井巷工程第六章井巷建筑材料.ppt

1、1.3井巷建筑材料,常用的材料：木材、金屬材料、石材、水泥、混凝土、鋼筋砼和砂漿等。 1.3.1 水泥 水泥是一種粉末狀材料，加水拌合能形成可塑性漿體，能將砂石等散粒材料粘結(jié)成整體，經(jīng)過自身的物理和化學(xué)變化形成堅(jiān)硬的人造石材的一種材料。,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,技術(shù)性質(zhì)： 密度、細(xì)度 凝結(jié)時(shí)間（初凝和終凝） 強(qiáng)度 水化熱 體積安定性 標(biāo)準(zhǔn)稠度,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,硅酸鹽水泥,制備兩磨一燒 礦物組成硅酸三鈣（3CaOSiO2） 硅酸二鈣（2CaOSiO2） 鋁酸三鈣（3CaOAl2O3） 鐵鋁酸四鈣（4CaO Al2O3 Fe2O3 ） 水化產(chǎn)物：水化鋁酸鈣 水化硅酸鈣 水化鐵酸鈣 氫氧

2、化鈣 水化硫鋁酸鈣,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,對純硅酸鹽水泥的要求： 比表面積300m2/kg。 初凝時(shí)間不少于45min，終凝時(shí)間不遲于6.5h 各齡期強(qiáng)度不低于規(guī)定值。 體積安定性符合規(guī)定。,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,普通硅酸鹽水泥,性能基本與硅酸鹽水泥相同，稍有變化。 在硅酸鹽水泥熟料中加入非活性混合材料和少量活性混合材料而制得。以改善水泥的凝結(jié)時(shí)間、水化放熱、強(qiáng)度并提高產(chǎn)量 三個(gè)級別，六種產(chǎn)品,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,摻混合材料的硅酸鹽水泥,混合材料： 活性混合材料 非活性混合材料 礦渣硅酸鹽水泥 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥 粉煤灰質(zhì)硅酸鹽水泥,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,這三種水泥的特點(diǎn)：

3、凝結(jié)硬化速度慢，早期強(qiáng)度低而后期強(qiáng)度高，水化放熱速度慢，放熱量低，對溫度敏感性高，抗軟水及硫酸鹽侵蝕能力強(qiáng)。但抗凍性差、礦渣水泥及火山灰水泥的干縮性小，粉煤灰水泥干縮性大，火山灰水泥抗?jié)B性高，礦渣水泥的耐熱性好。,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,1.3.2混凝土,混凝土：由膠凝材料、散粒材料及其它材料按比例混合而成的拌合物，經(jīng)過一定時(shí)間硬化而成的人造石材。 普通混凝土組分：水泥、水、砂、石子 優(yōu)點(diǎn)：混凝土拌合物在硬化前具有良好的可塑性，可澆注成各種形狀的預(yù)制構(gòu)件、現(xiàn)澆構(gòu)件及噴射混凝土結(jié)構(gòu)；與鋼筋有良好的粘結(jié)力，可形成鋼筋混凝土；抗壓強(qiáng)度高性能可調(diào)整，可制成不同強(qiáng)度等級的砼。材料來源廣，大部分可就地取

4、材，成本低；污染少對環(huán)境保護(hù)有利，耐久性高。 缺點(diǎn)：自重大，抗拉強(qiáng)度低，易開裂，質(zhì)量不易控制等。 對混凝土的基本要求：符合設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度； 具有與施工條件相適應(yīng)的和易性； 具有與工程環(huán)境相適應(yīng)的耐久性 經(jīng)濟(jì)合理,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,普通砼的組成材料,1）水泥根據(jù)工程性質(zhì)、工程特點(diǎn)、工程所處環(huán)境及施工條件合理選擇水泥品種、標(biāo)號 2）細(xì)骨料（砂） 骨料在砼中起骨架作用，因而稱之為骨料。有粗細(xì)骨料之分。粒徑在0.154.75mm之間的為細(xì)骨料，大于4.75mm的為粗骨料。 對骨料的技術(shù)性能要求：有害雜質(zhì)含量少；具有良好的顆粒形狀、適宜的級配和細(xì)度、表面粗糙，與水泥的粘結(jié)牢固、性能穩(wěn)定、堅(jiān)固耐久

5、等,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,細(xì)骨料砂天然的河砂、山砂、海砂及少量的人工砂，以河砂為最好。 砂的粗細(xì)程度指不同粒徑的砂混合在一起的總體粗細(xì)程度。以細(xì)度模數(shù)表示： 粗砂、中砂、細(xì)砂和特細(xì)砂,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,3）粗骨料石子（卵石、碎石） 顆粒級配連續(xù)級配和間斷級配 最大粒徑公稱粒級的上限 4）水,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,混凝土的主要技術(shù)性質(zhì),砼拌合物的和易性指砼拌合物易于各種工序的施工操作、并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的混凝土的性能。 流動性 粘聚性 保水性 三者既相互關(guān)聯(lián)又相互矛盾。,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,對和易性評價(jià)主要是流動性，其它兩方面則在測試流動性的同時(shí)進(jìn)行觀察評定。 測試

6、流動性的方法： 對普通砼可用坍落度試驗(yàn)測定，單位mm 對干硬性砼采用維勃稠度儀測定，單位s,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,砼強(qiáng)度與強(qiáng)度等級,立方體試塊、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28天，測試件單向抗壓強(qiáng)度作為評定砼等級的依據(jù)。 影響砼強(qiáng)度的因素： 經(jīng)驗(yàn)公式 常用的外加劑：減水劑、速凝劑、早強(qiáng)劑等,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,混凝土配合比設(shè)計(jì),三個(gè)比例關(guān)系： 水水泥水灰比（W/C） 砂石砂率 活性組分與隋性組分單位用水量 三者之間應(yīng)滿足水泥漿量應(yīng)包裹砂粒的表面并稍有富余，形成水泥砂漿，水泥砂漿的量要充填石子間的空隙并稍有富余。,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,混凝土配合比設(shè)計(jì),兩種方法：絕對體積法和（相對）密度法

7、初定配合比試驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)室配合比按施工現(xiàn)場砂石的含水狀態(tài)計(jì)算施工配合比。,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,1.3.3鋼材,優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度大、比強(qiáng)度高、可支撐較大地壓，使用期長，可多次復(fù)用，安裝容易，耐火性強(qiáng)，可制成可縮性結(jié)構(gòu)。 初期投資大，（施工時(shí)機(jī)械化程度低）,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,鋼材分類,按品質(zhì)分：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼 按含碳量分：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼 按化學(xué)成分分：碳素鋼、合金鋼 按用途分：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼 按生產(chǎn)工藝分類、按加工方式分等等,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,常用建筑鋼材的化學(xué)成分,主要成分為Fe、C，合金元素等 其中硫、磷為有害成分,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,常用建筑鋼材的力學(xué)

8、性能及特點(diǎn),抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、硬度,加工方法對鋼材性能的影響 冷加工、熱處理、時(shí)效、焊接 礦用鋼材的種類、特點(diǎn)及要求 各種型鋼、鋼筋,第一章井巷建筑介質(zhì)與材料,6.1概述,圍巖的自穩(wěn)時(shí)間 支護(hù)與圍巖共同作用原理 主動支護(hù) 被動支護(hù),由于巷道的開挖形成空洞，破壞了原巖體中的原有的應(yīng)力狀態(tài)，巷道周邊由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)變成了兩向應(yīng)力狀態(tài)，從而出現(xiàn)了應(yīng)力重分布與應(yīng)力集中現(xiàn)象，這二者導(dǎo)致了在巖體中分別出現(xiàn)了較大的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的出現(xiàn)，并使巖體向巷道內(nèi)移動，若不進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)，巷道會產(chǎn)生嚴(yán)重變形，影響到其使用功能，更為嚴(yán)重的是由于巖體中構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度后就會產(chǎn)生冒

9、頂片幫等事故，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。,目前巷道支護(hù)方式主要有： 1. 棚式支架（木支護(hù)，混凝土支架，金屬支架等，其中金屬支架又有普通金屬支架及可縮性金屬支架。 ）這類支護(hù)方式主要用于矩形及梯形巷道。 2. 砌碹支護(hù)：料石砌碹，現(xiàn)澆混凝土 3. 錨噴支護(hù)：錨桿支護(hù)、噴射砼支護(hù)、錨噴聯(lián)合支護(hù)、錨噴支護(hù)（網(wǎng)、鋼帶、梯子梁等）聯(lián)合支護(hù)。 4. 上述錨噴支護(hù)再加錨索加強(qiáng)支護(hù),6.2錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu),錨桿支護(hù)是將小直徑的鋼及其它材料制成的桿狀體，鉆孔安裝于圍巖中，用于加固圍巖的一種支護(hù)形式。 噴射混凝土支護(hù)是用機(jī)具噴頭，利用高壓把混凝土噴射到圍巖表面，快速凝固后支護(hù)圍巖的一種支護(hù)形式。 錨噴支護(hù)是以錨桿支

10、護(hù)和噴射混凝土支護(hù)為主要支護(hù)結(jié)構(gòu)的一系列支護(hù)形式的總稱。,6.2.1錨桿支護(hù)作用原理,6.2.1.1懸吊作用原理 1952年路易斯阿帕內(nèi)科(Louis A.panek)等發(fā)表了懸吊理論，懸吊理論認(rèn)為錨桿支護(hù)的作用就是將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)固的巖層上，在預(yù)加張緊力的作用下，每根錨桿承擔(dān)其周圍一定范圍內(nèi)巖體的重量，錨桿的錨固力應(yīng)大于其所覆蓋的巖體的重力。見右圖所示。,錨固力 Q (1.52)W 錨桿工作拉力 Q1=bA 錨桿長度 LKHL1L2 錨桿間排距,6.2.1.2組合梁理論 按材料力學(xué)理論可知，無錨桿時(shí)巷道頂板巖石為疊合梁結(jié)構(gòu)，在受到其上部圍巖的應(yīng)力作用后，各層單獨(dú)變形，層與層之

11、間容易產(chǎn)生滑移從而導(dǎo)致離層；而頂板采用錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿穿過各層狀巖層形成組合梁，共同抵抗圍巖應(yīng)力，故變形較小，從而起到支護(hù)的作用。,6.2.1.3組合拱理論 在沿拱形巷道周邊布置錨桿后，在預(yù)緊錨固力的作用下，每根錨桿都有一定的應(yīng)力作用范圍，只要取合理的錨桿間距，其應(yīng)力作用范圍會相互重迭，從而形成一連續(xù)的擠壓加固帶即厚度較大的組合拱，該加固帶的厚度是普通砌碹支護(hù)厚度的數(shù)倍。故能更為有效地抵抗圍巖應(yīng)力，減少圍巖變形，其支護(hù)效果明顯好于普通砌碹支護(hù)。,6.2.2錨桿的結(jié)構(gòu)類型,6.2.2.1樹脂錨桿 以樹脂為錨固劑，將錨桿桿體粘結(jié)在錨桿孔內(nèi)，外加托板及螺母緊固形成錨桿支護(hù)的一種形式。 1）普通樹脂錨

12、桿 樹脂錨固劑加普通金屬桿體（麻花型錨固端）或以普通螺紋鋼為桿體的錨桿。 2）等強(qiáng)螺紋鋼錨桿 3）玻璃鋼錨桿,6.2.2.2快硬水泥和快硬膨脹水泥錨桿 以快硬水泥或帶有膨脹性的快硬水泥為錨固劑，配以金屬桿體。為端頭錨固型，成本較樹脂錨桿低。但錨固劑質(zhì)量不易控制。目前常用的水泥為快硬早強(qiáng)硅酸鹽水泥和快硬膨脹水泥及雙快水泥等。,6.2.2.3管縫式錨桿 由強(qiáng)度較高的合金鋼板材經(jīng)卷壓加工工藝而形成的開縫式管狀桿體。其直徑一般略大于錨桿孔的孔徑，施工時(shí)用風(fēng)鉆或其它專用機(jī)具強(qiáng)行將錨桿桿體壓入孔內(nèi)，靠管體的彈性擠壓孔壁從而產(chǎn)生全長的錨固力。,6.2.2.4內(nèi)注式注漿錨桿 在不穩(wěn)定巖層中，為了提高破碎巖體的

13、自身強(qiáng)度，將錨桿設(shè)計(jì)成帶有中心孔的管狀桿體，施工時(shí)先將錨桿安裝好（注意在孔口處的堵塞），然后把注漿泵接到錨桿的尾端，將注漿漿液通過錨桿中心孔并通過錨桿中的注漿口注入破碎巖層中使破碎巖體加固，并錨固巖體的一種錨固方式。,6.2.2.5木錨桿和竹錨桿 1）木錨桿 普通木錨桿 壓縮木錨桿 2）竹錨桿 其它錨桿：楔縫式、倒楔式、漲殼式鋼筋砂漿錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿等,6.2.3錨桿支護(hù)參數(shù)的確定,工程類比法 理論計(jì)算法 數(shù)值模擬法 監(jiān)測反饋法,6.2.3.1工程類比法參數(shù)設(shè)計(jì) 直接類比和專家系統(tǒng),6.2.3.2理論計(jì)算法參數(shù)設(shè)計(jì) 主要是利用懸吊理論、冒落拱理論、組合拱理論以及其它各種力學(xué)方法，分析巷道圍

14、巖的應(yīng)力與變形，進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，給出錨桿支護(hù)參數(shù)的解析值。 1）按懸吊理論設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù) (1)錨桿長度LL1HL2 (2)錨桿桿體直徑 (3)錨桿間排距,2）按擠壓加固拱理論計(jì)算錨桿參數(shù) 錨桿長度與錨桿間距的關(guān)系 若錨桿的控制角按45考慮的話則 如果按常用錨桿的長度L18002200和a為600800計(jì)，則加固拱的厚度將為12001400，相當(dāng)于34層混凝土碹的厚度。所以，一般情況下錨桿的長度應(yīng)大于兩倍的錨桿間距。,6.2.4錨桿支護(hù)施工,施工機(jī)具：錨桿鉆機(jī)、風(fēng)鉆、煤電鉆（煤層中）錨桿安裝器等。 安裝質(zhì)量：包括錨桿間排距、錨桿的角度、錨固質(zhì)量與錨固力。,6.3噴射混凝土支護(hù),6.3.1概

15、述 噴射砼支護(hù)是以壓縮空氣為動力，用噴射機(jī)將細(xì)骨料砼以噴射的方式覆蓋到需要維護(hù)的巖面上，凝結(jié)硬化后形成的砼結(jié)構(gòu)的支護(hù)方式。,6.3.2噴射砼的支護(hù)原理,1）加固與防止風(fēng)化作用 2）改善圍巖應(yīng)力狀態(tài) 3）柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)作用 4）組合拱作用,6.3.3噴射砼材料,水泥為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號不低于32.5，細(xì)骨料采用中砂或粗砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2.5，粗骨料以碎石較好，粒徑一般不大于15mm，水灰比0.40.5。為使混凝土迅速凝結(jié)硬化，需在噴射砼中添加速凝劑，但摻量一般不超過5%，且要求凝結(jié)時(shí)間初凝不應(yīng)大于5min，終凝時(shí)間不大于10min。 一般還應(yīng)加入減水劑，,6.3.4噴射混凝土主要性

16、能指標(biāo),1）噴射混凝土抗壓強(qiáng)度1520MPa 2）粘結(jié)強(qiáng)度 3）噴層厚度,6.3.5 噴射混凝土施工,6.3.5.1噴射混凝土施工工藝流程,6.3.5.2噴射混凝土的主要工藝參數(shù) 1）工作風(fēng)壓出口處為0.1MPa所以工作風(fēng)壓為0.10.001輸料管長度（m） 2）水壓比風(fēng)壓大0.1MPa 3）水灰比0.40.45 4）噴頭與受噴面的距離及角度0.81.2m，垂直于巖面噴射，減少回彈。 5）一次噴射厚度頂部3060mm，幫50100mm。 6）分次噴射的間隔時(shí)間,6.3.5.3噴射混凝土機(jī)具 1）混凝土噴射機(jī)轉(zhuǎn)子型 2）配套機(jī)械 6.3.5.4噴射操作 噴射前安全檢查， 操作的順序：開機(jī)時(shí)：風(fēng)水

17、電 噴完后：電水風(fēng) 噴射方式：圓形或橢圓形螺旋噴射 為使干料與水很好的結(jié)合，應(yīng)在噴頭處設(shè)置雙水環(huán)異徑葫蘆管。,6.4聯(lián)合支護(hù),由于不同的地區(qū)巖層條件各不相同，單純的錨桿支護(hù)或單純的噴射混凝土支護(hù)不能滿足巷道穩(wěn)定及安全的需要，因此在錨桿和噴射混凝土支護(hù)的基礎(chǔ)上形成了一系列的支護(hù)形式，由錨桿、噴射混凝土、金屬網(wǎng)、鋼帶、鋼筋梯等組合而成的各種聯(lián)合支護(hù)形式。,6.4.1錨噴支護(hù) 6.4.2錨網(wǎng)支護(hù) 錨網(wǎng)支護(hù) 錨帶網(wǎng)支護(hù) 6.4.3錨桿桁架支護(hù) 6.4.4錨注支護(hù),6.4.5預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù) 錨索的作用 材料及結(jié)構(gòu)：鋼絞線、鎖具、錨固劑 鋼絞線：15.24mm，17.28mm 鎖具： 錨固劑：樹脂錨固劑

18、錨索結(jié)構(gòu)：三部分內(nèi)錨段、自由段、外錨段 施工工藝：地面準(zhǔn)備、鉆孔、錨固、張拉,6.5其他支護(hù)技術(shù),6.5.1木支護(hù) 主要用于梯形巷道，是以前順槽有切眼的主要支護(hù)方式。由棚腿、頂梁和背板組成 適用條件：地壓不大，巷道服務(wù)年限不長、斷面較小的采區(qū)巷道中，也可用于永久巷道施工時(shí)的臨時(shí)支護(hù)。 優(yōu)缺點(diǎn)：具有一定的強(qiáng)度，重量輕、加工容易、適應(yīng)性強(qiáng)、破壞時(shí)有一定的過程，可盡早發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理。但強(qiáng)度相對較低，不防火，容易腐朽，服務(wù)年限短，不能阻止和防止圍巖風(fēng)化，特別是木材消耗量較大。,6.5.2金屬支架,特點(diǎn)：與木支架相比，具有耐腐蝕，強(qiáng)度高可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)。 6.5.2.1梯形金屬支架 一般是1620號工字鋼或礦用工字鋼，由棚腿、頂梁和木背板組成，通常用于回采巷道中，經(jīng)修整后可多次復(fù)用。,6.5.2.2拱形可縮性金屬支架 由礦用特殊型鋼U型鋼制作，每架一般由三段U型鋼構(gòu)成，兩段之間搭接300400mm，通過卡箍固定。為防止傾倒，架與架之間通過金屬拉桿連接。當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，重合段之間可產(chǎn)生相對移動，而產(chǎn)生一定的變形，從而釋放圍巖的應(yīng)力。適用于地壓大圍巖變形量大而斷面不太