井巷工程第六章井巷建筑材料.ppt

1 3井巷建筑材料 常用的材料 木材 金属材料 石材 水泥 混凝土 钢筋砼和砂浆等 1 3 1水泥水泥是一种粉末状材料 加水拌合能形成可塑性浆体 能将砂石等散粒材料粘结成整体 经过自身的物理和化学变化形成坚硬的人造石材的一种材料 第一章井巷建筑介质与材料 技术性质 密度 细度凝结时间 初凝和终凝 强度水化热体积安定性标准稠度 第一章井巷建筑介质与材料 硅酸盐水泥 制备两磨一烧矿物组成硅酸三钙 3CaO SiO2 硅酸二钙 2CaO SiO2 铝酸三钙 3CaO Al2O3 铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 水化产物 水化铝酸钙水化硅酸钙水化铁酸钙氢氧化钙水化硫铝酸钙 第一章井巷建筑介质与材料 对纯硅酸盐水泥的要求 比表面积300m2 kg 初凝时间不少于45min 终凝时间不迟于6 5h各龄期强度不低于规定值 体积安定性符合规定 第一章井巷建筑介质与材料 普通硅酸盐水泥 性能基本与硅酸盐水泥相同 稍有变化 在硅酸盐水泥熟料中加入非活性混合材料和少量活性混合材料而制得 以改善水泥的凝结时间 水化放热 强度并提高产量三个级别 六种产品 第一章井巷建筑介质与材料 掺混合材料的硅酸盐水泥 混合材料 活性混合材料非活性混合材料矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰质硅酸盐水泥 第一章井巷建筑介质与材料 这三种水泥的特点 凝结硬化速度慢 早期强度低而后期强度高 水化放热速度慢 放热量低 对温度敏感性高 抗软水及硫酸盐侵蚀能力强 但抗冻性差 矿渣水泥及火山灰水泥的干缩性小 粉煤灰水泥干缩性大 火山灰水泥抗渗性高 矿渣水泥的耐热性好 第一章井巷建筑介质与材料 1 3 2混凝土 混凝土 由胶凝材料 散粒材料及其它材料按比例混合而成的拌合物 经过一定时间硬化而成的人造石材 普通混凝土组分 水泥 水 砂 石子优点 混凝土拌合物在硬化前具有良好的可塑性 可浇注成各种形状的预制构件 现浇构件及喷射混凝土结构 与钢筋有良好的粘结力 可形成钢筋混凝土 抗压强度高性能可调整 可制成不同强度等级的砼 材料来源广 大部分可就地取材 成本低 污染少对环境保护有利 耐久性高 缺点 自重大 抗拉强度低 易开裂 质量不易控制等 对混凝土的基本要求 符合设计要求的强度 具有与施工条件相适应的和易性 具有与工程环境相适应的耐久性经济合理 第一章井巷建筑介质与材料 普通砼的组成材料 1 水泥根据工程性质 工程特点 工程所处环境及施工条件合理选择水泥品种 标号2 细骨料 砂 骨料在砼中起骨架作用 因而称之为骨料 有粗细骨料之分 粒径在0 15 4 75mm之间的为细骨料 大于4 75mm的为粗骨料 对骨料的技术性能要求 有害杂质含量少 具有良好的颗粒形状 适宜的级配和细度 表面粗糙 与水泥的粘结牢固 性能稳定 坚固耐久等 第一章井巷建筑介质与材料 细骨料 砂天然的河砂 山砂 海砂及少量的人工砂 以河砂为最好 砂的粗细程度指不同粒径的砂混合在一起的总体粗细程度 以细度模数表示 粗砂 中砂 细砂和特细砂 第一章井巷建筑介质与材料 3 粗骨料 石子 卵石 碎石 颗粒级配连续级配和间断级配最大粒径公称粒级的上限4 水 第一章井巷建筑介质与材料 混凝土的主要技术性质 砼拌合物的和易性 指砼拌合物易于各种工序的施工操作 并能获得质量均匀 成型密实的混凝土的性能 流动性粘聚性保水性三者既相互关联又相互矛盾 第一章井巷建筑介质与材料 对和易性评价主要是流动性 其它两方面则在测试流动性的同时进行观察评定 测试流动性的方法 对普通砼可用坍落度试验测定 单位mm对干硬性砼采用维勃稠度仪测定 单位s 第一章井巷建筑介质与材料 砼强度与强度等级 立方体试块 标准养护条件下养护28天 测试件单向抗压强度作为评定砼等级的依据 影响砼强度的因素 经验公式常用的外加剂 减水剂 速凝剂 早强剂等 第一章井巷建筑介质与材料 混凝土配合比设计 三个比例关系 水 水泥水灰比 W C 砂 石砂率活性组分与隋性组分单位用水量三者之间应满足水泥浆量应包裹砂粒的表面并稍有富余 形成水泥砂浆 水泥砂浆的量要充填石子间的空隙并稍有富余 第一章井巷建筑介质与材料 混凝土配合比设计 两种方法 绝对体积法和 相对 密度法初定配合比 试验确定实验室配合比 按施工现场砂石的含水状态计算施工配合比 第一章井巷建筑介质与材料 1 3 3钢材 优点 强度大 比强度高 可支撑较大地压 使用期长 可多次复用 安装容易 耐火性强 可制成可缩性结构 初期投资大 施工时机械化程度低 第一章井巷建筑介质与材料 钢材分类 按品质分 普通钢 优质钢 高级优质钢按含碳量分 低碳钢 中碳钢 高碳钢按化学成分分 碳素钢 合金钢按用途分 结构钢 工具钢按生产工艺分类 按加工方式分等等 第一章井巷建筑介质与材料 常用建筑钢材的化学成分 主要成分为Fe C 合金元素等其中硫 磷为有害成分 第一章井巷建筑介质与材料 常用建筑钢材的力学性能及特点 抗拉强度 冲击韧性 疲劳强度 硬度 加工方法对钢材性能的影响冷加工 热处理 时效 焊接矿用钢材的种类 特点及要求各种型钢 钢筋 第一章井巷建筑介质与材料 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 目前巷道支护方式主要有 1 棚式支架 木支护 混凝土支架 金属支架等 其中金属支架又有普通金属支架及可缩性金属支架 这类支护方式主要用于矩形及梯形巷道 2 砌碹支护 料石砌碹 现浇混凝土3 锚喷支护 锚杆支护 喷射砼支护 锚喷联合支护 锚喷支护 网 钢带 梯子梁等 联合支护 4 上述锚喷支护再加锚索加强支护 6 2锚杆支护结构 锚杆支护是将小直径的钢及其它材料制成的杆状体 钻孔安装于围岩中 用于加固围岩的一种支护形式 喷射混凝土支护是用机具喷头 利用高压把混凝土喷射到围岩表面 快速凝固后支护围岩的一种支护形式 锚喷支护是以锚杆支护和喷射混凝土支护为主要支护结构的一系列支护形式的总称 6 2 1锚杆支护作用原理 6 2 1 1悬吊作用原理1952年路易斯阿 帕内科 LouisA panek 等发表了悬吊理论 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覆盖的岩体的重力 见右图所示 锚固力Q 1 5 2 W锚杆工作拉力Q1 bA锚杆长度L KH L1 L2锚杆间排距 6 2 1 2组合梁理论按材料力学理论可知 无锚杆时巷道顶板岩石为叠合梁结构 在受到其上部围岩的应力作用后 各层单独变形 层与层之间容易产生滑移从而导致离层 而顶板采用锚杆支护时 锚杆穿过各层状岩层形成组合梁 共同抵抗围岩应力 故变形较小 从而起到支护的作用 6 2 1 3组合拱理论在沿拱形巷道周边布置锚杆后 在预紧锚固力的作用下 每根锚杆都有一定的应力作用范围 只要取合理的锚杆间距 其应力作用范围会相互重迭 从而形成一连续的挤压加固带 即厚度较大的组合拱 该加固带的厚度是普通砌碹支护厚度的数倍 故能更为有效地抵抗围岩应力 减少围岩变形 其支护效果明显好于普通砌碹支护 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 6 2 2 4内注式注浆锚杆在不稳定岩层中 为了提高破碎岩体的自身强度 将锚杆设计成带有中心孔的管状杆体 施工时先将锚杆安装好 注意在孔口处的堵塞 然后把注浆泵接到锚杆的尾端 将注浆浆液通过锚杆中心孔并通过锚杆中的注浆口注入破碎岩层中使破碎岩体加固 并锚固岩体的一种锚固方式 6 2 2 5木锚杆和竹锚杆1 木锚杆普通木锚杆压缩木锚杆2 竹锚杆其它锚杆 楔缝式 倒楔式 涨壳式钢筋砂浆锚杆 钢丝绳砂浆锚杆等 6 2 3锚杆支护参数的确定 工程类比法理论计算法数值模拟法监测反馈法 6 2 3 1工程类比法参数设计直接类比和专家系统 6 2 3 2理论计算法参数设计主要是利用悬吊理论 冒落拱理论 组合拱理论以及其它各种力学方法 分析巷道围岩的应力与变形 进行锚杆支护设计 给出锚杆支护参数的解析值 1 按悬吊理论设计锚杆支护参数 1 锚杆长度L L1 H L2 2 锚杆杆体直径 3 锚杆间排距 2 按挤压加固拱理论计算锚杆参数锚杆长度与锚杆间距的关系若锚杆的控制角按45 考虑的话则如果按常用锚杆的长度L 1800 2200 和a为600 800 计 则加固拱的厚度将为1200 1400 相当于3 4层混凝土碹的厚度 所以 一般情况下锚杆的长度应大于两倍的锚杆间距 6 2 4锚杆支护施工 施工机具 锚杆钻机 风钻 煤电钻 煤层中 锚杆安装器等 安装质量 包括锚杆间排距 锚杆的角度 锚固质量与锚固力 6 3喷射混凝土支护 6 3 1概述喷射砼支护是以压缩空气为动力 用喷射机将细骨料砼以喷射的方式覆盖到需要维护的岩面上 凝结硬化后形成的砼结构的支护方式 6 3 2喷射砼的支护原理 1 加固与防止风化作用2 改善围岩应力状态3 柔性支护结构作用4 组合拱作用 6 3 3喷射砼材料 水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 标号不低于32 5 细骨料采用中砂或粗砂 细度模数应大于2 5 粗骨料以碎石较好 粒径一般不大于15mm 水灰比0 4 0 5 为使混凝土迅速凝结硬化 需在喷射砼中添加速凝剂 但掺量一般不超过5 且要求凝结时间初凝不应大于5min 终凝时间不大于10min 一般还应加入减水剂 6 3 4喷射混凝土主要性能指标 1 喷射混凝土抗压强度15 20MPa2 粘结强度3 喷层厚度 6 3 5喷射混凝土施工 6 3 5 1喷射混凝土施工工艺流程 6 3 5 2喷射混凝土的主要工艺参数1 工作风压出口处为0 1MPa所以工作风压为0 1 0 001 输料管长度 m 2 水压比风压大0 1MPa3 水灰比0 4 0 454 喷头与受喷面的距离及角度0 8 1 2m 垂直于岩面喷射 减少回弹 5 一次喷射厚度顶部30 60mm 帮50 100mm 6 分次喷射的间隔时间 6 3 5 3喷射混凝土机具1 混凝土喷射机转子型2 配套机械6 3 5 4喷射操作喷射前安全检查 操作的顺序 开机时 风 水 电喷完后 电 水 风喷射方式 圆形或椭圆形螺旋喷射为使干料与水很好的结合 应在喷头处 设置双水环异径葫芦管 6 4联合支护 由于不同的地区岩层条件各不相同 单纯的锚杆支护或单纯的喷射混凝土支护不能满足巷道稳定及安全的需要 因此在锚杆和喷射混凝土支护的基础上形成了一系列的支护形式 由锚杆 喷射混凝土 金属网 钢带 钢筋梯等组合而成的各种联合支护形式 6 4 1锚喷支护6 4 2锚网支护锚网支护锚带网支护6 4 3锚杆桁架支护6 4 4锚注支护 6 4 5预应力锚索支护锚索的作用材料及结构 钢绞线 锁具 锚固剂钢绞线 15 24mm 17 28mm锁具 锚固剂 树脂锚固剂锚索结构 三部分 内锚段 自由段 外锚段施工工艺 地面准备 钻孔 锚固 张拉 6 5其他支护技术 6 5 1木支护主要用于梯形巷道 是以前顺槽有切眼的主要支护方式 由棚腿 顶梁和背板组成适用条件 地压不大 巷道服务年限不长 断面较小的采区巷道中 也可用于永久巷道施工时的临时支护 优缺点 具有一定的强度 重量轻 加工容易 适应性强 破坏时有一定的过程 可尽早发现及时处理 但强度相对较低 不防火 容易腐朽 服务年限短 不能阻止和防止围岩风化 特别是木材消耗量较大 6 5 2金属支架 特点 与木支架相比 具有耐腐蚀 强度高可复用等优点 6 5 2 1梯形金属支架一般是16 20号工字钢或矿用工字钢 由棚腿 顶梁和木背板组成 通常用于回采巷道中 经修整后可多次复用 6 5 2 2拱形可缩性金属支架由矿用特殊型钢 U型钢制作 每架一般由三段U型钢构成 两段之间搭接300 400mm 通过卡箍固定 为防止倾倒 架与架之间通过金属拉杆连接 当地应力较大时 重合段之间可产生相对移动 而产生一定的变形 从而释放围岩的应力 适用于地压大围岩变形量大而断面不太