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1、井巷工程,主讲：李俊平 2011年6月,第八章 支护工程,8.2.1木材矿井支护的木材，称为坑木。有松木、杉木、桦木、榆木和柞木，松木用的最多。木支柱轴向长度远大于直径，应按纵向弯曲考虑其稳定性。木支柱的直径d与长度l应满足关系：d=(1.1 1.25)l1/2，单位都是 cm。湿度10%的木材强度最大；水分每增加1%，抗弯强度降低4%。当含水达40%时，木材抗弯强度比空气中干燥木材降低1/2。 木支柱的缺点：由于性能不好，损耗量大；影响回采过程实现机械化。优点：压断和折断时有声响，便于预测顶板来压。,8-2 支护材料,8.2.2金属材料优点：强度大，可支撑较大地压；使用期长，可多次复用；安装
2、容易；耐火性强；可以制成可缩性材料。缺点：初期投资大。常用的金属材料：工字钢、角钢、槽钢、轻便钢轨、矿用工字钢、矿用特殊型钢等,8-2 支护材料,厚煤层地下开采,金属支护,8.2.3水泥水硬性胶凝材料，除能在空气中硬化和保持强度外，还能在水中硬化，并长期保持和继续增加其强度。多单独用于裂隙灌浆，或者与砂、石混合使用。目前灌浆还有水玻璃、树脂等其他化学材料。,8-2 支护材料,8.2.4锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状结构物。与其他支护材料相比，优点：支护工艺简单、效果好、材料消耗和支护成本低、运输和施工方便。 按粘结方式分粘结式、机械式、摩擦式3类；按杆体的工作特性可分为刚性锚杆、可延伸锚
3、杆两类；按强度，可分为普通锚杆、高强锚杆两类。,8-2 支护材料,8.2.5混凝土由水、砂、石和水组成。其中砂、石为骨料，约占混凝土总体积的70-80%。优点：抗压强度大、耐久、防火、阻水、可灌浆成任意形状的构建。缺点：抗拉强度低、受拉时变形能力小、容易开裂、自重大。新拌混凝土应具有适于施工的和易性或工作性，以获良好的浇灌质量。,8-2 支护材料,（一 ）离壁式支护的力学作用,特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触或部分面接触。1、被动承受围岩压力。,2、支护及时时，围岩变形还未达到极限的情况下，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力(变形压力)，
4、未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重压力（松脱压力）。3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只承受松脱压力。,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,普通支护的选材选型 1）普通支护的选材选型应根据地压和断面大小，结合材料的受力特点，做到物尽其用。如：直边形断面的构件承受的弯矩大，因此常常采用型钢材料、木材或预制钢筋砼构件。 2）从前到后承受顶压的能力由小到大的顺序排：列直墙三心拱、半圆拱、圆弧拱、抛物线拱,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,支护设计弹性抗力的大小q与其位移u成正比关系：q=-ku ，比例系数k，称为围岩抗力系数或弹性抗力系数。 可缩性支护 当压
5、力P到达一定限度时，超过了构件之间的摩擦阻力而发生滑动，或者启动液压缸中的回油阀而使活塞杆在一定压力下动作； 当压力P到达一定限度时，支护的局部构件进入塑性或破坏状态，从而引起支护整体产生较大的位移，如金属支架构件或砖块之间设置的木铰或木块被压扁，或者木垛的接触点被压酥等； 当压力P到达一定限度时，引起多铰型支架构件发生绕着接点的转动，从而使支架形成整体可缩。,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,液压支柱 安全阀开启,U型可缩 钢支架,木棚子支护,U型可缩钢支架 卡具震坏,U型可缩钢支架 折断,液压支架,摩擦支柱淘汰,切顶支柱 煤矿顶板管理,液压支柱 顶折断,离壁支护举例,（二）喷锚支护
6、的力学作用,特点：喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围岩的自承能力达到维护巷道的目的。只有U型钢用钢量的1/121/15 锚杆类型：,1）加固围岩；2）改善围岩的应力状态。,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,(c)开缝式摩擦锚杆,托板,与螺帽合一自 锁式球面垫圈,缓凝树脂,接杆套,速凝树脂,安装时转动杆体混 合树脂与硬化剂,(d) 树脂锚杆,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,锚杆作用机理,悬吊作用,组合梁作用,挤压加固作用,预先加固硐室,T=t,防滑作用,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,锚
7、杆受力分析 1）端部锚固式锚杆,锚杆的受力状态如图所示。设锚杆预拉力为Q，岩体变形所产生的拉力为Q， 则锚杆的拉应力为：,式中：d为锚杆的直径。,Q为锚杆所需的最小锚固力，由拉拔试验确定。,2,2,4,),(,4,d,Q,Q,Q,d,.,=,+,.,=,p,p,s,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,2)全长锚固式锚杆,锚杆的受力状态如图所示。锚杆设计必须满足下式：,式中,d为锚杆的直径；t为锚杆材料抗拉强度； Q为锚杆变形或移动所产生的最大拉力，即最小锚固力，由拉拔试验确定；为粘结材料与锚杆和孔壁之间的粘结强度。,(a)锚杆受力状态 (b)锚杆中拉应力分布,8-3 支护材料的力学作用及
8、支护设计原理,在全长锚固和钻孔直径一定时锚杆直径由14mm加大到22mm后，锚固力提高了147%，但是成本仅增加13%。因此，适当加大杆体直径在技术和经济上十分有利；为了使锚杆获得最大锚固力，并且能够顺利安装，当使用无纵筋左旋螺纹钢锚杆时钻孔直径与锚杆直径之差应在410mm，最佳值为56mm；当使用带纵筋螺纹钢筋锚杆时钻孔直径与锚杆直径之差应在612mm之间，最佳值为78mm；采用“三径” (钻孔、锚杆、凝固药卷直径)合理匹配后，可以大大提高锚杆的锚固力，改善锚杆对围岩的支护效果；全长锚固与端头锚固比：锚杆及围岩受力状态好，实际锚固力大，对围岩有一定抗剪切能力，有效地提高了锚杆支护系统的刚度。
9、,几点研究结论：,喷锚联合支护的力学作用,（1）开挖后，在巷道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。 （2）锚杆的挤压加固与围岩变形协调，进一步加固围岩，提高其整体承压能力。喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能等优点。,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,考虑整体作用的锚杆设计根据试验结果，锚杆长度l与锚杆间距a（取等间距布置）之比分别为3，2和1.33时，拱形压缩带t与锚
10、杆长度l之比相应为23，13和110。设在外荷载P作用下引起均匀压缩带内切向主应力为1，并假定沿厚度t切向应力1均匀分布。根据薄壁圆管公式：,1=Pr1/t,拱形压缩带内缘作用有锚杆预应力引起的主应力2 = N/a2,一般，N=0.50.8Q，Q为锚固力，由现场拉拔试验或设计定。,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,在双轴主应力作用下，压缩带内岩体满足库仑强度准则，即在无粘结力c的情况下的安全条件为：12tg2 (450+/2)或P2 t tg2 (450+/2)/ r1 当存在粘结力c时，则有： 12tg2 (450+/2)+ c或P2 t tg2 (450+/2)/ r1+c,根据上
11、述原理，确定锚杆参数步骤如下：首先，预选错杆长度l、直径d、间距a(间距和排距相等)；然后，根据l和d，由提供的试验结果，确定压缩带厚度t，以及r0、r1、r2等参数；最后，由上两式验算压缩带安全条件；如不满足，调整锚杆参数，直至满足为止 。,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,P = Pb(r2/ r3)2sin/(1-sin),锚索,一般的锚索长度大于5m，长的可以达数十米。根据锚索预应力的传递方式，一般将锚索分为拉力式锚索和压力式锚索。配合锚杆、锚索等支护或防渗中，对破碎岩体常采用水泥浆、硅粉水泥浆、树脂、水玻璃、丙烯酰胺类等化学浆液灌浆加固。,把r3圈内的岩石视为塑性区，r3以外
12、是弹性区，于是可取塑性区径向应力公式（5.42），并使ar0、Pi=2，代人交界面半径r=r3，可得交界面的径向应力r p即为Pb式，即：Pb=r p=(2+cctg)(r3/ r0)2sin/(1-sin) - cctg,8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理,预应力锚索,双钢铰线锚索,高强度螺纹树脂卷钢锚杆,金属拱形支护 喷锚支护 喷射混凝土支护喷混车见P140、141喷头见P142、143,8-4 临时支护,棚式支护（木支架、金属支架） 石材支护 浇灌混凝土支护适用条件：围岩十分破碎、十分不稳定，大面积淋水或部分涌水且处理无效的地区，服务年限长的巷道。施工步骤：撤除临时支架、掘砌基础及水沟、砌墙、砌拱、撤除模板 锚杆支护（单体锚杆支护、锚梁支护、锚网支护、锚网梁支护、锚梁网支护、锚喷支护、锚注支护等）,8-5 永久支护,习 题,4、离壁式支护的特点？锚杆支护有哪些作用？ 5、 临时支护有哪些？永久支护呢？ 6、喷锚支护有哪些作用？,
