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1、第三节第三节 巷道金属支架巷道金属支架一、巷道支架支护原理一、巷道支架支护原理 巷道支架的工作特征与一般地面工程结巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象构特征），而且与其支护对象围岩本身的围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是力学性质和结构有密切关系，也就是“支架支架-围岩围岩”相互作用关系。相互作用关系。2 2“支架支架-围岩围岩”相互作用的基本状态相互作用的基本状态当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落当巷道顶板岩石与
2、上覆岩层离层或脱落时，支架处于给定载荷状态。时，支架处于给定载荷状态。当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架处于给定变形状态。或脱落时，支架处于给定变形状态。图图8-26 8-26 “支架支架围岩围岩”相互作用力学模型相互作用力学模型 a a给定载荷状态；给定载荷状态；b b给定变形状态给定变形状态3 3“支架支架-围岩围岩”相互作用原理相互作用原理 巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，合理的可缩性，合理的“支架支架-围岩围岩”相互作用关系是相互作用关系是充分利用围岩的这种天然的自承力和承载力。充分利用围岩
3、的这种天然的自承力和承载力。图图8-27 8-27 支架与围岩的相互作用关系支架与围岩的相互作用关系A A弹塑性阶段弹塑性阶段 ；B B松动破裂阶段松动破裂阶段 4 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 依据依据“支架支架-围岩围岩”相互作用原理，在巷道相互作用原理，在巷道支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：支护的工程实践中发展了以下实用支护技术：（1 1）实行二次支护实行二次支护（2 2）采用柔性支护采用柔性支护（3 3）强调主动支护强调主动支护图图8-28 8-28 新新U25U25型钢断面图型钢断面图 二、巷道金属支架二、巷道金属支架（一）（一）矿用支护矿用支
4、护 U U型钢型钢(a)(b)(c)(a)(b)(c)图图8-29 8-29 双槽形夹板式连接件双槽形夹板式连接件 a a上限位连接件；上限位连接件；b b中间连接件；中间连接件；c c下限位连接件下限位连接件 1 1上限位块上限位块 2 2下限位块下限位块 图图8-30 8-30 拱形可缩性金属支架基本结构类型拱形可缩性金属支架基本结构类型 a a三节式；三节式；b b四节式；四节式；c c五节式；五节式；d d曲腿式；曲腿式；e e非对称式；非对称式；f f封闭封闭图图8-31 8-31 拱形支架断面基本参数拱形支架断面基本参数 表表8-4 8-4 我国拱形支架断面基本参数推荐值我国拱形支
5、架断面基本参数推荐值图图8-32 8-32 四节多铰摩擦可缩四节多铰摩擦可缩 支架结构支架结构 1 1U U型钢；型钢；2 2铰结点；铰结点；3 3耳卡式连接件耳卡式连接件图图8-33 U8-33 U型钢拱梯形可型钢拱梯形可 缩性支架断面参数缩性支架断面参数图图8-348-34马蹄形可缩马蹄形可缩 性支架性支架 图图8-35 8-35 圆形可缩性支架圆形可缩性支架 图图8-36 8-36 环形可缩性支架环形可缩性支架 a a方环形；方环形；b b长环形长环形三、巷道支架选型三、巷道支架选型1 1金属支架的承载能力金属支架的承载能力 金属支架的承载能力分极限承载能力金属支架的承载能力分极限承载能
6、力和实际承载能力。极限承载能力是指支架处于和实际承载能力。极限承载能力是指支架处于刚性状态下所允许的最大承载能力，以支架不刚性状态下所允许的最大承载能力，以支架不出现塑性变形为标准。实际承载能力是可缩性出现塑性变形为标准。实际承载能力是可缩性支架在收缩阶段表现出的承载能力，由连接件支架在收缩阶段表现出的承载能力，由连接件和支架的工作状况决定。和支架的工作状况决定。表表8-5 8-5 不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益不同载荷形式下直腿式拱形支架支撑效益2 2支架承载能力的计算支架承载能力的计算 力法以静不定结构中的多余约束力作力法以静不定结构中的多余约束力作为基本未知数，根据结构的变形条件建
7、立方为基本未知数，根据结构的变形条件建立方程，求解出多余未知力，然后根据平衡方程程，求解出多余未知力，然后根据平衡方程求出内力。位移法是以静不定结构中的节点求出内力。位移法是以静不定结构中的节点位移作为基本未知数，根据结点或截面的平位移作为基本未知数，根据结点或截面的平衡条件建立方程，求出位移值，然后根据结衡条件建立方程，求出位移值，然后根据结点位移与内力的关系式求出内力。对于支架点位移与内力的关系式求出内力。对于支架形状、载荷分布比较复杂的问题，可以选用形状、载荷分布比较复杂的问题，可以选用平面刚架的有限元计算程序计算支架内力。平面刚架的有限元计算程序计算支架内力。表8-6 各种金属支架架型
8、的力学特性和适用条件四、金属支架的拉杆和背板四、金属支架的拉杆和背板（1 1）拉杆拉杆 单个支架之间用拉杆使支架沿巷道轴向单个支架之间用拉杆使支架沿巷道轴向相互联成一体，可以防止支架歪斜、扭转，增相互联成一体，可以防止支架歪斜、扭转，增加支架的纵向约束提高支架的稳定性和承载能加支架的纵向约束提高支架的稳定性和承载能力。常用的拉杆有圆钢拉杆、扁钢拉杆、角钢力。常用的拉杆有圆钢拉杆、扁钢拉杆、角钢拉杆、可调节拉杆等。拉杆、可调节拉杆等。（2 2）背板背板 背板属于架间防护材料，其作用是传递背板属于架间防护材料，其作用是传递巷道围岩载荷，防止架间离散岩块冒落，使支巷道围岩载荷，防止架间离散岩块冒落，
9、使支架受力均匀具有较高的承载能力。背板的种类架受力均匀具有较高的承载能力。背板的种类按力学性质可分为刚性、弹性、柔性三种。按力学性质可分为刚性、弹性、柔性三种。第四节第四节 巷道锚杆支护巷道锚杆支护一、锚杆种类和锚固力一、锚杆种类和锚固力 锚杆锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾（外锚头）、托盘等部件组成。（外锚头）、托盘等部件组成。1
10、1锚杆的分类锚杆的分类最基本的分类方法是按锚杆的锚固方式划分：最基本的分类方法是按锚杆的锚固方式划分：机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式锚杆、楔缝式锚杆杆、楔缝式锚杆。粘结锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚粘结锚固式锚杆包括树脂锚杆、快硬水泥卷锚杆、水泥砂浆锚杆。杆、水泥砂浆锚杆。摩擦锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状摩擦锚固式锚杆包括缝管式锚杆、水胀式管状锚杆等。锚杆等。2 2锚杆的锚固力锚杆的锚固力（1 1）根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力根据锚杆对围岩的约束方式定义锚固力托锚力托锚力 粘锚力粘锚力切向锚固力切向锚固力 （2 2）根据锚杆的锚固
11、作用阶段定义锚固力根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力初锚力初锚力 工作锚固力工作锚固力 残余锚固力残余锚固力 二、锚杆支护理论二、锚杆支护理论（1 1）悬吊理论悬吊理论图图8-38 8-38 锚杆支护锚杆支护 悬吊作用悬吊作用 （2 2）组合梁理论组合梁理论图图8-39 8-39 层状顶板锚层状顶板锚 杆组合梁杆组合梁（3 3）组合拱（压缩拱）理论组合拱（压缩拱）理论图图8-40 8-40 锚杆组合拱（压缩拱）原理锚杆组合拱（压缩拱）原理 （4 4）最大水平应力理论最大水平应力理论 图图8-41 8-41 最大水平应力原理最大水平应力原理 （5 5）围岩强度强化理论围岩强度强化理论表表8-8 8
12、-8 锚固节理岩体与无锚固节理岩体力学参数锚固节理岩体与无锚固节理岩体力学参数之间关系之间关系三、锚杆三、锚杆 （一）（一）机械式锚杆机械式锚杆图图8-42 8-42 竹、木楔缝式锚杆竹、木楔缝式锚杆 一般采用一般采用端头锚固端头锚固形式形式（二）（二）摩擦式锚杆摩擦式锚杆（1 1）缝管式锚杆缝管式锚杆图图8-43 8-43 缝管锚杆缝管锚杆 （2 2）水力膨胀锚杆水力膨胀锚杆图图8-44 8-44 水力膨胀锚杆水力膨胀锚杆通过钢管与孔壁之间的通过钢管与孔壁之间的摩擦作用达到锚固目的，摩擦作用达到锚固目的，一般为全场锚固式一般为全场锚固式（三）（三）粘结式锚杆粘结式锚杆图图8-45 8-45
13、高强度螺纹钢锚高强度螺纹钢锚杆结构杆结构 1 1 树脂药卷；树脂药卷；2 2杆体；杆体；3 3穹形球体；穹形球体；4 4托盘；托盘；5 5塑料塑料1 1硬木内楔硬木内楔2 2木杆体；木杆体；3 3木托板；木托板；4 4硬木外楔；硬木外楔；5 5竹杆体增竹杆体增压垫圈；压垫圈；6 6驱动螺母驱动螺母 是目前国内外用的最广是目前国内外用的最广泛的一种泛的一种（1 1）锚固剂锚固剂 表表8-9 8-9 不同型号锚固剂的凝胶时间不同型号锚固剂的凝胶时间（2 2）锚杆杆体锚杆杆体图图8-46 8-46 端头锚固式端头锚固式 锚杆受力特征锚杆受力特征1 1内锚头；内锚头；2 2托板托板 图图8-47 8-
14、47 全长锚固锚杆锚全长锚固锚杆锚 固力分布固力分布 1 1托锚力托锚力 2 2剪锚力剪锚力图图8-48 8-48 全长锚固全长锚固锚杆体受力状态锚杆体受力状态 杆体剪应力杆体剪应力 杆体拉应力杆体拉应力 图图8-49 8-49 不同螺纹钢锚杆不同螺纹钢锚杆 锚固力试验锚固力试验（3 3）锚杆托板与螺母锚杆托板与螺母图图 8-50 8-50 各种托板形式示意图各种托板形式示意图图图8-51 8-51 扭矩螺母扭矩螺母（四）（四）可延伸和可切割、可回收锚杆可延伸和可切割、可回收锚杆图图8-52 8-52 套筒摩擦式可延伸锚杆套筒摩擦式可延伸锚杆以适应围岩的卸压以适应围岩的卸压四、组合锚杆四、组合
15、锚杆（一）锚梁网联合支护（一）锚梁网联合支护（1 1）W W型钢带型钢带图图8-53 W8-53 W型钢带形状型钢带形状（3 3）M M型钢带型钢带 图图8-55 M8-55 M型钢带断面形状型钢带断面形状 （2 2）钢筋梯子梁）钢筋梯子梁图图8-54 8-54 钢筋梯子梁形状钢筋梯子梁形状（二）（二）桁架锚杆支护桁架锚杆支护 图图8-56 8-56 单式双拉杆桁架锚杆单式双拉杆桁架锚杆 1 1锚头；锚头；2 2锚杆；锚杆；3 3托架；托架；4 4水平拉杆水平拉杆 图图8-57 8-57 复式桁架锚杆复式桁架锚杆 1 1锚杆；锚杆；2 2拉杆；拉杆；3 3拉紧器；拉紧器；4 4垫木垫木 图图8
16、-58 8-58 交叉桁架锚杆交叉桁架锚杆 图图8-59 8-59 桁架锚杆支护作用力桁架锚杆支护作用力 不论是哪种桁架锚杆，在顶板岩层内都会形不论是哪种桁架锚杆，在顶板岩层内都会形成水平和铅直方向的挤压应力区，增加了顶成水平和铅直方向的挤压应力区，增加了顶板的抗弯能力，提高了裂隙梁的完整性，有板的抗弯能力，提高了裂隙梁的完整性，有利于顶板梁的成拱作用。利于顶板梁的成拱作用。五、预应力锚索五、预应力锚索 预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长，预应力锚索与普通锚杆相比锚索长度较长，能够锚入深部较稳定的岩层中，同时施加较大的能够锚入深部较稳定的岩层中，同时施加较大的预应力。常见的预应力锚索有胀壳式
17、钢绞线预应预应力。常见的预应力锚索有胀壳式钢绞线预应力锚索和砂浆粘结式预应力锚索。力锚索和砂浆粘结式预应力锚索。图图8-60 8-60 小口径预应力锚索结构小口径预应力锚索结构六、巷道锚杆支护设计六、巷道锚杆支护设计（1 1）工程类比法工程类比法 直接工程类比法是建立在已有工程设计直接工程类比法是建立在已有工程设计和大量工程实践成功经验的基础上，在地质和和大量工程实践成功经验的基础上，在地质和生产技术条件及各种影响因素基本一致的情况生产技术条件及各种影响因素基本一致的情况下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程下，根据类似条件的已有经验，进行待建工程锚杆支护类型和参数设计。锚杆支护类型和参数设
18、计。（2 2）理论计算法理论计算法锚杆长度、杆体直径、锚杆的间排距等。锚杆长度、杆体直径、锚杆的间排距等。（3 3）系统设计法系统设计法系统设计方法包括系统设计方法包括6 6个基本部分：个基本部分：地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩体力学性质评估。体力学性质评估。初始设计，以有限差分数值模拟分析为主要初始设计，以有限差分数值模拟分析为主要手段，辅以工程类比和理论计算法手段，辅以工程类比和理论计算法 。按初始设计选定的方案进行施工按初始设计选定的方案进行施工 。现场监测现场监测 。信息反馈与修改、完善设计信息反馈与修改、完善设计 。重复进行由初始设计至信息反
19、馈与修改、完重复进行由初始设计至信息反馈与修改、完善设计步骤善设计步骤 。第五节第五节 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一、软岩的基本属性一、软岩的基本属性1 1软岩的概念软岩的概念（1 1）地质软岩（地质软岩（2 2）工程软岩工程软岩2 2软岩的基本属性软岩的基本属性（1 1）软化临界荷载（软化临界荷载（2 2）软化临界深度软化临界深度二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律二、软岩巷道围岩变形力学机制和变形规律 软岩巷道围岩变形力学机制软岩巷道围岩变形力学机制(1)(1)膨胀变形机制膨胀变形机制(2)(2)应力扩容变形机制应力扩容变形机制 (3)(3)结构变形
20、机制结构变形机制 表表8-13 8-13 软岩类型及变形特性软岩类型及变形特性软岩巷道围岩变形规律软岩巷道围岩变形规律1.1.软岩巷道变形的影响因素软岩巷道变形的影响因素（1 1）岩石本身的强度、结构、胶结程度等；）岩石本身的强度、结构、胶结程度等；（2 2）自重应力场、构造应力场、扰动应力场；）自重应力场、构造应力场、扰动应力场；（3 3）遇水膨胀性；）遇水膨胀性；（4 4）采掘扰动；）采掘扰动；（5 5）软岩的流变性。）软岩的流变性。2.2.软岩巷道变形规律软岩巷道变形规律（1 1）具有明显的时效性；）具有明显的时效性；（2 2）多表现为环向受压、呈现出非对称性；）多表现为环向受压、呈现出
21、非对称性；（3 3）变形随埋深的增加而增加；）变形随埋深的增加而增加；（4 4）在不同应力作用下具有明显的方向性。）在不同应力作用下具有明显的方向性。三、软岩巷道支护技术三、软岩巷道支护技术（一）（一）软岩巷道支护技术特点软岩巷道支护技术特点 确定软岩变形力学机制的复合型式。确定软岩变形力学机制的复合型式。将复合型变形力学机制转化为单一型。将复合型变形力学机制转化为单一型。运用复合型变形力学机制的转化技术。运用复合型变形力学机制的转化技术。(二）二）软岩巷道支护原理软岩巷道支护原理（1 1）巷道支护原理巷道支护原理 软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免，应以达
22、到其最大塑性承载能力为可避免，应以达到其最大塑性承载能力为最佳；同时其巨大的塑性能必须以某种形最佳；同时其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来。软岩支护设计的关键之一是式释放出来。软岩支护设计的关键之一是选择变形能释放时间和支护时间。选择变形能释放时间和支护时间。（2 2）最佳支护时间和时段最佳支护时间和时段图图8-61 8-61 最佳支护时间最佳支护时间T Ts s (3)(3)最佳支护时间的物理意义最佳支护时间的物理意义最佳支护时间最佳支护时间的力学含意就是最大限度地发挥的力学含意就是最大限度地发挥塑性区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。塑性区承载能力而又不出现松动破坏的时刻。（4 4）关键
23、部位支护关键部位支护关键部位关键部位是支护体力学特性与围岩力学特性是支护体力学特性与围岩力学特性不耦合，常发生在围岩应力集中处和围岩岩不耦合，常发生在围岩应力集中处和围岩岩体强度薄弱位置。体强度薄弱位置。（三）（三）软岩巷道常用支护形式软岩巷道常用支护形式（1 1）锚喷网支护（锚喷网支护（2 2）可缩性金属支架可缩性金属支架（3 3）弧板支护弧板支护四、巷道底臌机理和防治四、巷道底臌机理和防治1 1巷道底臌的基本形式巷道底臌的基本形式 巷道底臌的力学机制仍然是物化膨胀型、应巷道底臌的力学机制仍然是物化膨胀型、应力扩容型、结构变形型和复合型。巷道底臌的形力扩容型、结构变形型和复合型。巷道底臌的形
24、状可分为折曲型、直线型及弧线型状可分为折曲型、直线型及弧线型 。2.2.巷道底臌的影响因素巷道底臌的影响因素（1 1）岩性状态岩性状态（2 2）围岩应力状态围岩应力状态（3 3）时间效应时间效应（4 4）软岩物化性质及力学性质的相互影响软岩物化性质及力学性质的相互影响3 3软岩巷道底臌的防治软岩巷道底臌的防治（1 1）起底起底（2 2）底板防治水底板防治水（3 3）支护加固方法支护加固方法（4 4）应力控制方法应力控制方法（5 5）联合支护方法联合支护方法五、巷道围岩注浆加固技术五、巷道围岩注浆加固技术1 1巷道围岩注浆加固机理巷道围岩注浆加固机理（1 1）提高岩体强度提高岩体强度（2 2）形
25、成承载结构形成承载结构（3 3）改善围岩赋存环境改善围岩赋存环境 2 2水泥浆液类注浆材料水泥浆液类注浆材料 （1 1）水泥单液类材料水泥单液类材料 （2 2）水泥水泥-水玻璃双液类材料水玻璃双液类材料 （3 3）高水速凝材料高水速凝材料六、巷道支架架后充填六、巷道支架架后充填1 1巷道支架架后充填的必要性巷道支架架后充填的必要性 采用爆破法掘进巷道，掘进断面很难与采用爆破法掘进巷道，掘进断面很难与支架外廓相互吻合，从而不可避免地在支架支架外廓相互吻合，从而不可避免地在支架背后形成架后空间。生产实践表明，架后空背后形成架后空间。生产实践表明，架后空间的存在会对间的存在会对“支架支架-围岩围岩”
26、的相互作用产生的相互作用产生极为不利的影响。极为不利的影响。2 2巷道支架架后充填的作用巷道支架架后充填的作用 围岩的载荷通过充填层使支架承受均布载荷。围岩的载荷通过充填层使支架承受均布载荷。及时架后充填可起到封闭围岩的作用。及时架后充填可起到封闭围岩的作用。起到加固围岩的作用。起到加固围岩的作用。及时抑制围岩变形，改变支架被动承载状况。及时抑制围岩变形，改变支架被动承载状况。围岩释放的变形能可部分地为充填层所吸收。围岩释放的变形能可部分地为充填层所吸收。3 3架后充填工艺架后充填工艺 湿式充填湿式充填 干式充填干式充填七、软岩巷道锚注支护七、软岩巷道锚注支护 软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力
27、低和软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现失效的重要原因。利用锚杆兼做注浆管，实现锚注一体化。对于节理裂隙发育的岩体，注浆锚注一体化。对于节理裂隙发育的岩体，注浆可以改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩可以改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，封闭裂隙，显著提高岩体强度。注浆加擦角，封闭裂隙，显著提高岩体强度。注浆加固为锚杆提供可靠的着力基础。固为锚杆提供可靠的着力基础。锚注式（外锚内注式）锚杆结构和施工工艺锚注式（外锚内注式）锚杆结构和施工工艺 图图8-62 8-62 外锚内注式锚杆和参数外锚内注式锚杆和参数 1 1空心钢管；空心钢管；2 2注浆段；
28、注浆段；3 3锚固段；锚固段；4 4尾部螺尾部螺 纹段；纹段；5 5挡环；挡环；6 6射浆孔射浆孔 锚注式（内锚外注式）锚杆结构和施工工艺锚注式（内锚外注式）锚杆结构和施工工艺 图图8-63 8-63 内锚外注式锚杆结构内锚外注式锚杆结构 1 1喷层；喷层；2 2托盘；托盘；3 3环状塞；环状塞；4 4杆体杆体 5 5出浆孔；出浆孔；6 6挡环；挡环；7 7锚固剂锚固剂 第六节第六节 锚杆支护质量监测锚杆支护质量监测1 1锚杆支护质量检查锚杆支护质量检查锚杆支护材料性能、强度及结构必须与锚杆的锚杆支护材料性能、强度及结构必须与锚杆的设计锚固力相匹配设计锚固力相匹配 。锚杆施工必须符合施工组织设
29、计或作业规程锚杆施工必须符合施工组织设计或作业规程 。检查锚杆支护质量必须做抗拔力试验检查锚杆支护质量必须做抗拔力试验 。每班对顶帮锚杆各抽样一组（每班对顶帮锚杆各抽样一组（3 3根）进行锚杆螺根）进行锚杆螺母扭矩检查母扭矩检查 。2 2锚杆支护质量监测锚杆支护质量监测（1 1）测力锚杆测力锚杆图图8-64 8-64 测力锚杆轴向力和弯矩变化曲线测力锚杆轴向力和弯矩变化曲线（2 2）锚杆测力计锚杆测力计（3 3）顶板离层指示仪顶板离层指示仪图图8-65 8-65 顶板离层指示仪顶板离层指示仪的安装的安装 图图8-66 8-66 顶板离层曲线顶板离层曲线 a a锚固区内；锚固区内；b b锚固区外锚固区外