巷道支架支护原理
第八章巷道维护原理和支护技术.ppt
软岩巷道围岩变形规律 1.软岩巷道变形的影响因素 （1）岩石本身的强度、结构、胶结程度等； （2）自重应力场、构造应力场、扰动应力场； （3）遇水膨胀性； （4）采掘扰动； （5）软岩的流变性。 2.软岩巷道变形规律 （1）具有明显的时效性； （2）多表现为环向受压、呈现出非对称性； （3）变形随埋深的增加而增加； （4）在不同应力作用下具有明显的方向性。
锚杆长度、杆体直径、锚杆的间排距等。
（3） 系统设计法 系统设计方法包括6个基本部分： ① 地质力学评估，主要是围岩应力状态和岩
体力学性质评估。 ②初始设计，以有限差分数值模拟分析为主要
手段，辅以工程类比和理论计算法 。 ③按初始设计选定的方案进行施工 。 ④现场监测 。 ⑤信息反馈与修改、完善设计 。 ⑥重复进行由初始设计至信息反馈与修改、完
表8-6 各种金属支架架型的力学特性和适用条件
支架架型 梯形刚性支架 梯形可缩性支架 半圆拱可缩性支架 三心拱直腿可缩性支架 三心拱曲腿可缩性支架 多绞摩擦可缩性支架 马蹄形可缩性支架
圆形可缩性支架
方(长)环形可缩性支架
主要力学特性 不可缩，承载能力较小 垂直、侧向均可缩，承载能力较小
承载能力较大，特别是在均压时
第四节 巷道锚杆支护
一、锚杆种类和锚固力 锚杆是锚固在岩体内维护围岩稳定的杆状
结构物。对地下工程的围岩以锚杆作为支护 系统的主要构件，就形成锚杆支护系统。单 体锚杆主要由锚头（锚固段）、杆体、锚尾 （外锚头）、托盘等部件组成。
1．锚杆的分类 最基本的分类方法是按锚杆的锚固方式划分： ① 机械锚固式锚杆包括胀壳式锚杆、倒楔式
3—穹形球体；是4—目托前盘国；内外用的最广 5—塑料1—硬木泛内的楔一2种—
木杆体；3—木托板； 4—硬木外楔；5—竹杆 体增压垫圈；6—驱动螺 母
软岩巷道支护技术
世上无难事，只要肯攀登
软岩巷道支护技术
（一）软岩巷道支护原理（1）巷道支护原理
软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免，应以达到其最大塑性承载能力
为最佳；同时其巨大的塑性能（如膨胀变形能）必须以某种形式释放出来。
软岩支护设计的关键之一是选择变形能释放时间和支护时间。
（2）最佳支护时间和时段
岩石力学理论和工程实际表明，硐室开挖之后，围岩变形逐渐增加。
以变形
速度区分，可划分三个阶段；即减速变形阶段、近似线性的恒速变形阶段和加速变形阶段。
最佳支护时间是以变形的形式转化的工程力PR 和围岩自撑力PD 最大，工程支护力最小的支护时间
图7-34 最佳支护时间TS
（二）软岩巷道常用支护形式
（1）锚喷网支护
锚喷网支护系列是目前软岩巷道有效、实用的支护形式。
喷射混凝土能及时
封闭围岩和隔离水。
网不仅可以支承锚杆之间的围岩，并将单个锚杆连结成整个锚杆群，和混凝土形成有一定柔性的薄壁钢筋混凝土支护圈。
锚喷网支护允许围岩有一定的变形，支护性能符合对软岩一次支护的要求。
根据围岩条件，也可以不喷射混凝土，仅选用锚网、桁架锚网、钢筋梯锚网、钢带锚网支护，也可以二次喷射混凝土支护。
（2）可缩性金属支架
U 型钢可缩性金属支架具有可缩量和承载能力在结构上的可调性，通过构件
间可缩和弹性变形调节围岩应力。
在支架变形和收缩过程中，保持对围岩的支护阻力，促进围岩应力趋于平衡状态。
我国在U 型钢可缩性金属支架架后充。
巷道支护
二、影响巷道围岩压力的地质因素
(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。
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。
1）喷射砼支护工艺流程（如图5-18） 先将砂子、石子过筛－>按一定配合比与水泥一同送 入搅拌机内搅拌－>用矿车将拌和料运至掘进工作面 －>经上料机装入吹压缩空气为动力的喷射机－>经 输料管吹送到喷头处与水混合后喷射到岩面上。
2）喷射砼施工工艺与普通砼支护的差别： （1）喷层受到连续冲实压密，具有致密的组织结构和 良好的物理力学性能，特点是强大的粘结力使其能同围 岩紧密粘结形成喷砼独特的支护作用效果； （2）喷射砼支护能紧跟迎头，及时封闭围岩，防止围 岩过早松动或风化，从而能够控制围岩的过渡变形与松
4）硅酸盐水泥的应用
在常用的水泥中，硅酸盐水泥标号较高（425～ 725），故常用于重要工程中的高强混凝土、钢筋混凝 土和预应力混凝土工程。 （2）普通硅酸盐水泥（标号：325 425 ～725） 1）定义：熟料＋少量（10％～15％）混合材料＋适
量石膏（3％）
（3）混合材料及掺混合材料的硅酸盐水泥 1）混合材料及其作用 a、活性混合材料（水硬性混合材料）：粒化 高炉炉渣、火山灰质混合材料等，可以提高水泥 产量、改善性能、调节标号、扩大使用范围等。 b、非活性混合材料（填充性混合材料）：石 英砂、粘土、石灰石、慢冷矿渣等，可以提高产 量、降低标号、减少水化热等
巷道支护技术
2.1 巷道围岩控制理论1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出普氏冒落拱理论[1-2]，该理论认为：巷道开掘后，已采空间上部岩层将逐步垮落，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，下方冒落拱的高度与岩层强度和巷道宽度有关。
该理论适用于确定巷道围岩强度不高、开采深度不是很大的巷道支护反力。
20世纪50年代以来，人们开始用弹塑性力学解决巷道支护问题，其中最著名的是Fenner [3]公式和Kastner 公式[4]。
Fenner 公式为：()[]10cot sin 1cot -⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-=ϕϕϕσϕN i R r C C P （1）式中，i P —支护反力；C —围岩内聚力；ϕ—内摩擦角；0σ—原岩应力；r —巷道半径；R —塑性圈半径；ϕN —塑性系数，κϕϕsin 1sin 1-+=N 。
Kastner 公式为：()()ϕϕϕϕϕsin 1sin 20sin 1cot cot -⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯++-=R r C P C P i （2）式中，i P —支护反力；C —围岩内聚力；ϕ—内摩擦角；0P —初始应力；r —巷道半径；R —塑性圈半径。
国内外巷道顶板控制理论发展很快[3-4]，我国在1956年开始使用锚杆支护，迄今为止，已有50多年的历史。
锚杆支护机理研究随着锚杆支护实践的不断发展，国内外已经取得大量研究成果[5-10]。
（1）悬吊理论1952年路易斯阿帕内科L(ouis.Apnake)等提出了悬吊理论，悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳固的岩层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体的重量，锚杆的锚固力应大于其所悬吊的岩体的重力。
（2）组合梁理论组合梁理论认为，端部锚固锚杆提供的轴向力将对岩层离层产生约束，并且增大了各岩层间摩擦力，与锚杆杆体提供的抗剪力一同阻止岩层间产生相对滑动。
（3）减跨理论在悬吊作用理论及组合梁作用理论的基础上，提出了减跨理论，该理论认为:锚杆末端固定在稳定岩层内，穿过薄层状顶板，每根锚杆相当于一个铰支点，将巷道顶板划分成小跨，从而使顶板挠度降低。
井巷工程-6
6.6.2 围岩松动圈测试：可采用声测法，超声 波围岩松动圈探测仪等。 6.6.3 顶板离层监测：采用顶板离层监测仪， 也可用多点位移计测试。 6.6.4 锚杆支护质量监测：监测的内容包括： 锚杆的材质、锚杆安装质量、锚杆工作荷载、 锚杆的抗拔力测试。 6.6.5 喷射混凝土质量监测：喷射混凝土强度 和喷层厚度
第六章 巷道支护
能源科学与工程学院 郜进海 博士、教授
6.1 概述
围岩的自稳时间 支护与围岩共同作用原理 主动支护 被动支护
由于巷道的开挖形成空洞，破坏了原岩体中的原有 的应力状态，巷道周边由原来的三向应力状态变成 了两向应力状态，从而出现了应力重分布与应力集 中现象，这二者导致了在岩体中分别出现了较大的 剪应力和拉应力的出现，并使岩体向巷道内移动， 若不进行及时的支护，巷道会产生严重变形，影响 到其使用功能，更为严重的是由于岩体中构造复杂， 节理裂隙发育，当变形量达到一定程度后就会产生 冒顶片帮等事故，严重影响着煤矿的安全生产。
6.2.2 锚杆的结构类型
6.2.2.1 树脂锚杆 以树脂为锚固剂，将锚杆杆体粘结在锚杆孔 内，外加托板及螺母紧固形成锚杆支护的一 种形式。 1）普通树脂锚杆 树脂锚固剂加普通金属杆体（麻花型锚固端） 或以普通螺纹钢为杆体的锚杆。 2）等强螺纹钢锚杆 3）玻璃钢锚杆
6.2.2.2 快硬水泥和快硬膨胀水泥锚杆 以快硬水泥或带有膨胀性的快硬水泥为锚 固剂，配以金属杆体。为端头锚固型，成 本较树脂锚杆低。但锚固剂质量不易控制。 目前常用的水泥为快硬早强硅酸盐水泥和 快硬膨胀水泥及双快水泥等。
6.2.2.3 管缝式锚杆 由强度较高的合金钢板材经卷压加工工 艺而形成的开缝式管状杆体。其直径一 般略大于锚杆孔的孔径，施工时用风钻 或其它专用机具强行将锚杆杆体压入孔 内，靠管体的弹性挤压孔壁从而产生全 长的锚固力。
巷道支护
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。
木棚主要用于地压不大，断面较小，服务年限短的巷道， 或用作临时支护。 2.金属支架
(1)梯形金属支架 金属支架常用18—24kg/m钢轨或16—20号工字钢制 作，最好采用矿用工字钢，其结构如图所示。每架棚子中 的梁腿连接要求牢固，简单，拆卸方便。图b所示接头比 较简单，但不够牢固，支架的稳定性差；a与c所示的接头 比较牢固，但拆装不便。为了防止棚腿陷入巷道底板，可 在其下端焊一块钢垫板或加垫木。金属支架一般都要设置 背板。 金属棚子的优点是强度大，体积小，坚固耐用、防火， 可以制成各种形状的构件，虽然初期投资大，但巷道维修 工作量小，且可重复使用，最终成本还是经济的。缺点是 不能阻水和防止岩石风化．在有酸性水腐蚀的地区不宜使 用。
3）柔性支护结构作用
4）组合拱作用 3喷射混凝土厚度
当岩体变形小，稳定性较好时，如果选用拱形断面， 一般只需喷射混凝土，不必打锚杆,喷50-150mm.
当岩体变形较大时。混凝土喷层将不能有效的进行支护。 实验证明当喷层厚度超过150mm时，不但支护能力不能 提高，而且支护成本明显提高，因此应选用锚喷联合支护。 这时以锚杆为主，喷混凝土只对锚杆间表面岩石进行局部 支护和防止围岩风化。
4喷射混凝土施工
4.1喷射机具 1)混凝土喷射机(分为干喷与湿喷） 2）混凝土搅拌机 3）喷射机械手
4.2喷射泥凝土的材料及配合比 1）水泥：优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，水泥标号不 得低于325号。 2）砂子：坚硬干净的中砂或粗砂； 3）石子：卵石或碎石，最大粒径在允许范围内。 4）水：洁净不含杂质。 5）外加剂：通过实验确定 6）配合比：混凝土具有足够抗拉、抗压和黏结强度、收缩变形 小，回弹率低。
《巷道支护技术》课件
要点二
详细描述
在煤矿开采过程中，随着矿井深度的增加，巷道周围的岩 层压力逐渐增大，容易出现巷道变形和破坏的情况。为了 保障矿工安全和矿井稳定，需要采用巷道支护技术对巷道 进行加固和维护。常见的煤矿巷道支护技术包括木支架、 金属支架、锚杆支护等。这些技术可以根据巷道的实际情 况选择使用，以达到最佳的支护效果。
采空区治理巷道支护
总结词
采空区治理中，巷道支护技术是防止采空区 坍塌、保障人员安全的重要措施。
详细描述
在采空区治理中，由于采空区上方岩层失去 支撑，容易发生坍塌事故。为了防止采空区 坍塌、保障人员安全，需要采用巷道支护技 术对采空区进行支撑和维护。常见的采空区 治理巷道支护技术包括注浆、锚杆、钢拱架 等。这些技术可以有效提高采空区的稳定性
复合材料
如碳纤维、芳纶纤维等高分子材 料，具有高强度、轻质等特点， 常用于加固和修复巷道支护结构 。
04
巷道支护施工方法
木支架施工
木支架材料
选用优质木材，如松木、杉木等，要求材质均匀 、无裂纹、无腐朽。
木支架制作
按照设计要求，将木材加工成相应的支架构件， 确保尺寸准确、表面光滑。
木支架安装
在巷道围岩表面铺设垫层，然后将支架立柱插入 地下，用横梁连接立柱，形成完整的支护结构。
，降低坍塌风险，保障人员安全。
02
巷道支护设计
巷道围岩分类
01
02
03
坚硬稳定围岩
岩石坚硬且稳定性好，支 护设计以承受围岩压力为 主。
软弱不稳定围岩
岩石软弱且易变形，支护 设计需考虑控制围岩变形 和防止失稳。
破碎围岩
岩石破碎且自稳能力差， 支护设计需采取加固措施 提高围岩整体稳定性。
锚杆索支护巷道要有防止破断的安全技术措施
锚杆索支护巷道要有防止破断的安全技术措施前言在煤矿等地下工程建设中，巷道是必不可少的组成部分。
而巷道支护技术是保证工作场所安全和有效工作的关键。
其中锚杆索支护是常用的一种技术，但在施工和使用过程中，锚杆索破断事故仍时有发生，给人们带来了不小的伤害和损失。
因此，为保障巷道建设和工作安全，必须加强巷道支护技术研究和应用，尤其要注重研究和应用锚杆索破断预防技术。
本文将从巷道支护技术的必要性及现状出发，阐述锚杆索支护巷道中应采取的防止锚杆索破断的安全技术措施。
一、巷道支护技术的必要性及现状1. 巷道支护技术的重要性巷道作为重要的地下工程组成部分，需要提供合理的支护措施。
究其原因，主要有以下几个方面：•安全因素：巷道的稳定性直接关系到工作人员、设备的安全，尤其是煤矿等危险行业，一旦发生巷道塌方等事故，后果严重。
•经济因素：巷道支护是影响工程投入、生产成本和回报率等方面的重要因素，科学合理的巷道支护技术则可减少工程建设投入、扩大经济效益等。
•环境因素：巷道支护技术合理可以减少土石方量，降低扰动地下水、地热环境等因素，使得上、下部分生态环境的受损降到最低限度。
2. 现有巷道支护技术的特点现有的巷道支护技术主要包括木质支架、钢架与加固、锚杆、钢带、网片、混凝土支护等技术。
这些技术现在已被广泛应用于我国的煤矿、水电工程、地铁等领域。
其中，锚杆索支护是一种常见而有效的支护技术。
锚杆是一种形如钢筋的支撑材料，由钢筋和钢管组成，以一定的锚固长度在巷道内固定，具有高强度、耐磨损、耐腐蚀、抗震等优点。
锚杆索支护巷道成功缓解了震动引起的巷壁松动等问题，但是破断事故也时有发生。
二、防止锚杆索破断的技术措施为了在锚杆索支护巷道施工和使用过程中，从源头上减少锚杆破断的事故发生，我们应考虑从以下几个方面采取相应的安全技术措施。
1. 锚杆索质量的保证锚杆索质量的好坏是直接影响锚杆破断的一个因素。
因此在采购锚杆索时，要严格按照要求检测，遇到有缺陷的锚杆索及时淘汰。
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立志当早，存高远
巷道支架支护原理
1．巷道金属支架的工作特性
从总的规律看，巷道上覆岩体的重量由巷道支架承担的仅占1％～2％，其余的完全由巷道周围岩体承受。
研究表明，巷道支架的工作特征与一般地面工程结构有着根本性区别，支架受载的大小不仅取决于本身的力学特性（承载能力、刚度和结构特征），而且与其支护对象围岩本身的力学性质和结构有密切关系，也就是支架-围岩相互作用关系。
2．支架-围岩相互作用的基本状态
①当巷道顶板岩石与上覆岩层离层或脱落时，支架仅受到离层或脱落岩石自重压力作用，支架处于给定载荷状态。
②当巷道顶板岩石与上覆岩层没有离层或脱落时，支架的受载和压缩变形将取决于上覆岩层的运动状态。
这种情况下仅靠支架本身的支撑力无法阻止上覆岩层的运动，只有当上覆岩层下沉过程中受到采空区已冒落矸石或充填物阻挡时，支架的收缩变形才能停止，这时支架处于给定变形状态。
3．支架-围岩相互作用原理
现有的各种巷道支架，在支架-围岩力学平衡系统中，只能承担极其有限的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态。
然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能相当有效地抑制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定。
因此，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，才能有效地控制和适应围岩的变形。