巷道掘進(jìn)第三章課件

第三章巷道支護(hù)第一節(jié)錨桿（索）網(wǎng)噴支護(hù)一錨桿支護(hù)（一）錨桿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)1改善圍巖受力狀態(tài)2變“被動”為“主動”3減少巷道的維修量4簡化工作面超前支護(hù)5提高掘進(jìn)速度

6消除安全隱患7降低支護(hù)成本8減小工人的勞動強(qiáng)度9減小了輔助運(yùn)輸量10有利于生產(chǎn)組織（三）錨桿支護(hù)機(jī)理1懸吊理論懸吊理論認(rèn)為錨桿的作用是將軟弱的直接頂懸吊于上部堅(jiān)固穩(wěn)定的巖層上，或者是用錨桿將因巷道開挖而引起松動的巖塊連結(jié)在松動區(qū)外的完整堅(jiān)固巖體上，使松動巖塊不致冒落2組合梁理論組合梁理論認(rèn)為：頂板錨桿的作用，一方面體現(xiàn)在錨桿的錨固力增加了各巖層間的接觸壓力，避免各巖層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面增加了巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將作用范圍內(nèi)的幾個巖層錨固成一個較厚的組合巖梁。

錨桿的楔固作用錨桿的楔固作用是在圍巖中存在一組或幾組不同產(chǎn)狀的不連續(xù)面的情況下，由于錨桿穿過這些不連續(xù)面，防止或減少了圍巖沿不連續(xù)面的移動。3組合拱理論具有預(yù)應(yīng)力的錨桿，能形成以錨頭和緊固端為頂點(diǎn)的錐形體壓縮區(qū)。將錨桿沿拱形巷道周邊按一定間距徑向排列，每根錨桿周圍形成的錐形體壓縮區(qū)彼此重疊連接，便在圍巖中形成一個均勻的連續(xù)壓縮帶，擠壓加固拱。錨桿一方面在錐形體壓縮區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，增加節(jié)理裂隙面或巖塊間的摩擦阻力，防止巖塊的轉(zhuǎn)動和滑移，亦即增大了巖體的粘結(jié)力，提高了破碎巖體的強(qiáng)度；另一方面，錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力，改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使壓縮帶內(nèi)的巖石處于三向受力狀態(tài)，從而使巖體強(qiáng)度得到提高。5.最大水平應(yīng)力理論該理論認(rèn)為：礦井巖層的水平應(yīng)力通常大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平應(yīng)力一般為最小水平應(yīng)力的1.5～2.5倍。巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定性主要受水平應(yīng)力的影響，且有如下特點(diǎn)：與最大水平應(yīng)力平行的巷道受水平應(yīng)力影響最小，頂?shù)装宸€(wěn)定性最好；與最大水平應(yīng)力呈銳角相交的巷道，其頂?shù)装遄冃纹茐钠蛳锏滥骋粠停慌c最大水平應(yīng)力垂直的巷道，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而膨脹造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動，因此要求錨桿必須具備強(qiáng)度大、剛度大、抗剪阻力大，才能起約束圍巖變形的作用。開挖前開挖后（四）錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)方法（1）工程類比法根據(jù)已有的巷道工程，通過類比提出新建工程的支護(hù)設(shè)計(jì)；通過巷道圍巖穩(wěn)定性分類提出支護(hù)設(shè)計(jì)；采用簡單的經(jīng)驗(yàn)公式確定支護(hù)設(shè)計(jì)。（2）理論計(jì)算法基于某種錨桿支護(hù)理論，如懸吊理論；組合梁理論及加固拱理論，計(jì)算得出錨桿支護(hù)參數(shù)。（3）以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法1常規(guī)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案1）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法（1）巖巷錨噴支護(hù)（2）煤巷錨桿及與網(wǎng)、梁組合支護(hù)2）懸吊理論法錨桿長度的計(jì)算公式為

式中：L1為錨桿外露長度，一般L1=0.1～0.15m。對于端頭錨固型錨桿，L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.03～0.05）m；對于全長錨固錨桿，還要加上穹形球體的厚度。L2為錨桿有效長度。L3為錨桿錨固段長度，一般端錨L3=0.3～0.4m，由拉拔實(shí)驗(yàn)確定；當(dāng)圍巖松軟時還要加大。對于全長錨固錨桿，錨桿的有效長度則為L2+L3。錨桿的間距，排距計(jì)算，通常間、排距相等，取為a，并根據(jù)錨桿的錨固力應(yīng)等于或大于被懸吊巖石的重量的原則確定，即：式中，γ為巖石體積力，KN/m3。2工程類比法（1）直接類比法@1圍巖力學(xué)性質(zhì)@2地質(zhì)構(gòu)造影響程度@3開采深度@4煤柱尺寸

@5巷道斷面形狀與尺寸@6開采時間、空間影響因素（2）間接類比法二錨索支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)是錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展中占有重要地位的一種支護(hù)形式。在大斷面、地質(zhì)構(gòu)造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高地應(yīng)力、綜放巷道等困難、復(fù)雜的巷道中，為增加錨桿支護(hù)的可靠性，可使用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨索的主要部件有鋼絞線、鎖具、錨固劑等。鋼絞線鎖具錨固劑按鋼絞線的根數(shù)分有單根錨索和錨索束。按錨固材料分有樹脂錨固錨索、水泥錨固錨索及樹脂水泥聯(lián)合錨固錨索，按錨固長度分有端部錨固錨索和全長錨固錨索。按預(yù)緊力分有預(yù)應(yīng)力錨素和非預(yù)應(yīng)力錨索。2．煤巷錨索煤巷適合采用結(jié)構(gòu)簡單、小孔徑(孔徑28—32mm)、長度約為5—20m的錨索，利用輕型錨桿鉆孔即可施工。3）為了保證噴射質(zhì)量、提高工效，應(yīng)合理劃分噴射區(qū)段。一般以6m長為一基本段，基本段再分為2m長的三小段。噴墻時，每噴完1.5m高使依次向相鄰小段前進(jìn)。圖5-33為拱形巷道合理劃分噴射區(qū)段的一個實(shí)例。對于凹凸嚴(yán)重的巖面，應(yīng)先凹后凸、自下而上地正確選擇噴射次序。（二）支護(hù)參數(shù)的確定（三）噴射混凝土材料及混合比⑴材料1）水泥：一般選用硅酸鹽水泥或普通水泥，其強(qiáng)度等級不應(yīng)低于32.5。2）砂：以采用中、粗砂為好。3）石子：一般選用堅(jiān)硬的河卵石或碎石，其中碎石回彈力低，但易于堵管和磨損管道，而河卵石則相反。石子粒徑應(yīng)根據(jù)噴射機(jī)性能選取。在實(shí)際工作中，為了減少回彈，石子粒徑不能大于15mm。石子的合理級配是影響混凝土質(zhì)量、水泥用量和回彈率的重要因素之一，其合理級配可參考表5—19。表5-19噴射混凝土用石子的合理級配

4）水，要求潔凈、不合雜質(zhì)。污水、pH＞4的酸性水和硫酸鹽含量按SO4計(jì)超過水重1％的水，都不許使用。5）速凝劑：為了使混凝土速凝，提高早期強(qiáng)度，一般摻入水泥重量的2.5％～4％的速凝劑。要求初凝時間小于5min，終凝時間小于10min。⑵混凝土配合比合適的配合比應(yīng)使噴層有足夠的抗壓、抗拉和粘結(jié)強(qiáng)度，收縮變形值要小，回彈率要低。表5-20混凝土重量配合比

2）水壓水壓應(yīng)比風(fēng)壓高0.1MPa左右，以保證噴頭處的水環(huán)能充分濕潤高速流過的拌合料。3）水灰比噴射泥凝土的最佳水灰比為0.4～0.45。4）噴頭與受噴面的距離及傾角

合適的距離應(yīng)使回彈率低而混凝土強(qiáng)度高，一般控制在0.8～1.2m。噴頭方向除了噴墻下部可下俯10～15°外，應(yīng)盡量與受噴面正交。5）一次噴射厚度若一次噴射厚度過大，由于重力作用，會使混凝土顆粒之間的凝著力減弱，混凝土將發(fā)生墜落；若噴層厚度過小，石子無法嵌入灰漿層，使回彈增大。經(jīng)驗(yàn)表明一次噴厚，墻50～100㎜，拱30～60㎜為宜。6）分層噴射的間歇時間一般噴射順序?yàn)榉侄螐南孪蛏蠂娚?，一次噴射厚度逐漸減小。需要進(jìn)行復(fù)噴時，其間隔時間與水泥品種、工作溫度、速凝劑摻量等因素有關(guān)。7）混合料的存放時間由于砂、石含有一定水分，與水泥混合后，存放時間也應(yīng)該縮短。不摻速凝劑，存放時間不應(yīng)超過2h；摻速凝劑，存放時間不應(yīng)超過20min。四錨噴聯(lián)合支護(hù)（一）錨噴支護(hù)的選用（二）錨噴支護(hù)質(zhì)量檢驗(yàn)錨桿和噴射混凝土雖各自有優(yōu)點(diǎn)，但也有不足之處。錨噴聯(lián)合支護(hù)，恰能使兩者取長補(bǔ)短，互為補(bǔ)充，是一種性能更好的支護(hù)形式。噴射混凝土能有效的控制錨桿間的石塊掉落，但其本身是脆弱的，當(dāng)巖石變形大時，容易開裂剝落。解決辦法之一就是在噴射混凝土中加入鋼纖維，增加混凝土的抗彎能力和韌性。另外就是噴射混凝土之前敷設(shè)金屬網(wǎng)，噴后成鋼筋混凝土層，提高了混凝土的整體性，改善了噴層的抗拉性能，這就形成了錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，能有效的支護(hù)松散破碎的軟弱巖層。金屬網(wǎng)用鋼筋直徑一般為6～12㎜，鋼筋間距一般為200～400㎜。錨網(wǎng)支護(hù)錨網(wǎng)支護(hù)是將金屬網(wǎng)用托板固定或綁扎在錨桿上所組成的支護(hù)形式。金屬網(wǎng)用來維護(hù)錨桿間的圍巖，防止小塊松散巖石掉落，也可作為噴射混凝土的配筋。被拉緊的金屬網(wǎng)還能起到聯(lián)系各錨桿組成支護(hù)整體的作用。常見的金屬網(wǎng)有金屬菱形網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)，一般采用直徑3～4㎜的鐵絲編制而成，一般采用鍍鋅鐵絲，由于金屬網(wǎng)消耗鋼材較大，目前正在使具有一定抗拉強(qiáng)度和延伸率的玻璃鋼纖維或塑料網(wǎng)代替。菱形網(wǎng)錨網(wǎng)支護(hù)梯形巷道錨網(wǎng)支護(hù)拱形巷道第二節(jié)砌碹支護(hù)什么是砌碹支護(hù)？？？一適用條件二砌碹支護(hù)施工工藝（1）拆除臨時支架架腿（2）掘砌基礎(chǔ)（3）砌墻（4）砌拱（5）挖砌水溝三砌碹支護(hù)的質(zhì)量評比（1）保證項(xiàng)目（2）基本項(xiàng)目（3）允許偏差項(xiàng)目第三節(jié)支架支護(hù)一、木支架二、金屬支架三、鋼筋混凝土(棚式)支架四、石材整體式支架一、木支架

巷道中常用的木支架是梯形棚子，由頂梁、棚腿和背板、木楔等組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-37所示。頂梁承受頂板巖石給它的垂直壓力構(gòu)件。棚腿承受頂梁傳給它的軸向壓力和側(cè)幫巖石給它的擠壓力。背板將巖石壓力均勻地傳給主要構(gòu)件梁與腿上，并能阻擋巖石垮落。木楔的作用是使棚子與圍巖緊固在一起，為防止放炮崩倒棚子，木楔向工作面方向打緊。撐柱的作用是加強(qiáng)棚子在巷道軸線方向上的穩(wěn)定性。１—頂梁；2—棚腿；3—木楔；4—背板；5—撐柱；6—楔子

４

Ⅰ

Ⅰ

３80°

２

６

１

５

頂梁與棚腿的聯(lián)接，有“親口接”和鴨嘴式結(jié)合兩種，前者常用。(圖5—38)。頂梁和棚腿應(yīng)選用同樣直徑的坑木，以便加工和架設(shè)。根據(jù)巷道頂梁處的凈寬度，支架坑木直徑和每米巷道架棚數(shù)可按表5-21選取。鴨嘴式結(jié)合表5-21木材支架坑木直徑與每米巷道架棚數(shù)

優(yōu)點(diǎn)：

木棚重量輕，加工架設(shè)容易，有一定的強(qiáng)度；在構(gòu)造上可作成具有一定剛性或較大可縮性的支架，能適應(yīng)多變的地質(zhì)條件，當(dāng)?shù)貕和辉鰰r還能發(fā)出聲響訊號，故在地下采礦工程中用得最早，過去也用得最多．缺點(diǎn)：由于木棚強(qiáng)度不高，不防火，易腐朽，不能阻水和防止圍巖風(fēng)化，使用日漸減少，每年消耗的坑木量十分巨大，因此，節(jié)約坑木并尋求坑木代用品，勢在必行。木支架破壞情況二、金屬支架

㈠梯形金屬支架梯形金屬支架用18～24kg/m鋼軌、16～20號號工字鋼或礦用工字鋼制作，由兩腿一梁構(gòu)成(圖5-39)，其常用的梁、腿連接方式亦如圖示。這種支架通常用在回采巷道中，在斷面較小、地壓較不嚴(yán)重的其它巷道里也可使用。工字鋼梯形支架㈡拱形可縮性金屬支架拱形可縮性金屬支架是用特殊型鋼制作，它的結(jié)構(gòu)如圖5-40所示。1—拱梁；2—柱腿；3—卡箍；4—底座

圖5-40拱形可縮性金屬支架

每架棚子由三個基本構(gòu)件所組成，一根曲率為R1的弧形頂梁和兩根上端部帶曲率為R2的柱腿?；⌒雾斄旱膬啥瞬迦胂啻罱釉谥鹊膹澢可希M成一個三心拱。

拱形可縮性金屬支架適用于地壓大，地壓不穩(wěn)定和圍巖變形量大的巷道，支護(hù)斷面一般不大于12m2。支架棚距一般為0.7～1.1m，棚子之間應(yīng)用金屬拉桿通過螺栓、夾板等互相緊緊拉住，或打入撐柱撐緊，以加強(qiáng)支架沿巷道軸線方向的穩(wěn)定性。

U型鋼拱形可縮性支架U型鋼方環(huán)形可縮性支架三、鋼筋混凝土(棚式)支架

鋼筋混凝土支架和木支架、梯形金屬支架一樣，構(gòu)件為直線形，故構(gòu)件主要承受彎而混凝土抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)變甚低(一般相當(dāng)于抗壓強(qiáng)度的1/8～1/12)，故需在構(gòu)件中配置鋼筋以承受因彎曲而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，而混凝土則主要承受構(gòu)件中的壓應(yīng)力，二者結(jié)合，各用其長，使構(gòu)件承載能力提高。它適應(yīng)于地壓穩(wěn)定、服務(wù)年限長及斷面不小于12m2。不適宜用于有動壓的巷道。由于它構(gòu)件重，架設(shè)困難，隨著錨噴文護(hù)的發(fā)展，鋼筋混凝土棚子使用已日漸減少。

四、石材整體式支架

1．石材整體式支架的結(jié)構(gòu)

石材整體式支架(簡稱石材支架、俗名砌碹)是指用料石、混凝土或鋼筋混凝土砌筑成的連續(xù)整體式支架。其主要形式是直墻拱頂式，由拱、墻和基礎(chǔ)三部分組成，如圖5-42所示。

拱的作用是承受頂壓，并向墻和兩幫傳遞。

墻的作用是支承拱和抗側(cè)壓，在拱基處，拱傳給墻的力可分為堅(jiān)壓力V和橫推力H，要求壁后充填密實(shí)，以防在壓力作用下拱與墻開裂。基礎(chǔ)的作用是將墻傳來的荷載和自重均勻傳給底板。底板巖石堅(jiān)硬時，墻與基礎(chǔ)可以同寬，巖石松軟時，基礎(chǔ)必須加寬，在有底鼓時，還要砌筑底拱。

使用料石砌筑拱、墻時，一般采用拱、墻等厚，即拱厚d。=墻厚T，可按表5-22選取拱墻厚度。使用混凝土砌拱、料石砌墻時，一般拱、墻不等厚，可按表5-23選取拱墻厚。拱、墻均使用混疑土砌筑時，可參照表5-23混凝土拱厚數(shù)據(jù)選用。石材支架具有堅(jiān)固耐久、防火阻水、通風(fēng)阻力小、材料來源廣等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是施工復(fù)雜，工期長，成本較高。故多用于服務(wù)期長的主要巷道。

表5-22料石或磚砌巷道拱壁厚度㎜

表5-23混凝土拱、料石墻砌巷道拱壁厚度㎜

2．石材支架的施工石材支架的巷道多是在掘進(jìn)后先架設(shè)臨時支架，以防止掘進(jìn)與砌碹之間這段距離(20～40m)中的頂、幫巖石垮落。

臨時支架有兩種：一種是采用帶腿的金屬拱形支架，由架頂、架肩、架腿或架頂、架腿組成，前者(圖5-43)適用于寬度較大的斷面后者用于寬度小于4m的巷道。在圍巖穩(wěn)定、側(cè)壓小的情況下，可采用無腿拱形金屬臨時支架，如圖5-44所示。

石材支架的施工過程簡述如下：

1）拆除臨時支架的架腿

2）掘砌基礎(chǔ)基礎(chǔ)挖出后，將溝內(nèi)積水排凈，掛好中、腰線，在硬底上鋪50mm厚砂漿，然后在上面砌筑料石。3）砌墻在砌墻的同時，應(yīng)用矸石或混凝土將壁后充填密實(shí)。砌筑混凝土墻時，必須根據(jù)中、腰線組立模板(圖5-46)，然后分層澆灌與搗固。4）砌拱其工作內(nèi)容包括拆除臨時支架的架肩和架頂、搭工作臺、立碹胎、砌拱。目前多采用金屬碹胎和金屬模板