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1、三、钢材钢材作支护材料有许多优点：强度大，可支撑较大的地压，使用期长，可多次复用，安装容易，耐火性强，必要时也可制成可缩性结构，初期投资虽然大些，但可回收，总成本有时还是经济的。（一）钢材的基本概念1、常用钢材分类按品质分，钢材分为普通钠、优质钢（硫、磷含量均低于 0 . 04 % ）、高级优质钢。普通碳素钢（如常用的 3 号钢、 5 号钢）根据其含碳量高低分为低碳钢、中碳钢、高碳钢；当其硫、磷等残留成分在限定量以下时，称为优质碳素钢。根据化学成分，可将钢材分为碳素钢和合金钢。合金钢根据含合金元素总量多少，分为低、中、高合金钢。根据用途，常用建筑钢材主要使用型钢和钢筋（建筑钢）两类，之外还有工
2、具钢。各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及其加工方式。各种型钢和钢筋、钢丝、锚具，以及矿山工程中常用的钢绞线、锚杆螺纹钢等材料，基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢等钢种，经热轧或冷轧、冷拔及热处理等工艺加工而成。 1 . 3 . 3 . 2 常用建筑钢材的主要化学成分建筑上常用的钢材是碳素钢，碳素钢的主要化学成分是以铁为基体，除含碳外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等。硅和锰是炼钢时作为脱氧剂加人后残存的；硫和磷是炼铁时从矿石或燃料进人铁水，而后未能完全除掉所残留的。它们都属于钢中的伴随元素。3 . 3 . 3 常用建筑钢材的力学性能与特点建筑钢材作为主要的受力结构材料，其主要力学性能有抗拉性
3、能、冲击韧性（抗冲击性能）、耐疲劳性能及硬度。抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服点、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。钢材冲击韧性能较全面地反映出材料的品质。钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量，以及温度和时效等都较敏感。钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生突然破坏，叫疲劳破坏。可用疲劳极限或疲劳强度表示钢材的耐疲劳性能，它是指钢材在交变荷载下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。硬度是指钢材表面局部体积内，抵抗外物压人产生塑性变形的能力，是衡量钢材软硬程度的一个指标。 3
4、6（二）矿用钢材种类、特点和要求煤矿常用的金属支架材料有工字钢、角钢、槽钢、轻便钢轨、矿用工字钢以及矿用特殊型钢等。1、矿用工字钢热轧矿用工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长条钢材，是为矿山使用专门设计的宽冀缘、小高度、厚腹板的工字钢（图6-3、表6-5）。它的几何特性既适于作梁，也适于作腿。其截面尺寸以高（h）腰厚（d）的毫米数字来表示，如高为110mm，腿宽为90mm，腰厚为9mm的工字钢标记为“工110909”。工字钢的另一种标记方法是用型号来表示，即用高的厘米数表示，如工11。11工字钢是煤矿煤巷支护最常用的工字钢型号。表6-5 矿用工字钢的截面面积、理论质量及断面参数型号尺寸/MM截面
5、面积/CM2理论质量/KGM-1断面参数hbdtrr1r2Ix/cm4Wx/cm3Ix/cmSx/cm2Iy/cm4Wy/cm3Iy/cm99076810.91241.522.517.728162.53.5337.862.516.51.671111090914.11251.533.226.1623.7113.44.3468.5127.728.41.9612120951115.31551.539.731.2867.1144.54.6787.9178.237.52.122、矿用特殊型钢矿用特殊型钢主要是指截面为U形的U形钢（图6-4）。矿山常用的包括U18、U25、U29、U32和U36五种，其中
6、的数字是指每米的重量。矿山主要是利用矿用特殊U形钢制作具有可缩性的拱性支架，用于困难条件下的巷道支护。由于 U形钢两个方向的抗弯截面模量Wx、Wy接近相等，说明这种型钢的竖向抗弯能力与横向抗弯能力不相上下，横向稳定性较之其他型钢好。常用U形钢的型号和断面参数如表6-6所示。表6-6 矿用特殊型钢断面参数型号高度/MM宽度/MM截面面积/CM2理论质量/KGM-1惯性矩/CM4截面积/CM4截面模量与理论质量之比WX/G上宽下宽IxIyWxWy181001225723.3418.31279.9317.454.852.03.352511013450.831.5424.76451.7508.781.
7、6875.923.2929124150.5533729.0616.0775.094.0103.03.2矿用工字钢与矿用特殊型钢的高度较普通型钢小，这样可以减少巷道开挖量。3、槽钢槽钢是截面为凹槽形的长条钢材（图6-5）。其规格以高度（h）腿宽(b) 腰厚（d）的毫米数字来表示，如120mm53mm5mm，表示高为120mm，腿宽为53mm，腰厚为5mm的槽钢，或称12#槽钢。煤矿常用热轧轻型槽钢断面尺寸和参数如表6-7所示。表6-7 热轧轻型槽钢的断面尺寸和参数 型号尺寸/MM截面面积/CM2理论质量/KGM-1断面参数Z0/cmhbderr1Ix/cm4Wx/cm3Ix/cmSx/cm2Iy
8、/cm4Wy/cm3Iy/cm10100464.57.67.03.010.908.5917438.43.9920.420.46.461.371.4412120524.87.87.53.013.3010.430450.64.7829.631.28.521.531.5414140584.98.18.03.015.6012.349170.25.6040.845.411.01.701.6714a140624.98.78.03.017.0013.354577.85.6645.157.513.31.841.8716160645.08.48.53.518.1014.274793.46.4254.163.31
9、3.81.871.8016a160685.09.08.53.519.5015.38231036.4959.478.816.42.012.00槽钢大多用于与锚索组合支护，这种组合构件的强度和刚度比较大，支护能力强。图6-6所示是用于锚索组合的槽钢梁，常用的有12号、14号、16号槽钢。轻便钢轨是专为井下1t至3t矿车运输提供的，并在巷道支护中可用于制作轻型支架，但其承载性能差。此外，钢筋也是支护中常用的金属材料。普通钢筋混凝土结构中，多采用 3 号钢（低碳钢）钢筋。 20 锰硅和 25 锰硅普通低合钢钢筋主要用于受力钢筋，一般不作构造钢筋用。在钢筋混凝土结构中，其混凝土标号不宜低于20MPa（
10、200 号）。表6-11螺纹钢锚杆杆体的几何参数项目系列杆体直径/mm1618202225杆体长度/m1.61.82.02.22.42.62.83.0钻孔直径/mm26283033查找三径匹配资料三、锚杆桁架支护锚杆桁架是在巷道肩窝处顶板上，沿4560扩方向安装钢丝绳、钢筋或钢绞线锚杆，并用拉紧装置将锚杆的外露部分连接起来，再背上木楔组成的。形成的锚杆桁架结构除有锚杆的支护作用外，还有支撑顶板的作用，可用于处理顶板锚杆或其他常规方法无效的恶劣顶板条件；但巷道两帮需用锚杆进行加固，其长度应大于顶板锚杆的水平投影。一般情下锚杆桁架有锚杆、拉杆、拉紧螺栓、木楔等组成。一般在顶板锚杆悬吊作用失效，或顶
11、板锚杆之间有岩石窜落处使用锚杆桁架。光弹性试验证明，锚杆桁架的上推力产生在钻孔口和木楔处，因而在顶板跨度中部的拉应力减小；随着锚杆桁架拉力的增加，巷道顶板拉应力持续减小，直到跨度中部完全呈受受压状态为止。由于岩石的抗拉能力很弱，而抗压能力很强，所以拉应力区的岩石垮落危险最大，而锚杆桁架支护结构可在未支撑顶板处的巷道中部建立压应力区，代替拉应力区，能减缓或避免巷道顶板的冒落，因此，锚杆桁架支护系统具有较好的支护性能。锚杆桁架的支护原理如图6-36。2 . 2 巷道断面尺寸的确定 煤矿安全规程 第二十一条规定，巷道净断面必须满足行人、运输、通风和安全设施及设备安装、检修、施工的需要。因此，巷道断面
12、尺寸主要取决于巷道的用途，存放或通过它的机械、器材或运输设备的数量与规格，人行道宽度与各种安全间隙以及通过巷道的风量等。设计巷道断面尺寸时，根据上述诸因素和有关规程、规范的规定，首先定出巷道的净断面尺寸，并进行风速验算；其次，根据支护参数、道床参数，计算出巷道的设计掘进断面尺寸，并按允许加大值（超挖值），计算出巷道的计算掘进断面尺寸；最后，按比例绘制包括墙脚、水沟在内的巷道断面图，编制巷道特征表和每米巷道工程量及材料消耗量表。 2 , 2 . 1 巷道净宽度的确定巷道的净宽度，是指巷道两侧内壁或锚杆露出长度终端之间的水平距离。对于梯形巷道，当其内通行矿车、电机车时，净宽度是指车辆顶面水平的巷道
13、宽度、当巷道内不通行运输设备时，净宽度是指自底板起 1 . 6m 水平的巷道宽度。运输巷道净宽度，由运输设备本身外轮廓最大宽度和 煤矿安全规程 所规定的人行道宽度及有关安全间隙相加而得。巷道安全间隙不应小于表 2 . 1 中的规定。表3-1巷道安全间隙表 单位：mm项日规定数值人行侧从道渣面起 1.6m 高度范围内设备与拱、壁间综采矿井1000其他矿井800非人行侧设备与拱、壁间综采矿井500其他矿井300移动变电站或平板车上综采设备最突出部分与拱、壁间与拱、壁间300与输送机间700人车停车地点人行侧从道碴面起 1.6m 高度范围内设备与拱、壁间1000安设输送机巷道输送机与拱、壁间500两列对开列车最突出部分间200采区装载点两列车最突出部分间700电机车架空线与巷道顶或棚梁间200导电弓距拱、壁间300矿车摘挂钩地点两列车最突出部分间1000导电弓子距管道最突出部分间300运输设备距管道最突出部分间300设备上面最突出部分距巷道顶或棚梁间、壁间300用架空乘人装置运送人员时，蹬座中心至巷道一侧的距离700
