锚杆的杆体是钢管，外端套以开缝套管，可以产生相对位移，套管上焊有挡环，托板制成凸形，依靠快硬水泥将内锚头粘结在孔内。
3．高强度和超高强度锚杆
长期以来，普通圆钢端锚锚杆是我国锚杆支护的主要形式，由于材料的屈服强度较低，限制了锚杆支护的大面积推广，为了提高锚杆支护的可靠性，近几年大力开展了高强度、超高强度锚杆。
锚杆的强度主要是由锚杆的材质、直径及有关附件确定，按照钢材屈服强度σs可将锚杆分为三类：
σs<340MPa，为普通锚杆；340MPa≤σs<600MPa，为高强度锚杆;σs≥600MPa，为超高强度锚杆。
（1）高强度螺纹钢锚杆
高强度锚杆是用高强度螺纹钢制成，既可用于全长锚固也可用于端头锚固。
对于全长树脂锚固的螺纹钢锚杆，主要由杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂药卷组成。
由于锚尾局部安装螺母，需加工成螺纹，结果造成锚尾局部的直径比杆体名义直径小13％～23％。
在井下受到拉力作用时，锚尾局部首先断裂，使锚杆的强度和延伸率得不到发挥。
为保证锚杆的高强度和延伸率，对锚尾螺纹部位进行强化热处理，即可制成高强度锚杆。
表7—3是20MnSilI级螺纹钢锚杆强化热处理后的力学性能。
表7—320MnSilI级螺纹钢锚杆锚尾强化热处理后的力学性能
螺纹钢名义直径
锚尾强化热处理否
螺纹直径
屈服载荷
Kn
极限载荷
延伸率
断裂位置
φ18mm
否
是
M16
87
137
20
锚尾
杆体
φ20mm
否
是
M18
102
171
锚尾
杆体
φ22mm
否
是
M20
136
216
锚尾
杆体
由表可知，螺纹钢锚杆锚尾强化热处理后，锚杆整体承载能力提高50％以上，延伸率提高30％～45％，锚杆的断裂部位在锚杆杆体，而不在锚尾。
（2）超高强度螺纹钢锚杆
超高强度螺纹钢锚杆是将整根普通螺纹钢锚杆（包括杆体和锚尾）通过合理的工艺方式和工艺参数进行整体强化热处理而制成的。
超高强度螺纹钢锚杆的屈服强度可达703MPa，极限强度可达811MPa，延伸率可达21％o强化热处理的方式有两种：
常规加热和感应加热。
常规加热效率低、电耗高、本钱高，感应加热可以大幅度降低能耗、提高生产效率，而且可以改善超高强度锚杆的力学性能。
通过锚尾强化热处理而形成的高强度和超高强度锚杆，其热处理本钱仅比不采用热处理的同材料锚杆增加1～2元／根。
使用高强度锚杆全长锚固不仅可以大大降低巷道的变形量，保证巷道平安可靠。
而且可以适当增大锚杆的间排距，从而提高巷道掘进速度，降低支护本钱。
4．管缝式锚杆
在实际应用中，管缝锚杆的锚固力往往难以得到可靠保证，特别是在动压巷道，巷道周边的破碎区较大时。
另外，管缝锚杆遇水后易于锈蚀，也影响到锚杆的锚固力。
因此，为保证管缝锚杆的平安可靠，一般只在生产地质条件较好、压力较小的巷道使用。
5．可切割锚杆和可回收锚杆
在回采巷道两帮使用金属锚杆，影响采煤机的正常割煤，为此，国内外研制了不同种类的可切割锚杆。
（1）木锚杆和竹锚杆
杆体（钢筋）
（2）玻璃纤维可切割锚杆
（3）可回收锚杆
6．桁架锚杆
桁架锚杆是组合锚杆的一种，主要由斜锚杆和水平拉杆组成，根据支护巷道断面的大小和顶板条件的不同，桁架锚杆可采用不同的形式，主要有：
单式桁架，复式桁架（在巷道跨度方向上由2～3套单式桁架锚杆组成）、交叉桁架（由单式桁架锚杆交叉形成十字形）、连续桁架（在巷道长度方向上通过结构将单式桁架锚杆或复式桁架锚杆连成整体）。
图7—7单式桁架锚杆作用原理图
桁架锚杆的应用范围较广，可用于支护顶板完整或节理裂隙发育、破碎的回采巷道和断面较大或悬顶面积较大的硐室或巷道交叉点。
7．组合锚杆
根据锚杆支护巷道围岩的地质情况，使用单体锚杆不能有效控制围岩时，常采用组合锚杆支护。
组合锚杆由锚杆、钢带、护网、托盘等组合而成。
锚杆一般为普通锚杆、高强锚杆、可延伸锚杆、超高强锚杆等，锚杆的锚固形式可以是全长锚固、加长锚固、端部锚固。
五、喷射混凝土支护
喷射混凝土支护是用喷射机将混凝土混合物喷射在岩石外表上硬化而成的一种支护。
用干式喷射机喷射混凝土的工艺流程如图7-8所示。
先将砂、石过筛，按配合比和水泥一同送入搅拌机内搅拌，然后用矿车将拌合料运送至工作面，经上料机装入以压缩空气为动力的喷射机，在经输料管吹送到喷头处与水混合后喷射在岩面上。
图7-8喷射混凝土的工艺流程
六、锚喷支护
锚杆和喷射混凝土虽各有优点，但也都有缺乏之处。
锚喷联合支护，恰能做到使二者取长补短，互为补充，是一种性能更好的支护形式。
锚杆与其穿过的岩体形成承载加固拱，喷射混凝土的作用那么在于封闭围岩，防止风化剥落，和围岩结合在一起，对锚杆间的外表岩石起支护作用。
光弹模拟试验说明，用锚杆进行支护时，在两锚杆之间的围岩外表附近，会产生拉应力。
如果岩石松软，那么在拉应力的作用下，可能产生局部的破坏与掉块，而局部小岩块的坠落又可能导致深部岩石的松动与破坏，这样将削弱岩石加固拱的稳定性和承载能力。
因此，锚杆与混凝土联合支护，就可以防止局部岩块的松动和坠落，从而加固和提高了岩石加固拱的承载能力。
喷射混凝土能有效控制锚杆间的石块凋落，但其本身是脆性的，当岩石变形大时，易开裂剥落，解决方法之一就是在喷射混凝土中加钢纤维，增加混凝土的抗弯性和韧性。
另外就是在喷射混凝土之前敷设金属网，喷后成喷射混凝土层，提高了喷层的整体性，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。
金属网用的钢筋直径一般为6～12mm，钢筋间距一般为200～400mm。
复习思考题
1．什么是巷道围岩压力，其影响因素有哪些？
2．简述巷道矿压控制的途经和方法？
3．简述金属支架的类型及使用条件？
4．简述喷射混凝土支护的特点？
5．什么是锚杆支护，从锚固方式、锚固长度方面锚杆支护如何分类？
6．试分析如何提高锚杆的延伸率？
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