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1、第六章巷道支护能源科学与工程学院郜进海博士、教授6.1概述n围岩的自稳时间n支护与围岩共同作用原理n主动支护n被动支护n由于巷道的开挖形成空洞，破坏了原岩体中的原有的应力状态，巷道周边由原来的三向应力状态变成了两向应力状态，从而出现了应力重分布与应力集中现象，这二者导致了在岩体中分别出现了较大的剪应力和拉应力的出现，并使岩体向巷道内移动，若不进行及时的支护，巷道会产生严重变形，影响到其使用功能，更为严重的是由于岩体中构造复杂，节理裂隙发育，当变形量达到一定程度后就会产生冒顶片帮等事故，严重影响着煤矿的安全生产。n目前巷道支护方式主要有：n1.棚式支架（木支护，混凝土支架，金属支架等，其中金属支
2、架又有普通金属支架及可缩性金属支架。）这类支护方式主要用于矩形及梯形巷道。n2.砌碹支护：料石砌碹，现浇混凝土n3.锚喷支护：锚杆支护、喷射砼支护、锚喷联合支护、锚喷支护（网、钢带、梯子梁等）联合支护。n4.上述锚喷支护再加锚索加强支护6.2锚杆支护结构n锚杆支护是将小直径的钢及其它材料制成的杆状体，钻孔安装于围岩中，用于加固围岩的一种支护形式。n喷射混凝土支护是用机具喷头，利用高压把混凝土喷射到围岩表面，快速凝固后支护围岩的一种支护形式。n锚喷支护是以锚杆支护和喷射混凝土支护为主要支护结构的一系列支护形式的总称。6.2.1锚杆支护作用原理n6.2.1.1悬吊作用原理n1952年路易斯阿帕内科
3、(Louis A.panek)等发表了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所覆盖的岩体的重力。见右图所示。锚固力 Q(1.52)W锚杆工作拉力 Q1=bA锚杆长度 LKHL1L2 锚杆间排距 n6.2.1.2组合梁理论按材料力学理论可知，无锚杆时巷道顶板岩石为叠合梁结构，在受到其上部围岩的应力作用后，各层单独变形，层与层之间容易产生滑移从而导致离层；而顶板采用锚杆支护时，锚杆穿过各层状岩层形成组合梁，共同抵抗围岩应力，故变形较小，从而起到支护的作用。6.2.1.3组
4、合拱理论在沿拱形巷道周边布置锚杆后，在预紧锚固力的作用下，每根锚杆都有一定的应力作用范围，只要取合理的锚杆间距，其应力作用范围会相互重迭，从而形成一连续的挤压加固带即厚度较大的组合拱，该加固带的厚度是普通砌碹支护厚度的数倍。故能更为有效地抵抗围岩应力，减少围岩变形，其支护效果明显好于普通砌碹支护。6.2.2锚杆的结构类型n6.2.2.1树脂锚杆n以树脂为锚固剂，将锚杆杆体粘结在锚杆孔内，外加托板及螺母紧固形成锚杆支护的一种形式。n1）普通树脂锚杆n树脂锚固剂加普通金属杆体（麻花型锚固端）或以普通螺纹钢为杆体的锚杆。n2）等强螺纹钢锚杆n3）玻璃钢锚杆n6.2.2.2快硬水泥和快硬膨胀水泥锚杆n
5、以快硬水泥或带有膨胀性的快硬水泥为锚固剂，配以金属杆体。为端头锚固型，成本较树脂锚杆低。但锚固剂质量不易控制。目前常用的水泥为快硬早强硅酸盐水泥和快硬膨胀水泥及双快水泥等。n6.2.2.3管缝式锚杆n由强度较高的合金钢板材经卷压加工工艺而形成的开缝式管状杆体。其直径一般略大于锚杆孔的孔径，施工时用风钻或其它专用机具强行将锚杆杆体压入孔内，靠管体的弹性挤压孔壁从而产生全长的锚固力。n6.2.2.4内注式注浆锚杆n在不稳定岩层中，为了提高破碎岩体的自身强度，将锚杆设计成带有中心孔的管状杆体，施工时先将锚杆安装好（注意在孔口处的堵塞），然后把注浆泵接到锚杆的尾端，将注浆浆液通过锚杆中心孔并通过锚杆中
6、的注浆口注入破碎岩层中使破碎岩体加固，并锚固岩体的一种锚固方式。n6.2.2.5木锚杆和竹锚杆n1）木锚杆n普通木锚杆n压缩木锚杆n2）竹锚杆n其它锚杆：楔缝式、倒楔式、涨壳式钢筋砂浆锚杆、钢丝绳砂浆锚杆等6.2.3锚杆支护参数的确定n工程类比法n理论计算法n数值模拟法n监测反馈法n6.2.3.1工程类比法参数设计n直接类比和专家系统n6.2.3.2理论计算法参数设计n主要是利用悬吊理论、冒落拱理论、组合拱理论以及其它各种力学方法，分析巷道围岩的应力与变形，进行锚杆支护设计，给出锚杆支护参数的解析值。n1）按悬吊理论设计锚杆支护参数n(1)锚杆长度LL1HL2n(2)锚杆杆体直径n(3)锚杆间
7、排距n2）按挤压加固拱理论计算锚杆参数n锚杆长度与锚杆间距的关系n若锚杆的控制角按45考虑的话则n如果按常用锚杆的长度L18002200和a为600800计，则加固拱的厚度将为12001400，相当于34层混凝土碹的厚度。所以，一般情况下锚杆的长度应大于两倍的锚杆间距。6.2.4锚杆支护施工n施工机具：锚杆钻机、风钻、煤电钻（煤层中）锚杆安装器等。n安装质量：包括锚杆间排距、锚杆的角度、锚固质量与锚固力。6.3喷射混凝土支护n6.3.1概述n喷射砼支护是以压缩空气为动力，用喷射机将细骨料砼以喷射的方式覆盖到需要维护的岩面上，凝结硬化后形成的砼结构的支护方式。6.3.2喷射砼的支护原理n1）加固
8、与防止风化作用n2）改善围岩应力状态n3）柔性支护结构作用n4）组合拱作用6.3.3喷射砼材料n水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号不低于32.5，细骨料采用中砂或粗砂，细度模数应大于2.5，粗骨料以碎石较好，粒径一般不大于15mm，水灰比0.40.5。为使混凝土迅速凝结硬化，需在喷射砼中添加速凝剂，但掺量一般不超过5%，且要求凝结时间初凝不应大于5min，终凝时间不大于10min。n一般还应加入减水剂，6.3.4喷射混凝土主要性能指标n1）喷射混凝土抗压强度1520MPan2）粘结强度n3）喷层厚度6.3.5 喷射混凝土施工n6.3.5.1喷射混凝土施工工艺流程n6.3.5.2喷射混凝土的
9、主要工艺参数n1）工作风压出口处为0.1MPa所以工作风压为0.10.001输料管长度（m）n2）水压比风压大0.1MPan3）水灰比0.40.45n4）喷头与受喷面的距离及角度0.81.2m，垂直于岩面喷射，减少回弹。n5）一次喷射厚度顶部3060mm，帮50100mm。n6）分次喷射的间隔时间n6.3.5.3喷射混凝土机具n1）混凝土喷射机转子型n2）配套机械n6.3.5.4喷射操作n喷射前安全检查，n操作的顺序：开机时：风水电n喷完后：电水风n喷射方式：圆形或椭圆形螺旋喷射n为使干料与水很好的结合，应在喷头处设置双水环异径葫芦管。6.4联合支护n由于不同的地区岩层条件各不相同，单纯的锚杆
10、支护或单纯的喷射混凝土支护不能满足巷道稳定及安全的需要，因此在锚杆和喷射混凝土支护的基础上形成了一系列的支护形式，由锚杆、喷射混凝土、金属网、钢带、钢筋梯等组合而成的各种联合支护形式。n6.4.1锚喷支护n6.4.2锚网支护n锚网支护n锚带网支护n6.4.3锚杆桁架支护n6.4.4锚注支护n6.4.5预应力锚索支护n锚索的作用n材料及结构：钢绞线、锁具、锚固剂n钢绞线：15.24mm，17.28mmn锁具：n锚固剂：树脂锚固剂n锚索结构：三部分内锚段、自由段、外锚段n施工工艺：地面准备、钻孔、锚固、张拉6.5其他支护技术n6.5.1木支护n主要用于梯形巷道，是以前顺槽有切眼的主要支护方式。由棚
11、腿、顶梁和背板组成n适用条件：地压不大，巷道服务年限不长、断面较小的采区巷道中，也可用于永久巷道施工时的临时支护。n优缺点：具有一定的强度，重量轻、加工容易、适应性强、破坏时有一定的过程，可尽早发现及时处理。但强度相对较低，不防火，容易腐朽，服务年限短，不能阻止和防止围岩风化，特别是木材消耗量较大。6.5.2金属支架n特点：与木支架相比，具有耐腐蚀，强度高可复用等优点。6.5.2.1梯形金属支架一般是1620号工字钢或矿用工字钢，由棚腿、顶梁和木背板组成，通常用于回采巷道中，经修整后可多次复用。n6.5.2.2拱形可缩性金属支架n由矿用特殊型钢U型钢制作，每架一般由三段U型钢构成，两段之间搭接
12、300400mm，通过卡箍固定。为防止倾倒，架与架之间通过金属拉杆连接。当地应力较大时，重合段之间可产生相对移动，而产生一定的变形，从而释放围岩的应力。适用于地压大围岩变形量大而断面不太大的巷道。6.5.3石材整体支架6.6支护效果监测n巷道稳定性监测的目的是为了确保支护巷道的安全、优质、快速和低耗，监测内容主要包括位移监测、围岩松动圈监测、顶板离层监测和锚杆受力监测等。n6.6.1岩体位移监测n深部位移监测多点位移计n表面位移监测使用收敛计、测杆等一般测巷道两侧相对移近量和顶底板移近量。n6.6.2围岩松动圈测试：可采用声测法，超声波围岩松动圈探测仪等。n6.6.3顶板离层监测：采用顶板离层监测仪，也可用多点位移计测试。n6.6.4锚杆支护质量监测：监测的内容包括：锚杆的材质、锚杆安装质量、锚杆工作荷载、锚杆的抗拔力测试。n6.6.5喷射混凝土质量监测：喷射混凝土强度和喷层厚度