第八章(4) 支护工程

1、井巷工程井巷工程 主讲：李俊平主讲：李俊平 2013年年3月月 第八章第八章 支护工程支护工程 矿井支护的木材，称为坑木。有松木、杉木、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。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，应按纵向弯曲考木支柱轴向长度远大于直径，应按纵向弯曲考 虑其稳定性。虑其稳定性。木支柱的直径木支柱的直径d与长度与长度l应满足关系：应满足关系： d=(1.1 1.25)l1/2，单位都是，单位都是 cm。湿度。湿度10%的木材的木材 强度最大；水分每增加强度最大；水分每增加1%，抗弯强度降低，抗弯强度降低4%。当。当 含水达含

2、水达40%时，木材抗弯强度比空气中干燥木材降时，木材抗弯强度比空气中干燥木材降 低低1/2。 木支柱的缺点木支柱的缺点：由于性能不好，损耗量大；影：由于性能不好，损耗量大；影 响回采过程实现机械化。响回采过程实现机械化。优点优点：压断和折断时有声：压断和折断时有声 响，便于预测顶板来压。响，便于预测顶板来压。 8-2 8-2 支护材料支护材料 优点优点 缺点缺点 常用的金属材料常用的金属材料 8-2 8-2 支护材料支护材料 厚煤层地下开采厚煤层地下开采 金属支护金属支护 多单独用于裂隙灌浆，或者与砂、石混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、树脂等其他合使用。目前灌

3、浆还有水玻璃、树脂等其他 化学材料。化学材料。 8-2 8-2 支护材料支护材料 与其他支护材料相比，与其他支护材料相比，优点优点 分分粘结式、机械式、摩擦式粘结式、机械式、摩擦式3 类类刚性锚杆刚性锚杆可可 延伸锚杆延伸锚杆普通锚杆普通锚杆 高强锚杆高强锚杆 8-2 8-2 支护材料支护材料 优点优点 缺点缺点 8-2 8-2 支护材料支护材料 u特点特点：离壁式支护结构如木支：离壁式支护结构如木支 架、钢支架、混凝土砌碹以及钢架、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筋混凝土支架等与围岩部分点接 触或部分面接触。触或部分面接触。 1 1、被动承受围岩压力。、被动承受围岩压力

4、。 2 2、支护及时时，围岩变形还未达到极限的情况、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下，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力( (变变 形压力形压力) )，未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重，未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重 压力（松脱压力）。压力（松脱压力）。 3 3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，、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。围岩已发生松脱，则只承受松脱压力。 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 u普通支护的选材选型普通支护的选材选型

5、 普通支护的选材选型应根据地压和断面大小，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，做到物尽其用结合材料的受力特点，做到物尽其用。 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 u支护设计支护设计 u可缩性支护可缩性支护 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 切顶支柱切顶支柱 煤矿顶板管理煤矿顶板管理 离壁支护举例离壁支护举例 u特点：特点：喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的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，提高围岩的自联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围

6、岩的自 承能力达到维护巷道的目的。承能力达到维护巷道的目的。只有只有U型钢用钢量的型钢用钢量的 1/121/15 u锚杆类型：锚杆类型： 托板托板 机械加工或机械加工或 铸造锯齿铸造锯齿 胀紧锚片胀紧锚片 1）加固围 岩；2）改 善围岩的 应力状态。 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 (c)开缝式摩擦锚杆开缝式摩擦锚杆 托板托板 与螺帽合一自与螺帽合一自 锁式球面垫圈锁式球面垫圈 缓凝树脂缓凝树脂 接杆套接杆套 速凝树脂速凝树脂 安装时转动杆体混安装时转动杆体混 合树脂与硬化剂合树脂与硬化剂 (d) 树脂锚杆树脂锚杆 8-3 8-3 支护材料的力

7、学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 悬吊作用 组合梁作用组合梁作用 挤压加固作用挤压加固作用 预先加固硐室预先加固硐室 T=t 防滑作用防滑作用 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 u锚杆受力分析锚杆受力分析 1 1）端部锚固式锚杆）端部锚固式锚杆 锚杆的受力状态如图所示。锚杆的受力状态如图所示。 设锚杆预拉力为设锚杆预拉力为Q，岩体岩体 变形所产生的拉力为变形所产生的拉力为Q， 则则 锚杆的拉应力锚杆的拉应力为：为： 式中：式中：d为锚杆的直径。为

8、锚杆的直径。 Q为锚杆所需的最小锚固力，由拉拔试验确定。为锚杆所需的最小锚固力，由拉拔试验确定。 22 4 ) ( 4 d Q QQ d. . = =+ + . . = = p pp p s s QQQ+ += = 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 2)2)全长锚固式锚杆全长锚固式锚杆 锚杆的受力状态如图所示。锚杆的受力状态如图所示。 锚杆设计必须满足下式：锚杆设计必须满足下式： 式中式中,d为锚杆的直径；为锚杆的直径；t为锚为锚 杆材料抗拉强度；杆材料抗拉强度； Q为锚杆变为锚杆变 形或移动所产生的最大拉力，形或移动所产生的最大拉力， 即最小锚

9、固力，由拉拔试验确即最小锚固力，由拉拔试验确 定；定；为粘结材料与锚杆和孔为粘结材料与锚杆和孔 壁之间的粘结强度。壁之间的粘结强度。 Q d dL t . . s s p p t tp p 4 2 1 (a)锚杆受力状态锚杆受力状态 (b)锚杆中拉应力分布锚杆中拉应力分布 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 几点研究结论几点研究结论： u喷锚联合支护的力学作用喷锚联合支护的力学作用 （1 1）开挖后，在巷道周边形成松动圈和塑性变形区。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，一方面喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了水泥

10、砂浆的胶结作用提高了 松动圈的整体稳定性松动圈的整体稳定性，另一方面，另一方面喷射混凝土层的柔性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允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥，能充分发挥 围岩的自支承能力。围岩的自支承能力。 （2 2）锚杆的）锚杆的挤压加固挤压加固与与围岩变形协调围岩变形协调，进一步加固，进一步加固 围岩，提高其整体承压能力。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

11、。承能力、良好的抗震性能等优点。 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 均匀压均匀压 缩带缩带t 锚杆长锚杆长l； 每一相邻锚杆间每一相邻锚杆间 距距l/2，在岩体内，在岩体内 形成一双锥形压形成一双锥形压 缩锥；缩锥； =450+/2 1=Pr1/t 拱形压缩带内缘作用有锚杆预应力引起的主应力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，一般，N=0.50.8Q，Q为锚固力，由现场拉拔试验或设计定。为锚固力，由现场拉拔试验或设计定。 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 在双轴主应力作

12、用下，压缩带内岩体满足库仑强在双轴主应力作用下，压缩带内岩体满足库仑强 度准则，即在无粘结力度准则，即在无粘结力c的情况下的安全条件为：的情况下的安全条件为： 12tg2 (450+/2)或或P2 t tg2 (450+/2)/ r1 当存在粘结力当存在粘结力c时，则有：时，则有： 12tg2 (450+/2)+ c或或P2 t tg2 (450+/2)/ r1+c 根据上述原理，确定锚杆参数步骤如下：首先，预选根据上述原理，确定锚杆参数步骤如下：首先，预选 错杆长度错杆长度l、直径、直径d、间距、间距a(间距和排距相等间距和排距相等)；然后，；然后， 根据根据l和和d，由提供的试验结果，确定

13、压缩带厚度，由提供的试验结果，确定压缩带厚度t，以，以 及及r0、r1、r2等参数；最后，由上两式验算压缩带安等参数；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，直至满足为止全条件；如不满足，调整锚杆参数，直至满足为止 。 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原理支护材料的力学作用及支护设计原理 P = Pb(r2/ r3)2sin/(1-sin) u锚索锚索 一般的锚索长度大于一般的锚索长度大于5m5m，长的可以达数十米。根，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。索和压力式锚

14、索。配合锚杆、锚索等支护或防渗中，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。璃、丙烯酰胺类等化学浆液灌浆加固。 把把r3圈内的岩石视为塑性区，圈内的岩石视为塑性区，r3以外是弹性区，以外是弹性区， 于是可取塑性区径向应力公式（于是可取塑性区径向应力公式（5.42），并使），并使ar0、 Pi=2，代人交界面半径，代人交界面半径r=r3，可得交界面的径向应，可得交界面的径向应 力力r p即为即为Pb式，即：式，即： Pb=r p=(2+cctg)(r3/ r0)2sin/(1-sin) - cctg 8-3 8-3 支护材料的力学作用及支护设计原