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1、辽宁工程技术大学 采矿通论课程,第7章 巷道支护,本章主要内容,第7章 巷道支护 第一节 巷道围岩压力的概念 第二节 巷道支护及其材料,第一节 巷道围岩压力的概念,在矿山压力的作用下，会引起各种力学现象，如顶板下沉，底板臌起，巷道变形后断面缩小，岩体破坏散离甚至大面积冒落，煤被压松产生片邦或突然抛出，支架严重变形或损坏，充填物被压缩，以及大量岩层移动地表塌陷等等。这些由于矿山压力作用，使围岩、煤体和各种人工支护物产生的种种力学现象，统称为“矿山压力显现”。,第一节 巷道围岩压力的概念,一、巷道围岩压力 地下岩体在开挖以前，由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态。 当开掘巷道或进行回采工作时，
2、破坏了原来的应力平衡状态，就会引起岩体内部应力的重新分布。 表现为巷硐周围煤、岩体产生移动、变形甚至破坏，直到煤、岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止。 在此过程中，巷道本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用。这种由于围岩变形受阻而作用于支架结构物上的挤压力或塌落岩石的重力统称为“巷道围岩压力”。 它主要由松动围岩压力、变形围岩压力、膨胀围岩压力及撞击围岩压力组成。,松动围岩压力：由于巷道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力。 变形围岩压力：之护体控制围岩变形发展时，围岩位移挤压支架而产生的压力。 围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力，称为膨胀压力。,膨胀
3、压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的。从现象上看，属于变形压力范畴，但两者的变形机制截然不同，前者是指与水发生物理化学反应，后者主要是围岩应力与结构效应。 撞击围岩压力：指围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来所产生的压力。,巷道矿压显现规律巷道的围岩应力：1、巷道围岩应力：,弹性变形应力分布,式中，r径向应力，切向应力，p0原岩应力，r径向坐标，a巷道半径。从上式中可以看出，围岩中径向应力小于原岩应力，而切向应力则因发生应力集中而大于原岩应力。,巷道矿压显现规律巷道的围岩应力：1、巷道围岩应力：,塑性变形应力分布,二、影响巷道围岩压力的地质因素 影响围岩压力的因素很多，通常
4、可分为地质、开采和支护等类，影响围岩压力的地质因素有：原岩应力状态、围岩力学性质及岩体结构等。 (1)原岩应力状态 原岩应力是引起围岩变形、破坏的基本作用力。原岩应力随开采深度的增加而增长。所以，随采深的增加，巷道围岩压力会明显增长。原岩体中主应力的大小和方向不同，对巷道的影响作用不同，也直接影响到围岩压力。 (2)围岩力学性质 围岩力学性质是指它的强度(包括抗压、抗拉、抗剪等各种强度和粘聚力c、内摩擦角等值)和变形性质及其它力学属性。不言而喻，强度小的岩体，围岩压力必然大，反之亦然。C、值大的岩体，其围岩压力小，反之亦然。其中的影响要较c大。岩体的变形性质是指它的弹性、塑性和粘性。岩体的塑性
5、变形和粘性流动是影响围岩压力大小的重要因素，许多围岩压力较大的巷道，常常是由它引起的。,第一节 巷道围岩压力的概念,(3)岩体结构 当结构面强度远小于结构体强度时，结构对围岩压力的影响极大。通常岩体破坏首先从弱面开始，这是围岩压力在节理和层理等弱面发育区、破坏带、断层和褶皱区显现强烈的重要原因。由于层状岩体具有定向弱面，所以层状岩体的走向和倾角也与围岩压力密切相关。如果岩层走向与巷道轴向平行或夹角很小，则岩体结构容易与巷道轴线形成不稳定的松动体，因而围岩压力大。水平岩层沿巷道侧帮的稳定性较好，因而帮压较小，而顶压较大。 (4)膨胀压力的影响因素 影响膨胀压力的因素主要有岩石的组成与胶结状态，物
6、理化学性质，围岩中水分的补给状况，水与岩石的接触条件，支护和充填层的可塑性等。,第一节 巷道围岩压力的概念,三、巷道矿压控制原理 巷道中的矿压显现是客观的自然现象，除了一些特殊情况外，在采掘过程中企图完全消除这种现象是不可能的。然而在掌握巷道矿压显现规律的基础上，以岩石力学理论为指导，有可能在不同程度上减轻矿压显现对巷道的危害，从而达到安全生产和取得较好技术经济效果的目的，这是巷道矿压控制的基本任务。,第一节 巷道围岩压力的概念,巷道矿压控制的三类方法及途径： 第一类：巷道保护 第二类：巷道支护 第三类：巷道维护（维修） 目前所采用的各种矿压控制方法，从其对付矿压的原理来看不外“抗压”、“让压
7、”、“躲压”、“移压”等几种 。,巷道矿压控制基本原理及途径,第二节 巷道支护及其材料,传统的巷道支护有木支护、料石及混凝土砌碹、矿工钢支护、U型钢支护。目前，广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护。一、木材支架 二、料石和混凝土砌碹 三、金属支架 四、锚杆支护 五、喷射混凝土支护 六、锚喷支护 七、金属网锚杆支护,支护形式及支护材料的选择取决于巷道围岩性质、压力大小、巷道的服务年限、用途及巷道的断面形状等因素。 传统的巷道支护有木支护、料石及混凝土砌碹、矿工钢支护、U型钢支护。目前，广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护。一、木材支架 木支架常用的结构主要是梯形棚子，棚子间距通常在0.51.
8、0m之间，在少数坚硬的巷道中，也常采用带帽点柱。 二、料石和混凝土砌碹 石材支护是以天然石材及人工石材为主要原料，并以水泥砂浆胶结而成的支护。它和混凝土砌碹支护，主要用在服务时间较长，且地压较大的井筒及主要巷道中作为永久支护。 三、金属支架 ： 承载能力大，可多次复用，储运方便，安装容易及迅速等优点 。,天然石材是从花岗岩、正长岩、玄武岩、石灰岩、砂岩等经加工而成的石料，通常称为料石。其外形尺寸大致为长250300mm，宽200250mm，厚150200mm，重2040kg。其使用寿命可达2030a。我国竖井井筒中使用较广。 混凝土是由水泥、砂子和碎石按一定比例混合加水制成的，常用的按体积的比
9、例为水泥：砂子：碎石=l：2：4到l：2：6。水泥加水把砂子和碎石胶结在一起，成为坚固的整体。,料石支护的基本形状,三、金属支架优点是具有承载能力大，可多次复用，储运方便，安装容易及迅速等优点，是采准巷道中使用时间最长的一种支护形式，采区巷道中常用的有以下几种。矿用工字钢刚性支架微拱形刚性金属支架 微拱形刚性金属支架是矿工钢梯形支架的一种改进形式，当巷道顶压较大时，为了提高顶梁的承载能力，将平梁改为弧形顶梁，梁腿交接处使用工字形铸钢接榫。矿用工字钢梯形可缩性支架国内研制单位很多，类型可分为三类：螺栓连接式、楔紧连接式和插底式。平顶型可缩金属支架的加工制造容易，巷道掘进无需挑顶，有利于保持顶板完
10、整性，其断面利用率比拱形支架高，支架的安装和回收较方便，可简化巷道与工作面连接处的支护工艺，且工字钢来源较广，支护费用较U型钢低，在某些条件下取得了较好的技术经济效果，故在采准巷道中仍有一定的推广应用价值。, U型钢拱形可缩性支架一般由顶梁、柱腿、连接件、架间拉杆、背衬材料等5部分组成，按支架节数分为三节、四节、五节，一般讲，巷道断面较小、侧压不大时用三节，断面较大、侧压较大或围岩条件和外载变化较大时用四节，断面较大时用5节。按柱腿曲直情况分为直腿式和曲腿式两种；按拱的形状分为三心拱和半圆拱两类。结构比较简单、承载能力较矿工钢大、可缩性能较好、可用于大断面等优点，但其使用的技术难度较大，初期投
11、资高，此外支架的运输、架设和回收不便，变形后修复困难，复用率低，每架成本比梯形工字钢支架高约1/2。一般只应在原来已使用拱形支架经验和技术基础较好的大中型矿井中应用。 U型钢梯形可缩性支架由垂直可缩、水平可缩、双向可缩三种，其原理基本相同。 U型钢梯形可缩性金属支架在围岩中等稳定、巷道断面和围岩压力不太大的情况下有其一定的优越性。,锚杆支护作用原理,1)悬吊作用悬吊作用是指用锚杆将软弱的直接顶板吊挂于其上的坚固老顶上，或者是用锚杆将因巷道开挖而引起松动的岩块连结在松动区外的完整坚固岩体上，使松动岩块不致冒落。,四、锚杆支护,2)组合梁作用组合梁作用是指将层状岩体各层间用锚杆连结并紧固，锚杆把数
12、层薄的岩层合成类似铆钉加固的组合梁，提高了岩层的整体抗弯能力。在相同载荷作用下，组合后的组合梁比未组合的板梁的挠度和内应力都大为减少。,3)挤压加固拱作用,安装预应力的锚杆后，在弹性体内便形成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。因此，如若将锚杆沿拱形巷道周边按一定间距径向排列，在预应力作用下，每根锚杆周围形成的锥形体压缩区彼此重叠联接，便在围岩中形成一个厚度为b的均匀连续压缩带，它不仅能保持自身约稳定，而且能承受地压，阻止上部围岩的松动和变形，这就是挤压加固拱。,挤压加固拱的力学特征:锚杆预应力的作用，一方面在锥形体压缩区内产生压应力，增加节理裂隙面或岩块间的摩阻力，防止岩块的转动和滑移，这意
13、味着增大了岩体的粘结力，提高了破碎岩体的强度；另一方面，锚杆通过锚头和垫板对围岩产生的压应力，改善了围岩的应力状态，使压缩带内的岩石处于三向受力状态，从而使岩体强度得到提高。 4）围岩补强作用 5）减小跨度作用,四、锚杆支护锚杆支护是锚固在煤、岩体内维护围岩稳定的杆状结构物，是一种主动支护形式，与被动支护相比，具有支护工艺简单，支护效果好，支护成本低、施工方便等优点。 锚杆种类繁多，按锚固方式可分为三大类：粘结式、机械式、摩擦式；按锚固长度可分为：全长锚固、端部锚固、加长锚固。按锚杆的工作特性可分为可拉伸锚杆与不可拉伸锚杆；按锚杆强度的大小可分为普通锚杆、高强锚杆、超高强锚杆。1.普通圆钢粘结
14、式锚杆2.可拉伸锚杆3高强度和超高强度锚杆4管缝式锚杆5可切割锚杆和可回收锚杆6桁架锚杆7组合锚杆,1.普通圆钢粘结式锚杆普通圆钢(Q235钢材)粘结式锚杆是目前应用较为广泛，根据粘结剂不同，可为树脂药卷锚固和水泥药卷锚固，其锚固方式主要为端头锚固。树脂药卷锚固锚杆由树脂胶囊、杆体、托盘和螺母等组成，为保证树脂与锚头的锚固强度，根据所需要的锚固长度将锚固端拧成反麻花状，并设置挡圈，以防止树脂锚固剂由孔内流出而影响锚固强度：树脂药卷锚固锚杆具有锚固效果好，可靠性高、使用方便、适用范围广等优点，锚杆的锚固力主要由锚杆的直径、材质确定，与高强度锚杆相比，锚杆的锚固力较低。 2可拉伸锚杆可拉伸锚杆按其
15、基本原理可分为锚杆杆体可延伸和锚杆结构元件滑动可延伸两大类。(1)杆体可延伸锚杆杆体可延伸锚杆的工作阻力是由杆体材质的力学特性决定的，锚杆的延伸量则是依靠杆体材质较大的延伸率提供的。,（2）结构元件滑动可延伸锚杆结构元件滑动可延伸锚杆的典型形式有滑动摩擦式、结构剪切滑动式、结构挤压滑动式。教材图74和图75是两种典型的杆体可延伸锚杆。,3高强度和超高强度锚杆长期以来，普通圆钢端锚锚杆是我国锚杆支护的主要形式，由于材料的屈服强度较低，限制了锚杆支护的大面积推广，为了提高锚杆支护的可靠性，近几年大力发展了高强度、超高强度锚杆。 锚杆的强度主要是由锚杆的材质、直径及有关附件确定，按照钢材屈服强度s可
16、将锚杆分为三类：s340MPa，为普通锚杆；340 MPas600MPa，为高强度锚杆; s600MPa，为超高强度锚杆。(1)高强度螺纹钢锚杆高强度锚杆是用高强度螺纹钢制成，既可用于全长锚固也可用于端头锚固。对于全长树脂锚固的螺纹钢锚杆，主要由杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂药卷组成。,螺纹钢锚杆、托盘和螺栓,(2)超高强度螺纹钢锚杆超高强度螺纹钢锚杆是将整根普通螺纹钢锚杆(包括杆体和锚尾)通过合理的工艺方式和工艺参数进行整体强化热处理而制成的。超高强度螺纹钢锚杆的屈服强度可达703MPa，极限强度可达811 MPa，延伸率可达21o强化热处理的方式有两种：常规加热和感应加热。常规加热效率低、电耗高、成本高，感应加热可以大幅度降低能耗、提高生产效率，而且可以改善超高强度锚杆的力学性能。通过锚尾强化热处理而形成的高强度和超高强度锚杆，其热处理成本仅比不采用热处理的同材料锚杆增加12元根。使用高强度锚杆全长锚固不仅可以大大降低巷道的变形量，保证巷道安全可靠。而且可以适当增大锚杆的间排距，从而提高巷道掘进速度，降低支护成本。,
