巷道維護(hù)原理和支護(hù)技術(shù)

第八章巷道維護(hù)原理和支護(hù)技術(shù)無(wú)煤柱護(hù)巷巷道圍巖卸壓巷道金屬支架（略講）巷道錨桿支護(hù)軟巖巷道圍巖變形規(guī)律及其支護(hù)技術(shù)錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)（略講）一、“支架—圍巖”相互作用原理支架——圍巖構(gòu)成統(tǒng)一的力學(xué)體系，二者之間有相互作用，而二者合之又共同承載。1、支架—圍巖相互作用的基本狀態(tài)：

給定載荷狀態(tài)——支架僅承受其自重作用，與母體巖層的移動(dòng)變形無(wú)關(guān)。給定變形狀態(tài)——支架阻力與圍巖移動(dòng)性質(zhì)、支架特性有關(guān)。

當(dāng)支架變形特性與圍巖變形不相適應(yīng)時(shí)，則可承受更高的載荷，支架被破壞?！?.3巷道金屬支架給定載荷——圍巖與母體巖層脫離，不受母體巖層移動(dòng)影響，支架僅承受固定載荷作用。

（支架載荷不大，且基本固定）定變形——圍巖受母體巖層移動(dòng)影響，并將母體巖層移動(dòng)變形傳遞給支架，支架受載與巖層變形特征有關(guān)。

（支架載荷較大，與圍巖變形正比）§8.3巷道金屬支架3、“支架—圍巖”相互作用原理：

由芬納位移公式可得右側(cè)曲線由曲線有：

支撐力↑

→位移量↓

支撐力↓

→位移量↑

支撐力不可能完全限制圍巖的位移；支撐力小到一定程度，圍巖變形急劇增大，甚至破壞；不同特性支架、支護(hù)時(shí)間不同，支架承受載荷不同；合理支撐力應(yīng)在曲線拐點(diǎn)附近?！?.3巷道金屬支架4、“支架—圍巖”相互作用原理的應(yīng)用：

1）二次支護(hù)（新奧法）——讓壓支護(hù)

2）柔性支護(hù)——允許產(chǎn)生一定變形。讓壓支護(hù)

3）主動(dòng)支護(hù)——加大圍壓，提高圍巖強(qiáng)度?？箟褐ёo(hù)抗壓讓壓躲壓移壓§8.3巷道金屬支架二、巷道支護(hù)原則：

支護(hù)特點(diǎn)：臨時(shí)性、可變形。支護(hù)要求：確保安全，維護(hù)最小允許斷面。

基本支護(hù)類型：

（1）木支護(hù)：梯形（對(duì)棚或密集等）

（2）金屬支架：工字鋼梯形支架平頂可縮金屬支架拱形可縮性金屬支架棚間距0.5～0.7m。（3）錨桿支護(hù)：§8.3巷道金屬支架三、巷道金屬支架支護(hù)：

1、U型鋼可縮性支架：（拱可縮）

U型鋼型號(hào)：U18、U25、U29、U36（kg/m）

1）基本結(jié)構(gòu)類型：§8.3巷道金屬支架2）支架連接件：（螺栓連接件，楔式連接件）

上限位連接件中間連接件下位連接件連接件=鎖緊構(gòu)件+摩擦機(jī)構(gòu)螺栓連接件：強(qiáng)度高、剛性大、可縮性好、工作阻力穩(wěn)定、型鋼滑移平穩(wěn)?！?.3巷道金屬支架2、礦用工字鋼支架：

剛性特性，可縮量小，適用于圍巖穩(wěn)定條件。通過(guò)增加接榫木墊、棚腿插入底板（墊柱鞋）等措施可以增加適量可縮量。

現(xiàn)場(chǎng)以梯形支架為主，拱型有如下類型：

拱頂斜腿拱頂直腿錨噴加強(qiáng)拱頂§8.3巷道金屬支架一、錨桿種類與錨固力：

錨桿分類錨固力機(jī)械錨固式——賬殼式、倒楔式、楔縫式；粘結(jié)錨固式——樹(shù)脂、快硬水泥、水泥沙漿；摩擦錨固式——縫管式、水脹式管狀錨桿。托錨力——安裝時(shí)，拖板與錨桿的預(yù)緊力；粘錨力——粘結(jié)摩擦力與錨桿軸力；切向錨固力——限制巖塊沿弱面滑動(dòng)的力。初錨力、工作錨固力、殘余錨固力§8.4巷道錨桿支護(hù)二、錨桿支護(hù)原理從支護(hù)機(jī)理上看：錨桿支護(hù)屬于“主動(dòng)”支護(hù)，可以充分利用圍巖的自承能力，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，將載荷體變?yōu)槌休d體。在相同生產(chǎn)地質(zhì)條件下，錨桿支護(hù)的巷道圍巖變形量比棚式支護(hù)減少一半以上。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上對(duì)比：錨桿支護(hù)可以節(jié)約大量鋼材，減少材料運(yùn)輸工作量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善作業(yè)環(huán)境；保持采煤工作面上下兩道和開(kāi)切眼的暢通，為回采工作面快速推進(jìn)和高產(chǎn)高效低成本生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件；錨桿支護(hù)巷道施工簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度高，可大幅度降低巷道支護(hù)成本，提高掘進(jìn)速度和生產(chǎn)效率§8.4巷道錨桿支護(hù)二、錨桿支護(hù)原理：

1、懸吊原理

2、組合梁原理

3、壓縮拱原理

4、最大水平應(yīng)力原理

5、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論1、懸吊原理§8.4巷道錨桿支護(hù)1、懸吊原理機(jī)理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來(lái)自被懸吊的巖層重量。缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開(kāi)?！?.4巷道錨桿支護(hù)2、組合梁原理§8.4巷道錨桿支護(hù)2、組合梁原理機(jī)理：將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊，增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動(dòng)，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提高其自撐能力。將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層鎖緊成一個(gè)較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內(nèi)的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。缺點(diǎn)：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開(kāi)；隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時(shí)，組合梁也就不存在了?！?.4巷道錨桿支護(hù)3、壓縮拱原理§8.4巷道錨桿支護(hù)3、壓縮拱原理機(jī)理：在破裂區(qū)中安裝預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個(gè)承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，其圍巖強(qiáng)度得到提高，支撐能力也相應(yīng)加大。缺點(diǎn)：一般不能作為準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì)?！?.4巷道錨桿支護(hù)4、最大水平應(yīng)力理論§8.4巷道錨桿支護(hù)4、最大水平應(yīng)力理論機(jī)理：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。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(cuò)動(dòng)與松動(dòng)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(cuò)動(dòng)。缺點(diǎn)：直觀性較差。§8.4巷道錨桿支護(hù)5、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論理論要點(diǎn)錨桿和錨固區(qū)域圍巖體形成統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)錨桿支護(hù)可以提高錨固體的力學(xué)性質(zhì)提高殘余強(qiáng)度值改變圍巖的受力狀態(tài),提高承載能力減少破碎區(qū)松動(dòng)區(qū)范圍§8.4巷道錨桿支護(hù)等強(qiáng)螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿金屬桿體（高強(qiáng)度錨桿）高壓注漿錨桿§8.4巷道錨桿支護(hù)MG系列漲殼式預(yù)應(yīng)力注漿錨桿§8.4巷道錨桿支護(hù)§8.4巷道錨桿支護(hù)三、錨桿的類別1、機(jī)械式錨桿

機(jī)械式錨桿是使用最早、結(jié)構(gòu)多樣、數(shù)量較大的錨桿主要類型。機(jī)械式錨桿的錨固機(jī)構(gòu)本身是一個(gè)統(tǒng)一體，在安裝錨桿時(shí)，錨固機(jī)構(gòu)主要通過(guò)一個(gè)楔子系統(tǒng)在鉆孔中進(jìn)行軸向或徑向相互錯(cuò)動(dòng)而張緊在鉆孔壁上。錨固機(jī)構(gòu)通過(guò)摩擦連接將錨固力大多傳遞給巖層。機(jī)械式錨桿在安裝時(shí)，大多都產(chǎn)生預(yù)緊力。有時(shí)，甚至錨固機(jī)構(gòu)必須直接依靠預(yù)緊力來(lái)固定。

機(jī)械式錨桿的優(yōu)點(diǎn)：安裝迅速，可即時(shí)達(dá)到承載力，可二次張緊，某些結(jié)構(gòu)的錨桿還可以回收。其缺點(diǎn)是，鉆孔中的錨固段較短，在高應(yīng)力區(qū)容易導(dǎo)致巖層破壞和錨固區(qū)松動(dòng)；因此，它主要用于強(qiáng)度較高的巖層?！?.4巷道錨桿支護(hù)2、管縫式錨桿

管縫式錨桿的桿體，由高強(qiáng)度、高彈性鋼管或薄鋼板卷成。沿管全長(zhǎng)有一條開(kāi)縫，管的上端是錐體，在管的下端焊有一個(gè)用鋼筋制成的圓環(huán)。桿體壁厚為2～4mm、直徑多為35～45mm（要求比鉆孔直徑大2～5mm），長(zhǎng)度可據(jù)需要加工，一般為1.60～2.0M；開(kāi)縫寬度一般10～15mm為。當(dāng)桿體被外力強(qiáng)壓入鉆孔后，開(kāi)縫管被迫壓縮，與孔壁之間產(chǎn)生徑向擠壓應(yīng)力，使桿體牢固的脹撐在鉆孔內(nèi)；桿體與孔壁間的摩擦力，便成為錨固力，并且是沿桿體全長(zhǎng)分布的。管縫式錨桿優(yōu)點(diǎn)：具有錨固可靠、安裝方便且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作；即可實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固、又有較大預(yù)應(yīng)力和滑移讓壓特性?！?.4巷道錨桿支護(hù)3、粘結(jié)式錨桿

粘結(jié)式錨桿是通過(guò)粘結(jié)劑來(lái)取代錨固機(jī)構(gòu)。粘結(jié)劑注入鉆孔內(nèi)，凝固后可將桿體粘固在鉆孔中。錨桿錨固力向巖層的傳遞，主要是通過(guò)粘結(jié)的形式，而不是向鉆孔壁通過(guò)機(jī)械或摩擦脹固等施加的擠壓力。粘結(jié)式錨桿的優(yōu)點(diǎn)：它能在較深的鉆孔中顯示出很好的粘著力，而且可以不可壓縮的傳遞很大的力。由于它在錨固巖層時(shí)，并不產(chǎn)生特別的接觸壓力，所以對(duì)巖層強(qiáng)度無(wú)特殊要求，從而也可在松散巖層中成功的使用。4、錨固劑我國(guó)煤礦中主要使用的錨固劑是樹(shù)脂快硬水泥§8.4巷道錨桿支護(hù)Ｗ鋼帶主要使用在頂板。在巷道兩幫煤體較破碎、松軟時(shí)可使用鋼筋梯子梁護(hù)幫。鋼筋梯子梁也使用在頂板?！?.4巷道錨桿支護(hù)5、托梁6、護(hù)網(wǎng)網(wǎng)的作用主要是維護(hù)錨桿間比較破碎的巖石，防止小巖塊掉落，同時(shí)對(duì)提高錨桿支護(hù)的整體效果也有一定的作用。網(wǎng)可分為金屬網(wǎng)和非金屬網(wǎng)?！?.4巷道錨桿支護(hù)四、組合錨桿支護(hù)：

1、錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)：

錨桿+托梁（鋼帶）+金屬網(wǎng)2、桁架錨桿支護(hù)

錨桿+拉桿+拉緊器+墊塊§8.4巷道錨桿支護(hù)

桁架錨桿在頂板內(nèi)會(huì)形成水平和鉛直方向擠壓力，使頂板的中性軸下移，增強(qiáng)頂板抗彎能力，提高其整體性?！?.4巷道錨桿支護(hù)五、預(yù)應(yīng)力錨索：

1、類型脹殼式鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索沙漿粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索2、小口徑預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)：錨索比錨桿長(zhǎng)，可錨入深部較穩(wěn)定的巖層中?！?.4巷道錨桿支護(hù)六、錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：

由地質(zhì)調(diào)查、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、信息反饋等相互制約影響，綜合完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括：

1）地質(zhì)力學(xué)評(píng)估圍巖應(yīng)力及巖體強(qiáng)度；

2）初始設(shè)計(jì)，并對(duì)選定方案進(jìn)行穩(wěn)定性分析；

3）施工；

4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)（錨桿受力、深部圍巖移動(dòng)）

5）信息反饋與修改完善；

6）重復(fù)進(jìn)行上述步驟，直至滿意為止。

§8.4巷道錨桿支護(hù)1、按懸吊原則確定錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

錨桿長(zhǎng)度：其中：－外露端長(zhǎng)度約0.15m

－有效支護(hù)長(zhǎng)度－固定端長(zhǎng)度（0.3－0.4m）的確定：頂板一定范圍堅(jiān)固穩(wěn)定巖層位置容易確定時(shí)，L2>被懸吊巖層厚

確定巷道頂板松動(dòng)圈的長(zhǎng)度§8.4巷道錨桿支護(hù)2、按組合梁理論計(jì)算錨桿支護(hù)參數(shù)： 適于層狀完整巖體，平頂巷道頂板一定范圍不存在堅(jiān)固穩(wěn)定巖層時(shí)，此時(shí)錨桿作用是夾緊力增大巖層間摩擦力，避免層間滑動(dòng)、離層、冒落。1）有效長(zhǎng)度的確定：按最下一層巖石外表面抗拉強(qiáng)度