岩石平巷支护工作专题讲座PPT.ppt

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1、第一章 岩石平巷,第五节 支护工作,第五节 支护工作,临时支护：为保证工作面的安全而进行的支护。由施工单位设计。永久支护：长期支护。由设计部门设计支护参数。,第五节 支护工作,棚式支架 石材整体支护 锚喷支护梯形金属支架 料石 金属锚杆、锚索拱形可缩金属支架 砖 木、竹锚杆木支架 混凝土 金属网钢筋混凝土支架 钢筋混凝土 喷射混凝土 水泥：种类、适用条件 混凝土：组成、技术性质、外加剂、配合比 钢材：矿用型钢（工字钢、U型）,第五节 支护工作,一棚式支架不能阻止围岩风化1.木支架组成：两腿（承受侧压）+梁（承受顶压）适用性：地压不大，服务年限短、断面小的采区巷道,第五节 支护工作,2.金属支架

2、破坏形式主要为失稳 梯形金属支架适用于回采巷道 轻便钢轨（18kg24kg）或矿用工字钢（1620号）,第五节 支护工作,矿用工字钢，专门设计的宽翼缘、小高度、厚腹板的工字钢，既适于作梁，也适于作腿。,第五节 支护工作,梯形工字钢金属支架,第五节 支护工作,第五节 支护工作,（2）拱型可缩金属支架软岩、地压大且不稳定（动压）、围岩变形量大，断面小于12m2，矿用特殊型钢制作 间距一般在0.7m左右，纵向通过金属拉杆拉紧提高稳定性。,梁腿搭接长度300400mm，采用两个卡箍固定,第五节 支护工作,U型钢，竖向、横向抗弯能力强，横向稳定性好。,第五节 支护工作,第五节 支护工作,多铰摩擦可缩U型

3、钢支架,第五节 支护工作,第五节 支护工作,6节马蹄形可缩性支架,第五节 支护工作,圆形支架,第五节 支护工作,方（长）环形支架,第五节 支护工作,第五节 支护工作,二锚杆支护理论与工程实践1 锚杆支护发展 1995年时国内外状况,澳、美、英锚杆支护比重已达90%以上，德、俄、波正在大力发展，比重在50%以上；我国为15.15%（低水平）。,第五节 支护工作,世界上最早使用锚杆并以锚杆作为唯一的煤矿顶板支护方式的国家。美国最早开创性地使用锚杆可以追溯到本世纪30年代初，1943年开始有计划有系统地使用锚杆。1947年在原美国矿务局研究中心旨在减少顶板事故的努力下锚杆受到普遍欢迎。在不到2年的时

4、间内，锚杆在采矿工业中得到普及。60年代末发明树脂锚固剂，锚杆使用的相当一部分比例都是以树脂锚固剂全长胶结的形式。70年代末，美国首次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，使得锚杆具有很高的预拉力，锚杆的高预拉力可以达到杆体本身强度的50%75%。,美国,第五节 支护工作,第五节 支护工作,1952年大规模使用机械式端部锚固锚杆（楔缝式、倒楔式、涨壳式），锚固力变化大、支护刚度小、可靠性差。最终证明英国较软弱的煤系地层不适宜用机械式锚杆。到60年代中期，英国逐渐开始不使用锚杆支护技术。1987年，由于煤矿亏损，煤矿私有化。英国煤炭公司参观澳大利亚煤矿，引进澳大利亚锚杆技术，在全行业重新推广锚杆支护

5、，煤矿开始盈利。,英国,第五节 支护工作,主要推广全长树脂锚固锚杆，强调锚杆强度要高。其锚杆设计方法是将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互制约的各个部分作为一个系统工程进行考察，使它们形成一个有机的整体，形成了锚杆支护系统的设计方法。,澳大利亚,第五节 支护工作,自1932年发明型钢支架以来，主要采用型钢支架支护巷道，支护比重达到90%以上。自80年代以来，由于采深加大，型钢支架支护费用高，巷道维护日益困难，开始使用锚杆支护。80年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功。,德国,第五节 支护工作,采用高强度、超高强度材料制造锚杆，加工精细，将锚杆作为产品、实现了产业化、商品化，而

6、不是简单的支护材料，并形成适用于不同条件的系列化产品。形成一整套比较科学的设计方法，以巷道围岩地质力学评估及井下实测数据为基础，强调最大水平应力在巷道布置与支护参数设计上的应用。,国外锚杆支护的发展现状成功经验,第五节 支护工作,采用可靠的监测手段，大力推广应用顶板光纤窥视仪、顶板离层指示仪、围岩深部多点位移计、测力锚杆等监测仪器。坚持科学管理，严格质量监测，形成了从理论到实践的完善的锚杆支护技术体系。有比较可靠的配套机具，采用掘锚一体化联合掘进机或性能良好的单体锚杆钻机，满足施工要求，并能实现快速掘进。,第五节 支护工作,国内支护发展,两个阶段：以1995年引进澳大利亚锚杆支护技术为分界点。

7、1995年之前：机械锚固、钢丝绳砂浆锚杆以及开发研制的快硬水泥锚杆；之后高强度树脂锚固锚杆。1995年之后：锚杆支护理论、锚杆支护设计方法、施工机具、小孔径预应力锚索加强支护、锚杆孔径、锚固剂及锚固方式、监测技术等均发生了变化。、类全面推广，、类得到推广应用,第五节 支护工作,锚杆支护效果 锚杆支护与架棚支护相比，其优越性表现在：属于主动支护 将巷道围岩变成承载体 对巷道不规则断面适应性强巷道围岩变形量显著减小，安全生产得到保证，大幅度减少了冒顶、瓦斯、火灾事故简化巷道布置，减少岩石工程实现沿空掘巷，提高煤炭资源采出率，延长矿井寿命 锚杆支护具有巨大的技术经济效益和社会效益，是我国矿业继综合机

8、械化之后的第二次支护技术革命,第五节 支护工作,第五节 支护工作,第五节 支护工作,2 锚杆支护理论,（1）悬吊理论机理：将巷道顶板较软弱岩层悬吊在稳定岩层上，以避免较软弱岩层的破坏、失稳和塌落，锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量。,第五节 支护工作,2 锚杆支护理论,（1）悬吊理论缺点：没有考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩体分开。适用条件：锚杆可以锚固到顶板坚硬稳定岩层,第五节 支护工作,（2）组合梁理论,机理：将锚固范围内的岩层挤紧，增加岩层间的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，提高其自撑能力。将几层薄岩层锁紧成一个较厚的岩层（组合梁）。在上覆岩层载荷的作用下，这

9、种组合厚岩层内的最大弯曲应变和应力都将大大减小，组合梁的挠度亦减小。缺点：将锚杆作用与围岩的自稳作用分开；在顶板较破碎、连续性受到破坏时，难以形成组合梁。,适用条件：层状地层顶板在相当距离内不存在稳定岩层，悬吊作用处于次要地位。,第五节 支护工作,（3）组合拱理论,机理：在破碎区安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要铺杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱，这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向荷载。在承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高，支撑能力也相应加大。,

10、缺点：一般不能作为准确的定量设计。适用条件：顶板无稳定岩层,第五节 支护工作,（4）最大水平应力理论,机理：矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动。,第五节 支护工作,第五节 支护工作,围岩与支护强度的关系,随支护强度增加，围岩的极限强度和残余强度提高，围岩残余强度提高到一定程度就能保持巷道稳定。,（5）锚杆支护围岩强度强化理论,第五节 支护工作,锚杆与围岩相互作用，形成锚杆围岩的共同承载结构，改善锚固体力学性能，提高锚固体峰值

11、强度和残余强度，特别是残余强度的提高，有效提高围岩的自承能力，控制围岩塑性区、破碎区发展，促使巷道围岩由不稳定状态向稳定状态转变。,第五节 支护工作,锚固体C、C*、*随锚杆支护强度t的增加而提高。,不同锚杆支护强度下锚固体破坏前的C、值,不同锚杆支护强度下锚固体破坏后的C*、*值,第五节 支护工作,3 锚杆支护体系,3.1 锚杆的结构类型,1）钢筋或钢丝绳砂浆锚杆 钢筋砂浆锚杆 钢丝绳砂浆锚杆 钢筋或钢丝绳砂浆锚杆是全长锚固型锚杆。设计锚固为为3050KN。,第五节 支护工作,2）全属倒楔式锚杆由杆体、固定楔、活动倒楔、垫板和螺帽组成，属端头锚固型，安装后可立即承载，可回收。锚固力达40kN

12、左右。常用于围岩比较破碎，需要立即承载的地下工程。,第五节 支护工作,3）楔缝式锚杆,楔缝式锚杆结构1-杆体 2-楔缝 3-丝扣 4-楔子 5-垫板 6-螺母,第五节 支护工作,4）胀壳式锚杆,胀壳式锚杆：靠锥形螺帽前移迫使胀壳向左右张开、楔嵌入孔壁。锚杆结构较复杂，对围岩能及时支护。锚固力一般为50100kN。可回收。,第五节 支护工作,5）两瓣涨圈式锚杆,第五节 支护工作,用树脂为粘结剂，在固化剂和加速剂的作用下，将锚杆的头部粘结在锚杆孔内。端头锚固型树脂锚杆是由树脂药包和杆体组成。,6）树脂锚杆,第五节 支护工作,第五节 支护工作,7）注浆锚杆,第五节 支护工作,快硬水泥锚杆的杆体结构与

13、树脂锚杆相同，是端头锚固型锚杆。,8）快硬膨胀水泥锚杆,第五节 支护工作,管缝式锚杆是采用高强度钢板卷压成带纵缝的管状杆体外径38.1，用凿岩机强行压入比杆径小23mm的锚孔，为安装方便，打入端略呈锥形。由于管壁弹性恢复力挤压孔壁而产生锚固力，属全长锚固型锚杆。对地层横向错动，有良好适应能力，钻孔变弯曲，锚固得更牢。,9）管缝式锚杆,第五节 支护工作,结构可伸缩式锚杆。这种锚杆是对杆件、内锚头、外锚头及托板等构件采用特殊结构实现可伸缩的目的。,10）可伸缩式锚杆,第五节 支护工作,（2）杆体可伸缩锚杆 用优质钢材，并对材料进行专门加工处理，可制成较大延伸率的锚杆杆体。,第五节 支护工作,玻璃钢

14、锚杆,水力膨胀锚杆,将无缝钢管轧制成双层异形杆体，然后注入压力2530MPa的高压力水，使异形钢管锚杆膨胀变形，紧紧地镶嵌在锚孔的岩壁上。,第五节 支护工作,3.2 目前我国锚杆支护体系及要求（1）锚杆高强度、大直径。破断载荷一般在200 300kN以上，近年应用破断载荷400kN以上的锚杆。延伸率均大于15%锚杆直径2022mm稳定性较高、维护要求低、服务时间短的巷道可以采用Q235圆钢制造。,第五节 支护工作,采用左旋、无纵筋高强度螺纹钢锚杆，等强（锚杆尾部螺纹部分采用墩粗或热处理、滚丝）锚杆成套：杆体、托盘（钢板轧制，厚度根据矿压确定）、球形垫圈（铸钢）、减摩垫圈（1个聚氨酯、1个铝合金

15、）、螺母（高强度、快速安装螺帽）,第五节 支护工作,（2）锚固剂及锚固方式锚固剂：树脂药卷，一般采用凝结速度为超快与中速的树脂药卷配合。,第五节 支护工作,锚固方式全长锚固：锚杆中部受力最大；增阻速度快。具有较大的抗剪切能力。增加岩层间的法向力，阻止层间错动，防止离层。在锚固范围内锚杆伸长1mm，可产生1020kN的锚固力，支护刚度大。端头锚固：类。全长或加长锚固：类,约束围岩的径向膨胀和横向剪切,第五节 支护工作,使用树脂药卷一般CK2335、Z2360mm，复合顶板一般采用双速2360和Z2360。,第五节 支护工作,第五节 支护工作,锚固力测试数据,铺固力单位：KN,锚固长度210320

16、mm。,第五节 支护工作,（3）三径匹配 钻孔直径比锚杆直径大610mm 钻孔直径比树脂药卷大6mm左右一般钻孔直径29mm，锚杆直径20、22mm，药卷直径23mm。,锚固力与钻孔直径、锚杆直径的关系,第五节 支护工作,（4）网及钢带网：采用金属网、塑料网。严禁将最前排锚杆螺帽松开或等待后压网。钢带：钢筋梯子梁、M型钢带、W型钢带等。要求钢筋梯子梁采用高强度焊条焊接，防止开焊。钢带的厚度或钢筋直径根据矿压确定。,第五节 支护工作,（5）施工机具机载锚杆钻机钻机：风动锚杆钻机、液压钻机、凿岩机、强力煤电钻钻头：合金钢钻头、金刚石钻头钻杆：B19、B22六方中空合金钢钻杆安装器：顶板锚杆采用锚杆

17、钻机，帮锚杆采用风炮联接器：快速联接器,快速安装螺母联接器,第五节 支护工作,（6）小孔径预应力锚索加强支护 是一种主动加强支护 以锚杆支护为主，以锚索为辅 树脂锚固端加粗，钻孔与锚索直径不匹配 锚固在稳定煤岩层中均可以 高应力巷道可以采用直径18mm的锚索钢绞线强度一般达1860MPa，锚固力可达几十吨锚索长度可达几十米,第五节 支护工作,（7）桁架支护桁架改变顶板的应力状态，拉应力将减小，甚至出现压应力；预紧力增加裂隙体间的摩擦作用，提高顶板稳定性；提高顶板两肩窝的抗剪切能力，防止剪切冒落。,第五节 支护工作,单式双拉杆桁架锚杆,第五节 支护工作,复式桁架锚杆1-锚杆；2拉杆；3拉紧器；4

18、垫木,第五节 支护工作,4 锚杆支护设计方法,可归纳为三大类，分别是工程类比法、理论计算法、以计算机数值模拟为基础的动态系统设计方法。,（1）工程类比法 是一种实用的方法，在我国锚杆支护设计中占主导地位。在已有的大量、成功实践的基础上，根据巷道的生产地质条件确定支护参数。以巷道围岩松动圈分类为基础的工程类比法。,第五节 支护工作,（2）理论计算法 根据悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论计算锚杆长度、间排距、破断载荷等。（3）动态系统设计方法 首先进行地质力学评估（含地应力测试），将地质力学参数、锚杆参数等输入计算机数值模拟软件，以围岩强度强化理论为依据，按控制围岩变形效果和经济合理的原则选择最优

19、方案，组织施工，并对巷道围岩稳定状况和锚杆载荷监测，根据监测反馈信息确定是否调整锚杆支护参数，经反复实践，在动态中修改完善设计。,第五节 支护工作,5 锚杆支护施工,（1）保证锚杆高预紧力 锚杆预紧力的作用主动支护，拉应力转化为压应力或减小拉应力，有效抑制巷道围岩破裂区向深部发展，发挥围岩的自身承载能力，提高稳定性。预紧力的确定 采用现场实测与数值计算相耦合的方法确定锚杆预紧力的合理值,第五节 支护工作,巷道变形量与预紧力的关系,第五节 支护工作,（2）锚杆外露长度 锚杆外露不超长，小于70mm，最好控制在50mm内。外露超长：锚固长度、锚杆有效长度减小（3）使用快速安装器提高巷道掘进速度，保

20、证锚杆支护质量（4）锚杆孔要求锚杆孔深度比锚杆长度少50100mm。钻杆与锚杆长度相等钻孔直径比锚杆直径大612mm。顶角锚杆向两帮倾斜，锚固端在两帮岩体内300mm以上，其它顶锚杆与顶板垂直。,第五节 支护工作,（5）巷道成型,第五节 支护工作,（1）监测的必要性 保证安全 掌握巷道围岩活动规律和锚杆载荷变化规律 为优化锚杆支护参数提供依据,6 锚杆支护巷道监测,第五节 支护工作,（2）监测内容,第五节 支护工作,（3）监测要求锚杆锚固力：测量围岩、树脂药卷、锚杆杆体三者之间的可锚性，合理确定锚固长度、检验树脂药卷质量等。每300根测量1组，不少于6根，顶板、两帮锚杆均要拉拔。顶板离层状况：

21、判断顶板锚固区内、锚固区外稳定状况及锚杆支护参数的合理性。在迎头安装，一般每5080m安装1套顶板离层指示仪，每天观测1次，稳定后12周观测1次。,第五节 支护工作,第五节 支护工作,巷道表面位移：反映巷道表面位移的大小及断面收缩程度，判断围岩稳定状况。一般测量顶底板、两帮相对移近量。在迎头设置测站,第五节 支护工作,锚杆载荷：反映锚杆载荷大小，判断锚杆处于弹性状态，还是塑性状态，确定顶板是否稳定，锚杆支护参数是否合理。顶板采用测力锚杆观测，两帮采用锚杆液压枕测量。,第五节 支护工作,三、喷射混凝土支护,1工艺流程,第五节 支护工作,封闭围岩，防止风化。改善围岩的应力状态：恢复三向应力状态。填

22、凹补平消除应力集中。密切岩体、柔性支护结构作用：共同变形，围岩应力释放，抑制更大变形。射入缝隙，增强黏结岩块间的连接咬合作用得以维持。防护锚杆间危石掉落。,2支护作用原理,第五节 支护工作,单独支护时厚度50150mm之间，锚喷支护时50120mm。多次喷射达到250mm，防止风化不少80-100mm。单独使用超过150mm，支护能力不会提高，应选用锚喷支护，锚杆为主，喷浆局部支护防止风化。强度不小于C15，粗骨料的粒径15mm。技术规范：4.3.1 喷射混凝土的设计强度等级不应低于C15；对于立井及重要隧洞和斜井工程，喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低

23、于5MPa。钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20，其抗拉强度不应低于2MPa，抗弯强度不应低于6MPa。,3喷射混凝土厚度与强度,第五节 支护工作,喷射混凝土的收缩较大，若其厚度小于50mm时，喷层中粗骨料的含量甚少，更容易引起收缩开裂。同时，喷层过薄也不足以抵抗岩块的移动，常出现局部开裂或剥落。近几年来，有关部门对喷射混凝土支护使用情况调查结果表明，喷射混凝土支护层产生局部开裂剥落者，其厚度多在50mm以下，也有3040mm的。因此规定喷射混凝土支护的最小厚度不应小于50mm。根据锚喷支护原理，要求喷层具有一定的柔性。因此，规定喷射混凝土厚度一般不应超过200mm，特别在软弱围岩中作

24、初期支护，喷层过厚，会产生过大的形变压力，易导致喷层出现破坏，这是不经济的。当喷层不能满足支护抗力要求时，可用锚杆或配筋加强。,第五节 支护工作,喷射机具 混凝土喷射机：干式、湿式 配套机械：混凝土搅拌机，喷射机械手,4施工,第五节 支护工作,第五节 支护工作,在瑞士的一条隧道中使用喷射混凝土机械手的情况,第五节 支护工作,水泥硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，标号大于325 细骨料中砂或粗砂，细度模数大于2.5 粗骨料粒径小于15mm 速凝剂初凝小于5min，终凝小于10min 配合比水灰比0.40.45,5、喷射材料和配合比,第五节 支护工作,对于节理、裂隙发育，断层破碎带等围岩松散、破碎的情况，可利用锚杆注浆技术，改变围岩松散破碎结构，提高其粘结力、内摩擦角和围岩的整体性，使围岩为锚杆提供可靠的着力基础，充分发挥锚杆对松散破碎岩层的锚固作用。注浆锚杆既是锚杆，又能用其进行注浆。,锚注支护,第五节 支护工作,1普通金属锚杆；2注浆锚杆；3喷层与金属网；4注浆扩散范围；5锚杆作用形成的岩石拱；6喷层作用形成的组合拱,