第六章 矿山地压及其控制

第六章矿山地压及其控制第一节矿山地压的概念矿床开采过程中，地压显现往往给采矿工作带来巨大灾难，它不仅危害生产安全，而且会使矿山局部停产，甚至毁灭整个矿山。一、地压的定义地压是泛指在岩体中存在的力，它既包含原岩对围岩的作用力，围岩间的相互作用力，又包含围岩对支护体的作用力。地压的大小，不仅与岩体的应力状态、岩体的物理力学性质、岩体结构有关，还与工碜壮质、支护类型及支护时间等因素有关。地压会引起围岩及护体的变形、移动和破坏，称为地压现象。在脆性岩体中，可能发生冒顶、片帮等围岩的破坏现象；在塑性岩体中，表现为巷道顶板下沉、两帮突出、底板鼓起等现象。当围岩中的应力不超过其弹性极限时，地压可全部由围岩来承担，井巷可以不加支护而能在一定时期内维持稳定。当围岩中的应力超过了围岩强度极限时，为了维护井巷断面形状，并保持其稳定，必须采取支护，这时的地压是由围岩和支护体共同承受。可见，作用在支护体上的压力仅是地压的一部分。二、地压的分类地压的显现使岩体产生变形和各种不同形式的破坏。为了便于分析各种不同性质的地压，按其表现形式，将地压分为变形地压、散体地压（亦称松动地压）、冲击地压、膨胀地压四类。变形地压是指在大范围内岩体因变形、位移受到支护体的抑制而产生的地压；散体地压（亦称松动地压）是在一定范围内，滑移或塌落的岩体以重力的形式直接作用于支护体上的压力；冲击地压又称岩爆，它是在围岩积累了大量的弹性变形能之后，突然释放出来时所产生的压力；膨胀地压是由于巷道围岩膨胀而产生的压力。由于地压理论的发展，更新了某些传统的地压旧概念，纠正了过去对地压认识的片面性。例如，人们利用支架支承地压就存在片面性，认为支架越坚固、强度越高，就越能保证井巷的安全，其实作用在支架上的压力并不是常量，而且随支架本身的性能及支架架的架设时间等而变化，在许多情况下，采用承载能力较低的可缩性支架，更能保证井巷的安全。又如，以往常常视井巷围岩为载荷，只单纯地利用人工支护结构去支承围岩压力。实际上，围岩本身也具有较大的承载能力，充分利用围岩的承载能力，可以节省大量的支架材料。第二节井巷地压及其控制一、井巷地压特征由于巷道开挖后改变了岩体的初始应力状态，围岩产生应力重新分布。设巷道开挖前岩体中某一点的原岩应力为σ0，开挖后该点的次生应力变为σ，它们的比值K=σ/σ0。称为应力集中系数，它表示巷道开挖前后应力的变化情况。若K>1，说明巷道开挖后次生应力增大了；反之，若K<1，说明巷道开挖后次生应力减小了。巷道围岩应力变化的范围称为采动影响范围。实验分析和理论研究证明，采动影响范围只限于巷道周围不大的区域以内。由巷道中心至影响范围的边线距离称为采动影响半径R影，其大小为R影=（3~5）D（D为巷道半径），习惯上将此范围内的岩体称为围岩，将该范围以外的岩体成为原岩。在围岩区域内形成的新应力场称为次生应力场。在采动影响范围以外的岩体仍可视为原岩应力状态，它们不受采动的影响。围岩的次生应力状态与巷道的横断面形状及尺寸有关。断面为曲线形的巷道，相对来说围岩的应力变化比较均匀，而断面为折线形的巷道，则会在角隅处出现较大的应力集中。巷道开挖后若及时支护，既可以阻止围岩变形的发展，又可以影响围岩的应力分布状态。二、地压的控制井巷破坏的原因主要是围岩应力超过了岩体的强度，因此，井巷维护的基本原则是提高围岩强度，降低围岩应力，改善围岩的应力状态，以便充分利用围岩的自身抗力去支撑井巷地压。井巷的维护应遵循的主要原则如下。(1)合理选择井巷的位置。在生产条件允许下，尽可能选在地质和水文地质条件较好，没有软弱夹层的岩体中；尽量避免回采的影响；主要巷道应布置在崩落带以外。并保持一定距离。(2)采用合理的施工。工艺在井巷施工中，应快速掘进，尽量采用光面爆破、预裂爆破等先进的爆吞破技术，以减少爆破对围岩的震动和破坏，保持围岩体的完整性。应积极采用锚喷支护，以提高围岩岩体强度，充分发挥其自承能力。(3)选择合理的支护类型。对于以变形地压为主的巷道，应选择可缩性大的柔性支架，如锚喷支护、可缩性钢支架及在钢性支架的棚梁和棚腿的接触面、砌混凝土巷道的肩部夹入可缩性材料如橡胶等。对于以松动地压为主的巷道，则可选用有足够强度的刚性支架来支撑松动岩石的重量，如石料砌混凝土、钢木支架、钢筋混凝土支架等。(4)选择合理的断面形状和尺寸。圆形与椭圆形井巷断面的应力集中程度最低，当巷道面越高，巷道两侧的压力越大，巷道两侧应采用圆弧形断面；巷道断面越宽，巷道顶部的压力越大，巷道顶部应采用圆弧形断面，以减少应力集中。巷道断面的最大尺寸应沿着最大来压方向布置；最大来压方向的巷道周边应尽量选用曲线形状。(5)确定合理的支护时间。第三节采场地压及其控制一、采场地压的特点采场地压是指在地下开采过程中，暸岩对采场或采空区围岩及矿柱所施加的载荷。这是由于地下矿体采出后所形成的采掘空间破坏了原岩的自然平衡状态，致使岩体应力重新分布，引起采场围岩变形、移动或破坏等一系列地压现象。这些地压现象的发生和发展过程称为采场地压显现。采场的规模远远大于井巷，但由于采场空间的形状、体积、分布状况、形成及存留时间等方面的特殊性，采场地压与巷道地压有相当大的差异，归纳起来采场地压具有暴露空间大、复杂性、多变性、显现形式的多样性、控制采场地压的难度大等特点。当矿体的围岩完整、稳定时，可采用空场法开采地下资源。空场法（包括留矿法）的采场地压显现，从时间和空间上看，大体可分为开采初期采场回采期间的局部地压显现和开采中、后期大规模剧烈的地压显现两个时期。局部地压显现表现为采场矿体、围岩或矿柱的变形、断裂、片帮、冒顶等现象；大规模的地压显现表现为采空区上方大面积覆盖岩层急急剧冒落，与冒落区相邻的采场压力剧增，出现矿柱压裂、顶板破裂、采准巷道开裂及冒顶现象。二、采场地压的控制采场地压控制的主要方法如下。(1)合理确定采场断面形状及矿房、矿柱参数。利用矿柱控制采矿房的跨度、形状，并支撑上覆岩层的压力；利用围岩与矿柱的自支承能力维护回采矿房的稳定是地压控制的基本方法。为此，必须合理选择矿房、矿柱参数及矿房断面形状与布置方向，以使矿房周围应力分布尽可能地合理，既便于充分发挥围岩自承能力维护自身的稳定，又能做到充分采出矿石。(2)支撑与岩体加固。回采不稳定矿体时，常利用人工支护回采工作空间，防止冒落。传统的支护方法是用立柱、支架、木垛等进行支撑。近代又发展了岩体加固法，用锚杆、长锚索、注浆等加固不稳定矿体，增强其强度，维持其稳定。若对待采的不稳固矿体预先进行加固，则可收到预控的效果，使回采更接近于在稳固矿体中进行的状况。3)利用免压拱解除采场地压。在高压力区进行回采时，可利用形成免压拱的方法使待采矿块处于卸压区内，借以解除原有的高应力状态，使应力释放，并使来自原岩体的载荷转移到该区域之外，从而改善待采矿块的回采条件。(4)合理的回采顺序。在地质构造复杂地段应先回采高应力块段；自断层下盘后退式回采；回采空间的长轴方向尽可能与矿体最大主应力方向平行。(5)充填。在回采期间利用充填处理空区来改善采场围岩及矿柱的受力状态（充填后由于有侧向约束形成三维应力状态），增强采场围岩的稳定性和矿柱的强度，以及利用充填处理采空区，借以阻挡围岩冒落。缓和地压显现，减少地表下沉。是一种常用的地压控制方法。(6)崩落。利用崩落围岩的方法消除采空区，控制地压显现以及使承压带卸载，改善相邻采场的回采条件。第四节冲击地压及其控制一、冲击地压概念当在矿床深部（一般指1500m以上）或在构造应力很高的地区进行开采时，有时会在采掘空间周围的岩体中发生突然的爆发式破坏现象，其剧烈程度好像岩体被炸药爆炸一样。如在掘进巷道或采场围岩发生强烈的劈裂声；矿岩的弹射和振动，并引发大量矿岩碎块抛出；底板鼓起，并伴有巨大响声；气浪冲击造成井下严重破坏及地面剧烈振动（地震）。这种地压现象称为冲击地压（也称岩爆）。冲击地压有强有弱，其破坏性有大有小。按振动能大小的不同，冲击地压的强度可分为五个等级。(1)微冲击。仅有岩体或矿体表层的局部破坏和岩块弹出，岩体深部有微振动。(2)弱冲击。巷道围岩有局部破坏和少量岩块抛出，伴有明显的声响和地震振动，但对支架、设备无严重损害。(3)中等冲击。巷道围岩出现迅速的脆性破坏，并有大量岩石碎块、粉尘抛出，形成气浪冲击，可使几米长的一段巷道冒落，支架及设备损坏。(4)强烈冲击。使长达几十米的地段上支架破坏和巷道冒落，机器及设备受到损坏。发生强烈冲击地压后，井下需要大量的修复工作。(5)灾害性冲击。在整个开采区域或中段内有许多矿柱发生连锁反应式破坏，矿区或中段内巷道坍塌，甚至可使全矿井报废。二、冲击地压的控制(1)合理布置采掘工程与选择合理的回采顺序。为避免造成过高的应力集中，应尽可能避免巷道之间及巷道与构造断裂之间呈锐角交叉，使相邻采掘工程的间距达到可避免应力增高带相互重叠的程度。回采工作面应是直线布置，少出现急转角变化；采掘空间的长轴，应尽可能与岩体中最大主应力方向呈平行布置；回采时应从构造应力高的地段或构造断裂面、矿脉交叉处后退回采，以避免过高的应力集中；回采跨度的扩大，即卸压拱跨度的扩大应逐渐扩展，避免突然成倍增长（如两个采场突然合并），以防造成脉冲载荷诱发冲击地压。(2)使有冲击地压危险的矿层卸压。在矿层上部或下部先行采动，可对有冲击地压危险的萄罹起卸压保护作用。(3)使矿岩中积累的弹性变形能有控制地释放。采取松动爆破、振动性爆破，采用较小矿柱，使其小到逐渐压碎但又不至于引起强烈冲击。(4)向岩层中注水使其软化。注水可使岩体强度、弹性模量降低，而增加塑性变形成分，从而可以预防冲击地压。(5)选择合理的采矿方法。从减小冲击地压危险来看，宜选用崩落法，崩落围岩可起卸载作用。(6)减小冲击地压危害的其他措施。先用宽工作面掘进巷道，后用废石回填，在巷道周围形成一条防冲击的隔离带，使其在一旦发生冲击地压时起保护人员和设备的作用。在回采工作面架设防冲击挡板、隔栅等；采用带快速排液阀的可缩性液压支柱支撑回采工作面。第七章巷道支护方式第一节木支架巷道中常用的木支架是梯形棚子，其结构如图7-1示。木支架是由一根顶梁、两个棚腿及背板和木楔等组成。顶梁是木支架支承顶板压力的受弯构件。棚腿既是顶梁的支点，同时又支承侧压。棚腿与底板的夹角一般为80°，并应插到坚实的底板岩石上。安设时应用四个楔子把梁腿接口处与顶帮围岩之间楔紧，以便承受此处较大的挤压力和保持支架的稳定性。背板通常可用板皮、次木材或柴束等。背板的作用是使地压均匀地分布到顶梁和棚腿上，并防止碎石下落。根捩學岩的坚固程度，选用密集布置或间隔布置方式。背板与围岩之间的空隙，应用废木料或块石填实。每架棚子架好后，其平面应和巷道的纵向垂直。为了增加各架棚子的稳定性，棚子间可以打上小圆木或方木制作的撑柱或钉上拉条。顶梁和棚腿应选用同样直径的坑木，以便加工架设。根据巷道顶梁处的净宽度，支架坑木直径和每米巷道架棚数可按按表7-1选取。表7—1平巷木支架顶梁直径选择巷道净跨/m顶梁直径/m每米巷道支架数巷道净跨/m顶梁直径/m每米巷道支架数ƒ=8~10ƒ=4~6ƒ=3ƒ=8~10ƒ=4~6ƒ=31.5~1.81.8~2.02.0~2.22.2~2.42.4~2.62.6~2.82.8~3.01601601801801802002001.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.51.52.02.02.02.03.0~3.23.2~3.43.4~3.63.6~3.83.8~4.14.1~4.5＞4.52002202202202202202201.51.51.52.02.02.52.52.53.03.03.03.54.03.03.54.04.04.0木支架一般可使用在地压不大、巷道服务年限不长、断面较小的采准巷道里，有时也用作巷道掘进中的临时支架。木支架重量较轻，具有一定的强度，加工容易，架设方便，特别适用于多变的地下条件；构造上可以做成有一定刚性的，也可以做成有较大可缩性的；当地压突然增大时木支架还能发出声响讯号。所以，木支架在采矿工业中用得最早，过去也用得最广泛。其缺点是：．强度有限，不能防火，容易腐朽，服务年限短，不能阻止和防止围岩风化，特别是耗量巨大。因此，节约坑木并寻求坑木代用品，势在必行。第二节金属支架金属支架是一种优良的坑木代用品。金属支架的主要形式如下。一、梯形金属支架梯形金属支架用18～24kg/m钢轨、16~20号工字钢或矿用工字钢制作，由两腿一梁构成，其常用的梁、腿连接方式如图7-2所示。型钢棚腿下焊一块钢板，是防止它陷入巷道底板。有时还可以在棚腿之下加设垫木。钢轨不是结构钢，就材料本身受力而言，用它制作支架不够合理，但轻型钢轨容易获得，所以仍在使用。理想夕甲采用工字钢来制作这种支架。这种支架通常用在回采巷道中，在断面较大、地压较严重的其他巷道里也可使用。二、拱形可缩性金属支架拱形可缩性金属支架用矿用特殊型钢制作，它的结构如图7-3所示。每架棚子由三个基本构件组成——一根曲率R1的弧形顶梁和两根上端部带曲率为R2的柱腿。弧形顶梁的两端插入或搭接在柱腿的弯曲部分上，组成一个三心拱。梁腿搭接长度约为300～400mm，该处用两个卡箍固定。柱腿下部焊有150mm×150mm×10mm的铁作为底座。支架可缩性可以用卡箍的松紧程度来调节和阳控制，通常要求卡箍上的螺帽扭紧力矩大约为150N·m，以保证三支架粕初撑力。拱梁和柱腿的圆弧段的曲率半径R1和R2值的关系是R1/R2=1.0～1.5(常用的比值是1.25～1.30)。在地压作用下，拱梁曲率半径R1，逐渐增大，R2逐渐变小。当巷道地压达到某一限定值后，弧形顶梁即沿着柱腿弯曲部分产生微小的相对滑移，，支架下缩，从而缓和了顶岩对支架的压力。这种支架在工作中可不止一次地退缩，可缩性比其他形式支架都大，一般可达30～35cm。在设计巷道断面选择支架规格时，应考虑留出适当的变形星，以保证巷道的后期使用要求。拱形可缩性金属支架适用于地压大、地压不稳定和围岩变形量大的巷道，支护断面一般不大于12m2。支球姗距一般为0.7~1.1m，棚子之间应用金属拉杆通过螺栓、夹板等互相紧紧拉住，或打人撑柱撑紧，以加强支架沿巷道轴线方向的稳定性。第三节喷锚支护一、锚杆支护锚杆是一种安设在巷道围岩体内的杆状锚栓体系。采用锚杆支护的巷道，就是在巷道掘进后向围岩中钻锚杆孑乙，然后将锚杆安设在锚杆孔内，对巷道围岩进行加固，以维护巷道的稳定性。（一）锚杆支护作用原理1．悬吊作用悬吊作用是指把将要冒落的危岩或软弱岩层，用锚杆悬吊于上部的坚硬岩体上，由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量（见图7-4）。锚杆的这种作用就像是“钉钉子”，把容易冒落的顶板和危岩块“钉牢”在稳固的岩石上。2．组合梁作用可将平顶巷道的层状顶板看做是由巷道两帮为支点的叠合梁，在荷载作用下，各层板梁都将单独弯曲，每层板梁的上下缘分别处于受压和受拉状态。但用锚杆将各组合板梁压紧之后，在荷载作用下，就如同一块板梁的弯曲一样（见图7-5），从图中可以看出，组合前后，在相同的荷载作用下，组合后的梁比未组合的板梁的挠度和内应力都大为减少，提高了梁的抗弯强度。在层状顶板中安装锚杆后，将锚杆长度以内的层状岩体锚成岩石组合梁，可提高顶板岩层的承载能力。3.挤压加固拱作用在巷道周围系统地布置锚杆，使巷道拱部节理发育的岩体连接在一起，便在一定范围内形成一个连续的、具有一定自承能力的拱形压缩带（即挤压加固拱），使巷道围岩由原来作用在支架上的荷载变成了承载结构，支承其自身的重量和顶板压力。加固拱的厚度主要取决于锚杆布置的间距及长度，如图7-6所示。4．减跨作用在巷道内安设锚杆，能减小压力拱的高度和跨度。如在巷道跨中打一根锚杆，相当于在该处打一点柱（即增加了一个支座），使原拱分成两个小拱，小拱的跨度为原拱的一半，如图7-7所示。若打三根锚杆，相当于把原拱分成四个小拱，压力拱的跨度为原拱的四分之一，同时压力拱的高度也明显降低。5．围岩补强加固作用巷道深处围岩内的岩石处于三向受力状态，而靠近巷道周边的岩石处于二向受力状态，后者的强度远小于前者，故易破坏而丧失稳定性。在巷道周边安设锚杆后，由于锚杆托盘的挤压作用，有些围岩又部分地恢复为三向应力状态，增强了自身的强度。此外，锚杆可以增强岩层弱面的抗剪强度，使巷道周边围岩不易破坏和失稳。故锚杆可对围岩起到补强和加固作用。（二）锚杆的类型、结构及适用条件锚杆的类型很多，按其在围岩内的锚固方式不同可分为集中锚固型锚杆和全长锚固型锚杆，或称为点负荷式和全面胶结型锚杆。制作的材料不同可分为木锚杆、钢筋或钢丝绳砂浆锚杆、金属杆状锚杆、树脂和快硬水泥卷锚杆等。1．木锚杆(1)普通木锚杆普通木锚杆由木楔、托板、．杆体组成，如图7-8。杆体用优质木材制作，上下端都作成楔缝，为防止杆体劈裂，上下楔缝应在相互垂直的平面内，楔子用硬木制成，木托板一般为400mm×200mm×50mm。木锚杆安装时，先将木楔夹到上缝中，放人孔内，在下部用锤击锚杆锚固，再穿上托板，在下部打上木楔，把托板卡专住即可。这种锚杆，结构简单、制作方便、价格便宜。但锚固力小、易腐朽，多用于服务年限短的回采巷道。(2)压缩木锚杆压缩木锚杆是利用压缩木制成的锚杆。其结构如图7-8所示。这种锚杆浸湿后能沿全长迅速膨胀变粗，井下安装时，先要把它浸湿，然后立即安装，安装后能产生很大的锚固力。由于压缩木锚杆横向膨胀变形大，故常在其下端使用金属垫板金属衬套，以防木托板被劈裂。这种锚杆使用效果较普通木锚杆好，但制造工艺复杂，成本本高，储存运输困难，容易吸湿失效，故使用不普遍。2．钢筋或钢丝绳砂浆锚杆(1)钢筋砂浆锚杆钢筋砂浆锚杆是在锚杆眼内注满砂浆，然后插入钢筋，待砂浆凝固后，利用砂浆的粘结力，把锚杆牢牢粘结在锚杆孔中(见图7-9a)。还有另一种方法，先将锚杆插入孔中而后用注浆器(见图7-10)注浆。这种锚杆常用Ф（10～16）mm的螺纹钢筋；砂浆采用325号或425号普通硅酸盐水泥，粒度小于3mm的中细砂，加水拌和而成。常用1：（2~3）的灰砂比和0.38~0.42的水灰比，以手捏成团出浆，松手后砂浆不散为宜。(2)钢丝绳砂浆锚杆钢丝绳砂浆锚杆是利用Ф（10～19）mm的废旧钢丝绳代替钢筋插入孔内再用注浆器注浆而成，它能节省钢材，降低成本。钢筋和钢丝绳砂浆锚杆都具有加工方便、成本低，锚固力大而持久等特点。但是，砂浆没有硬化时，锚杆不能承载，所以在围岩破碎处，不宜采用。3．金属杆状锚杆(1)金属楔缝式锚杆金属楔缝式锚杆由杆体、楔子、垫板和螺帽组成，如图7-11所示。杆体常用Φ(18～22)mm的3圆钢制作，其上端加工成2~5mm宽、150～200mm长的纵向楔缝，另一端在100～150mm长的范围内车有三角形螺纹。楔子用软钢或铸铁制造，其大小主要取决于锚杆孔直径及彝圖部分岩石的力学性能。垫板多用厚6～10mm的钢板制作，其规格为：150mm×150mm或200mm×200mm，板中心孔直径比杆体直径大2～3mm。安装前先检查钻孔深度以及孔底是否坚硬，然后把楔子夹在杆体上端的楔缝中一起送入孔底，并在杆体下端加保护套以保护螺纹，然后用锤击打杆体下端，使上端楔子进入楔缝，楔缝胀开与孔壁相挤而固定，最后穿上垫板，拧紧螺帽。这种锚杆结构简单、容易制造，在硬岩中锚固力较大。但对钻孔深度的精确性要求高，杆体直径大，钢材消耗量多，不能回收利用，在软岩中锚固力较小，不宜采用。(2)金属倒楔式锚杆金属倒楔式锚杆是由铸铁活楔、固定楔、杆体、垫板和螺帽组成，如图7-12所示。它的锚固头是由铸铁活动楔和铸造在杆体上的固定楔共同组成。杆体通常采用Φ14~18mm的圆钢制作，下端带有螺纹，由于杆体没有楔缝，杆体直径较楔缝式锚杆稍小。安装时，把活动楔子绑在锚头的下部，一同轻轻插入锚杆孔内，然后用一根专用锤击杆，顶在倒楔上进行锤击，即可将锚杆锚固在岩层中。最后，穿上垫板，拧紧螺帽。这种锚杆结构简单、容易制造，杆体直径较小，可节省钢材。安装时，不需要完全插到孔底就能锚固，故对锚孔深度要求不严；巷道报废时，先拧下锚杆的螺帽，退下垫板，向里锤击杆体，如果松动，就可以回收，故在我国应用较广。4．树脂及快硬水泥卷锚杆(1)树脂锚杆树脂锚杆由树脂药包、杆体、垫板和螺帽组成。目前我国矿山普遍采用的通用型不饱和聚酯树脂药包有M-1—1和M-1—2两种型号，结构如图7-13所示。药包规格分别为Φ35mm×370mm和Φ35mm×240mm。它由内药包和外药包组成，内药包为Φ(8～12)mm的小玻璃管内装团化剂及少量填料；外药包为聚乙烯薄膜塑料袋或玻璃管，内装不饱和聚酯树脂、加速剂及填料（瓷粉或石英粉）。树脂锚杆杆体有钢、木两种。钢杆体结构如图7-14所示。它由Φ(16～18)mm的圆钢加工而成，杆体长1500～1800mm，插人孔底的一端加工成反螺旋麻花形或其他形状，杆体另一端带有150mm长的螺纹。为防止安装搅拌时树脂外流，在距杆顶端220mm的麻花尾部处，焊有一个Φ38mm的圆形挡圈。树脂锚杆安装时，将树脂药包放入锚杆孔内，用锚杆捅破药包，药包中的不饱和聚酯树脂在加速剂和固化剂的作用下，很快发生反应，缩聚成高分子聚合物，它具有很高的粘结强度，能将锚杆体与岩石粘结成坚固的整体。目前使用较好的是电钻安装法。即在长100mm的麻花钻杆上焊一个与锚杆相配合的螺母，焊接时，杆体与螺母要同心，焊接要牢固。安装时，应在杆体上做出孔深标记，先将药包送入孔内，再将杆体插入孔中将药包推送至孔底，然后在杆体尾部套上电钻给电转动，捅破药包搅拌，同时把杆体推至合适位置，搅拌30s左右。取下电钻，用木楔或石块挤压锚杆，以防止杆体下滑。15min后（115型树脂锚固剂）或5min后（82型树脂锚固剂），再安上托板，拧紧锚杆螺母。树脂锚杆具有锚固力大，固化时间短，能在几分钟到几小时内获得很高的初锚固力，可以迅速有效地控制围岩，故可以用于各种不同的岩层，对松软破碎岩层的支护效果尤为显著。(2)快硬水泥卷锚杆快硬水泥卷锚杆是用快硬水泥卷取代树脂锚杆中树脂药包的一种锚杆。具体杆体结构规格种类较多。快硬膨胀水泥卷，是在水泥中添加了一些外加剂，使其具有速凝、早强、膨胀等特性。药卷长240~270mm,质量为300~400g，药卷内外径可变，根据现场需要来做，其结构如图7-15所示。锚杆杆体一般用Φ16～18mm的普通圆钢制作、两端车有螺纹，并在固定一端加一垫片，亦可将垫片直接焊在固定端，以固定水泥药卷和增大摩擦面，增加初期锚固强度，杆体外露端的螺纹是用来固定托板的。全长锚固时，杆体也可用螺纹钢代替。安装时，将药卷外层塑料和外包装纸去掉，再将锚杆固定端的垫片螺帽装好，套上水泥药卷，使药卷全部置于水中泡3～5s，然后套上捣固管、缓慢将锚杆送人眼中，到底后，先用力压实，再用套管进行捣固，必要时，用锤击几次捣固管尾端，以增加初锚强度。全长锚固时，第一个药包安装方法与上述相同，而后将药卷浸水后逐一套入杆体，依照上述方法分次压实捣固即可。随后套托板，拧上螺母，待药卷具有一定的锚固力居再上紧螺螺母。快硬膨胀水泥锚杆，具有材料来源广泛，价格低廉，操作使用简便，对人体无害，初锚固力大等特点，实验表明，这种水泥药卷具有相当于树脂锚杆的锚固特性，因此得到广泛的应用。除前述几种锚杆外，常用的还有金属涨圈式锚杆，管缝式锚杆，可伸缩式锚杆，竹锚杆，拉杆式锚杆等。（三）锚杆支护参数的选择锚杆支护参数的选择，主要是确定锚杆支护的长度、直径、间距和布置方式。锚杆支护参数，分系统布置锚杆及局部布置锚杆两种情况加以讨论。1.系统布置时锚杆参数的选择系统布置锚杆是指在较大范围内有规律地布置锚杆。这时锚杆参数主要是依据锚杆加固拱原理确定。在选择锚杆长度时，还要同时考虑巷道跨度、岩石性质和使用部位的不同而有所区别。巷道跨度大，锚杆长些；用于顶板的锚杆可以较长些，用于两帮的可稍短些；岩体不稳定时，应适当加长锚杆；在墙高较大的硐室中，侧墙上的锚杆从上到下，其长度可递减。根据实际经验认为：锚杆长度至少是岩体节理宽度的3倍。在选择锚杆间距时，主要考虑岩体的稳定性和锚杆的长度。岩体不稳定时，应减小间距、加密锚杆。根据挤压加固拱理论和光弹实验：如果锚杆间距适当，就会在岩体中形成连续的压缩带。为了形成一定厚度的压缩带，锚杆的长度至少为其间距的2倍。实际中有些矿山使用的锚杆长度与间距之比仅为1.5，也能长期安全稳定可靠地工作。因此，确定锚杆参数时，可按锚杆长度与间距之比为1.5~2选取。在决定锚杆间距时，围岩的节理也是一个重要因素。据研究，当岩块相互咬合时，锚杆间距为节理间距的3倍左右被认为是安全的。系统布置锚杆时，支护参数可按以下经验公式确定：锚杆长度(m)L=N(l.1+)，L>2x(x为岩石节理间距）（7—1)式中B——巷道或硐室跨度，m；N——围岩稳定性影响系数，见表7—2。锚杆间距（m）s=（0.5~0.7）L，L<3x（x为岩石节理间距）（7—2）锚杆直径（cm）d=L（7—3)式（7—1）~（7—3）适用于跨度为12m以内的巷道或硐室工程拱部钢筋砂浆锚杆设计。对于跨度小、服务年限不长，或围岩稳定性较好的巷道、硐室，则不必系统地布置锚杆。工程中锚杆的间距通常等于排距，常取O．6-1．Om，最大不超过1.5m。锚杆的直径在荷载相同的情况下，随材质的不同而不同，当采用软钢或低合金钢时为12～18mm;竹、木为32～38mm。由于矿山地质条件复杂，设计确定的锚杆参数，还应在施工过程中根据岩石结构及破坏情况适当调整。另外，还可根据有关书籍介绍的理论方法进行计算，以供参考和验算。2．局部布置锚杆时锚杆参数的选择当出现局部不稳定结构或危岩，需要布置锚杆进行加固时，锚杆参数的确定也同样是按经验数据选取和有关公式验算。按经验数据选取：锚杆长度视具体情况而定，一般可取2.5~3.5m，甚至5m;锚杆间距取O．4一o．8m。用公式计算，多按悬吊理论计算，即不稳定结构体或危岩的全部重量由锚杆承担。因此，锚杆间距应根据锚杆的锚固力等于或大于被悬吊危岩重量的原则确定。如图7—-16所示，即：式中Q-锚固力，kN;7——不稳定结构体或危岩的平均容重，k.g/m3lK—安全系数，一般取2；H—不稳定结构体或危岩厚度，m；可通过实地测量或有关资料确定。锚杆长度L=Li+KH十L2(7-5)式中L：一锚杆锚入稳固岩层深度，m；一般取O．3m;Lz一锚杆外露长度，m;无托盘时不大于50mm;有托盘时不大于100mm。3．锚杆布置锚杆在巷道顶、帮岩面的布置有方形、矩形和梅花形等几种，其中以方形和梅花形使用较普遍（见图7-16）。方形适用于稳定的围岩，梅花形适用于围岩稳定性较差的情况。锚杆的锚入方向应与岩层面或主要裂隙成较大角度，即尽量相垂直；当围岩的岩层面与裂隙面不太明显时，锚杆应垂直于巷道周边锚入。（四）锚杆支护的施工与检验1．锚杆的安装锚杆的安装施工包括钻锚杆眼和安装锚杆两个主要工序。在锚杆安装施工前，应根据锚杆支护布置方式设计要求，用巷丧印窄标定出锚杆的眼位。打眼时，眼位、眼深、角度应符合设计要求。钻眼角度，可采用角度尺来控制。锚杆孔径应与锚杆锚头相适应。在岩层中打锚杆眼，可用6FB型锚杆打眼机、MGJ-I锚杆打眼安装机等。当条件不允许时，也可以用风动凿岩机钻锚杆眼。此时，工人劳动强度大，效率低。锚杆眼钻好后，即可进行锚杆呼装工作。不同种类的锚杆，采用不同的安装方法。施工时应按照前述锚杆的安装方法严格进行操作。另外，为保证锚杆安装质量，应注意以下问题：(1)锚杆孔深度要与锚杆长度配合适当，采用楔缝式锚杆时尤其要注意。锚杆孔过深或过浅都会使安装垫板和螺帽产生困难。金属楔缝式锚杆孔深应比锚杆短50～70mm，、倒楔式锚杆孔深应短100～120mm；(2)由于楔缝式和倒楔式锚杆的锚固力主要靠锚头与孔壁岩石接触面的摩擦阻力，所以锚杆孔直径与锚头直径也要配合适当；(3)安装托板时应尽量将岩面找平，使托板和岩面全部接触，以求托板受力均匀，增加承载能力；(4)螺帽要用大扳手尽量拧紧，使杆体中产生较大的预应力。一般认为，杆体的预拉力应达到锚杆锚固力的40%～80%。(5)安装钢丝绳砂浆锚杆，应先插入钢丝绳而后注砂浆；安设钢筋砂浆锚杆则先注满砂浆后插入钢筋。注浆前需用高压风、水将锚杆孔冲洗干净，然后利用注浆器把砂浆注人孔内。注浆时要把注浆管插到孔底，随着砂浆o<率入缓缓拔出，以保证水泥砂浆注得饱满均匀。2．锚杆质量检查锚杆支护要进行严格的质量检查，以保证较好的支护效果。主要注意检查锚杆孔直径、孔深、间排距、托板质量、螺帽拧紧程度以及锚固力。检查不合格的应重打或补打锚杆。锚杆眼深和间排距分别用标有尺寸的木棍和钢尺测量。锚杆锚固力可用ML。-20型锚杆拉力计进行拉拔试验测定。MI-20型锚杆拉力计的主要部件是一个空心千斤顶和一台SYIFI型高压手摇泵，其最大拉力为200kN，总质量12kg。试验时将空心千斤顶套人锚杆尾部，随后将高压胶管与手摇泵连在一起，远距离操作。拉拔试验时，除检查锚固力外，在规定的锚固力范、围内，要求检查锚杆拉出的滑移量不得超过IOmm。另外还要检查锚杆支护的托板或托梁是否与顶板贴紧。如螺帽与托板之间留有空隙，螺帽与托板或托梁之间只有部分接触，则必须用铁楔打紧，最好用砂浆充填密实。（五）锚杆支护的优缺点传统的架棚或砌碹支架，是在井巷掘进后作为一种独立的地下结构物，消极被动地等待地层来压和抵御围岩向井巷里，的变形。由于这些支架与围岩之间有一定的空隙，需要等围岩产生过大的变形或松散后才能充分受力，这样便扩大了井巷周围的松碎范围，同时也进一步恶化了支架的工作条件。而锚杆支架不同于传统支架，它不是消极地承受井巷周围的地压和阻止破碎岩石的冒落，而是通过锚入围岩内的锚杆，改变围岩的受力状态，充分发挥围岩的自身承载作用，把围岩从荷载变为承载，在巷道周围锚杆和围岩共同作用下，形成一个完整而稳定的岩石带，用来抵御井巷的地压和围岩的变形，从而保持围岩的完整性和稳定性。所以，锚杆支护是一种积极防御的支护方法，是地下工程支护技术的一次重大变革。1．锚杆支护的优点实践表明，锚杆支护具有以下优点：(1)节约坑木和钢材。一般木支架巷道每米需要坑木0.193～0.375mm(2)降低支架成本。据鹤岗新一矿统计，使用锚杆支护每米巷道的直接费用，相当于料石砖碹的1/5，相当于金属支架的1/7～1／8，相当于木棚支架的1/2左右。(3)掘进断面小。用锚杆支护的巷道，掘进工程量比棚式支护的约少20%，比砌碹巷道约少30%；其断面利用率可达95%，而一般支护的巷道断面利用率仅为85%～90%，砌碹巷道则只有70%～80%。(4)巷道的变形小、失修小、维修费用低。抚顺某矿曾作过一次普查，砌碹和木棚巷道失修率达19%，而锚杆支护巷道只有6.3%。(5)工作安全。使用锚杆可以改善围岩的力学性质，冒顶、片帮的可能性均可减小。(6)锚杆轻便，施工工艺简单，有利于机械化施工，可以减轻架棚、砌碹时笨重的体力劳动。(7)和棚式支架比较，可减少通风阻力。(8)有利于一次成巷施工和加快掘进速度。(9)使用范围广，适应性强。无论是一般岩石巷道，还是具有动压的采准切割巷道或有底鼓的巷道都可使用。(I0)减少运输量，有利于矿井的运输和提升。2．锚杆支护的不足之处综上所述，锚杆支护的确是一项适应性很强的，支护技术。但它本身也有一定的适应条件和不足之处。(1)锚杆支护不能完全防止锚杆与锚杆之间裂隙岩石的剥落，不能防止围岩的风化，因此，锚杆应配合其他支护措施，如与金属网、喷浆、喷射混凝土等联合使用，其适应范围和效果更好。(2)在严重膨胀性岩层、毫无粘结力的松散岩层以及含饱和水、腐蚀性水的岩层中不宜采用锚杆或锚喷支护。二、喷射混凝土支护喷射混凝土支护是将一定配合比的水泥、砂子、石子和速凝剂通过混凝土喷射机，在压缘霉气的作用下，沿着管路送至喷嘴口与水混合后以较高速度喷射在岩面上凝结、硬化而成的一种支护类型。它与普通混凝土相比，其力学性能和对围岩支护特性方面具有自捣、早强、密贴和柔性等特点。此外，喷射混凝土支护不需临时支护，施工不需模板，而且可以紧跟工作面施工，有效地防止围岩位移和此引起的矿山压力。这种支护方式在我国发展迅速，应用极广。（一）支护作用原理喷射混凝土支护作用原理大体可以归纳为以下几个方面：(1)封闭围岩防止风化作用。当在岩面上喷射混凝土（或砂浆）之后，喷层与围岩密贴成一体，形成致密、坚实的保护层，完全隔绝了围岩与空气、水的接触，有效地防止了因风化潮解而引起的围岩破坏剥落。(2)加固和补强岩体作用。喷射混凝土（或砂浆）不但能及时封闭围岩，而且能有效地充填围岩面裂隙、凹穴，将围岩粘结在一起，形成轮廓周边的连续支护，阻止围岩位移、松动，增补了围岩的强度，特别是井巷表面围岩的强度，这样能利用围岩本身的强度支护自身。(3)柔性支护结构作用。—一方面，由于喷射混凝土的粘结强度大，能和围岩紧密地粘结在一起共同工作，同时喷层较薄，具有一定的柔性，因此可以和围岩共同变形产生一定量的径向位移，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，使围岩的自支承能力得以，充分发挥，从而喷层本身的受力状态得到改善；另一方面，混凝土喷层在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生愈来愈大的支护反力，能够抑制围岩产生过大的变形，防止围岩发生松动破碎。(4)组合拱作用。被节理裂隙切割形成的块状结构围岩中，岩块间靠相互镶嵌、连锁、咬合作用而保持稳定。若围岩表面的某块危岩活石发生滑移坠落，则将引起邻近岩块的连锁反应，相继丧失稳定而坠落，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时喷射一层混凝土，使喷层与岩石的黏结力和抗剪强度足以抵抗围岩的局部破坏，防止个别危岩活石的滑移或坠落，那么岩块间的连锁咬合作用就能得以保持，这样，不仅能保持围岩自身的稳定，并且与喷层构成共同承载的整体结构——组合拱。上述喷射混凝土的作用原理，彼此之间不是孤立的，而是相互联系，互为补充的。（二）喷射混凝土施工1．喷射机具喷射混凝土机具包括喷射机及其配套机械。(1)混凝土喷射机喷射混凝土支护的发展，在一定程度上有赖于混凝土喷射机的发展。我国从20世纪60年代开始研制混凝土喷射机，先后使用过螺旋式、双罐式(WG-25型、冶建65型等)喷射机。螺旋式使用较少，双罐式使用较多。20世纪70年代，先后研制成转子—I型、转子一Ⅱ型喷射机，取代了机体高大、笨重、操作频繁、劳动强度大的双罐式喷射机。进人80年代，转子一Ⅳ型等喷射机问世，并开始进行潮喷机、湿喷机的研制工作。但目前得到广泛使用的仍是转子一Ⅱ型。(2)混凝土喷射机的配套机械人工配料、人工搅拌、人工喂料给喷射机，不仅劳动强度大、粉尘大，且配料、搅拌质量难以保证。为此，我国新近研制出HPLG-5型转子型喷射机供料装置，它可与国内各种型号的转子式混凝土喷射机配套使用，作为配比、搅拌和向喷射机供料之用。对于混凝土喷射装置，20世纪60年代前，常使用手持喷头，劳动强度大，工作条件恶劣，安全性差，喷射质量难以保证。60年代末我国研制成功简易的杠杆式机械手，后来又研制了多种。液压机械手。国产的MK一Ⅱ型机械手的构造如图7-17所示，其技术特征见表7-3。2．喷射潭凝土的材料及配合比喷射混凝土要求凝结硬化快、早期强度高，故应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。为了保证混凝土强度和凝结速度，不得使用受潮或过期结块的水泥。为了保证混凝土强度，防止混凝土硬化后的收缩和减少粉尘，喷射混凝土中的细骨料应采用坚硬干净的中砂或粗砂，细度模数宜大于2.5。为了减少回弹和防止管路堵塞，喷射混凝土的粗骨料粒径应不大于15mm。速凝剂掺量应通过试验确定，喷射混凝土初凝不应大于5min，终凝不应大于10min。喷射混凝土的强度一般要求不得低于20Mpa;水灰比以O．4—O．5为最佳。水灰比在此范围内，喷射的混凝土强度高而回弹少。根据我国实践经验，井巷支护中喷射混凝土的配合比（即水泥：砂：石子），喷射巷道侧壁时为1：（2.0～2.5）：(2.5-2．O)，喷射顶拱时为1:2．O：(1.5-2．O)。3．喷射混凝土的主要工艺参数(1)工作风压工作风压是指正常喷射作业时，喷射机工作室里的风压。工作风压决定着喷嘴出口处的风压，而喷嘴出口处的风压直接影响着回弹率与混凝土喷层质量。风压和混凝土强度、回弹率之间的关系如图7-18所示。根据试验，干式喷射时，喷嘴出口处的风压应控制在O．1Mpa，湿喷时应控制在O．15～0.18Mpa。此外，工作风压应随着输齡簿长度的增加而加大。因此，对于罐式和转子式干式喷射机水平输料在200m以内时，其工作风压可按下式估算：工作风压(Mpa)-.O．i+o．OOIX输料管长度(m)当喷射距离发生变化时可参考下述数值：水平输料每增加100m，工作风压应提高O．08～0．IMPa垂直向上每增加10m，工作风压应提高O，02～0.03Mpa。(2)水压水压应比风压大O．1Mpa左右，以利于水环喷出的水能充分湿润瞬间通过喷头的拌和料。(3)水灰比水灰比适宜时（o．4一o．45），喷层表面平整、潮润光泽、黏塑性好、密实。当水量不足时。喷层表面出现干斑，回弹率增大，粉尘飞扬；若水量过大，则混凝土滑移，流淌，如图7-19所示。(4)喷头与受喷面的距离与倾角喷头与受喷面垂直时，回弹率最低，如图7-20所示。喷头距受喷面的距离以O．8-1，2m为适宜。喷头距受喷面太近，引起灰浆四溅，回弹量剧增；离得太远，会使料束分散捣固无力，骨料大量坠落，如图7-21所不。合适的间距可以减少回弹，提高喷层强度，一般以Im左右为宜。(5)一次喷射厚度若一次喷射厚度过大，由于重力作用会使混凝土颗粒间的凝着力减弱，混辊凝土将发生坠落；若喷层厚度太小，石子无法嵌入灰浆层，将会使回弹增大，如图7-22所示。经验表明，一次喷射厚度，墙50～100mm，拱30～60mm为宜。(6)分层喷射的间歇时间当一次喷射厚度达不到设计厚度，需进行分次喷射时，后一层的喷射应在前一层混凝土终凝后进行。在常温15～20℃下喷射掺有速凝剂的混凝土时，分层喷射的间歇时间为15～20min。(7)混合料的存放时间当一次喷射厚度达不到设计厚度，需进行分次喷射时，后一层的喷射应在前一层混凝土终凝后进行。在常温15～20℃下喷射掺有速凝剂的混凝土时，分层喷射的间歇时间为15～20min。(7)混合料的存放时间由于砂、石含有—定水分，与水泥混合后，存放时间应尽量缩短。不掺速凝剂时，存放时间不应超过2h；掺速凝剂时，存放时间不应超过20min，最好随拌随用。如遇到围岩渗漏水，造成混凝土因岩面有水喷不上去或刚喷上的混凝土被水冲刷而成片脱落时，可找出水源点，埋设导水管，使水沿导水管集中流出，疏干岩面，以便喷射。有条件时也可采用注浆堵水。4．喷射混凝土施工工艺(1)施工准备工作喷射混凝土之前，应检查巷道断面尺寸是否符合要求；用高压风、水冲洗岩面，并处理活石，清除巷道两帮基底的浮石，使达到设计规定的深度(底板以下100mm);埋设控制喷层厚度的标桩；认真检查喷射机具，风、水管路，并准备好照明和防尘设施等。撬掉岩面上的活石，认真检查机械设备、管线和其他设施，发现问题及时解决。喷射开始前，调节好给料速度，给料速度太低会导致产生团块输送，而无法实现稳态喷射；相反，给料速度太快又会造成喷枪堵塞。要保证混合料搅拌均匀，随时观察围岩、喷层表面、回弹、粉尘等情况，及时调整与严格控制水灰比，掌握好工作风压、喷射距离（喷头与受喷面之间）和角度，尽可能地降低回弹率。(2)施工工艺流程采用干式喷射法喷射混凝土支护时，其工艺流程如图7-23所不。将砂石过筛，按配合比和水泥一同送入搅拌机搅拌，然后运至待喷地点，经上料机送入喷射机，再经输料管、异径葫芦管到喷嘴处与水混合，并以高速喷向岩面。需要加速凝剂时，可以与水泥一同加入搅拌机内搅拌。(3)喷射作业①划分喷射作业区段。为了保证喷射质量，提高工效，应根据喷射区的情况，混凝土凝结快慢，操作是否方便等因素，合理地划分喷射作业区段。一般以6m为为一个基本段，在基本段内再分成2m长三段。平巷喷射区段划分可参考图7-24。②喷射机操作。要严格按照作）》业规程操作，要特别注意调整好风压，减少回弹量。喷射机的开停顺序为：开动时，先开风后给水．最后再送电给料；停止时，先停止给料，待料罐中的存料喷完后再停电，最后关水停风。③喷头操作。喷头操作要先开水后开风，及时调整水灰比、喷枪与受喷面的夹角与间距；喷射顺序应是先墙后拱，自上而下呈螺旋状轨迹线，轨迹直径100～200mm，如图7-25所示。（三）喷射混凝土支护存在的问题1．喷射混凝土的回弹喷射混凝土施工中产生回弹是不可避免的。回弹既浪费了材料，又在一定程度上改变了混凝土的水灰比，影响喷层质量。施工过程中，影响回弹质量的因素很多，其中以拌和料中粗骨料的含量、水泥和速凝剂质量、混合料的均匀程度、喷射机能否在合适的风压下连续工作以及喷射手掌握喷射技术和水灰比等尤为关键。为了减少回弹，应从以上几个方面采取措施。为节省材料，降低成本，回弹物应回收利用。回弹物可作为喷射混凝土的骨料用，但掺入量不得超过总量的30%；也可就地打水沟，制作水沟盖板，以及其他低强度混凝土构件。2．粉尘问题目前，我国广泛采用的混凝土干式喷射工艺，其拌和用水是在喷头处加入的，由于拌和时间短促，拌和料不易和水混合，在拌和料以极高的速度喷出时，产生了很大的粉尘，恶化了工作环境，影响作业人员的健康。因此，必须采取措施降低粉尘质量浓度。主要措施有：加强水泥与水的混合，如适当提高砂石含水水率輊和在输料管距喷头4-5m处安设预加水环和异径葫芦管等，如图7-26所示。加强通风除尘稀释粉尘质量浓度以及加强操作人员的个人陵防护。使用湿喷机，发展湿喷工艺，消除或减少粉尘。3．喷锚支护及其优越性在喷射混凝土施工中，有时会遇到围岩渗水、涌水现象，将使喷层与岩面粘结力降低，造成喷层脱落或离层，应当加以处理才能进行喷射作业。处理的原则是：以排为主，排堵结合，先排后喷，喷注结合。主要处理方法有：导水法、快发水泥砂浆堵水法、压风吹水法和注浆法。压风水法适用于岩帮仅有少量渗水、滴水的情况；当遇有小裂隙水，可用快凝水泥砂浆封堵后，再喷混凝土；，当还有成股涌水或大面积漏水，单纯封堵不行时，必须将水导出，即在大面积裂隙水或集中出水地点，凿一喇叭口或钻孔，埋设导水管把水导出。导水管可用快凝水泥砂浆或锚杆固定。如图7-27所示。当遇有小裂隙水时，可插人稻草绳导水或用五矾灰浆堵水。三、喷锚支护及其优越性（一）喷锚支护类型及选用以上分别介绍了喷锚支护，喷射混凝土支护和喷浆支护，在一定条件下它们可以分别作为单一的支护形式来应用，但在许多场合则是采用喷锚联合支护。我国使用喷锚支护的类型有以下四种：喷射混凝土（喷浆）支护；锚杆支护；喷射混凝土（喷浆）与锚杆支护；喷射混凝土（喷浆）、锚杆加金属网联合支护。为了正确地选用喷锚支护类型和参数，首先要了解围岩的地质特征，如岩体结构和强度，特别是围岩的节理裂隙发育情况及其在空间的组合关系，以判断围岩的稳定程度，然后根据围岩的稳定等级、巷道跨度、工程性质和服务年限，参考下列原则依照表7-4确定艾护类型和参数，必要时进行一些验算。(1)对节理裂隙中等发育的中等稳定或稳定性较好的岩层，巷道跨度小于5m时，一般宜采用单一喷射混凝土支护，其主要作用是阻止个别围岩的滑移和坠落，防止由此引起的围岩松动破坏、巷道失稳。若围岩坚固稳定，为防止因长期风化作用而引起围岩剥皮掉块，可采用单一的喷浆支护。(2)对比较破碎的、节理裂隙比较发育的岩层，巷道掘进后围岩自身稳定性较差，易出现局部或大面积冒落；或对于马头门、交岔点和装载调度室等围岩集中应力较大的地方，一般应选用锚杆与喷射混凝土联合支护；受采场动压影响的采准切割巷道，因断面小、服务年限短，一般应以锚杆支护为主，必要时采用锚杆喷浆联合支护。(3)对松软破碎和断裂的岩层或围岩稳定性较差、跨度5～10m的巷道硐室。宜选用喷射混凝土加金属网或喷射混凝土、锚杆加金属网联合支护。金属网的作用是提高混凝土的整体性，使混凝土的应力均匀分布，防止喷层收缩开裂和增强喷层的抗震能力，并能提高喷层的抗剪、抗拉强度。金属网可用直径2.5～10mm的铅丝或钢筋预先编好，用托板固定或绑扎在锚杆上。为了便于施工和避免喷射混凝土时金属网背后出现空洞，金属网格不能过小，喷射混凝土时网格尺寸应不小于200mmX200mm，喷浆时网格应不小于50mmX50mm。在这种联合支护中，混凝土喷层厚度应不小于100mm，以便将金属网完全覆盖住，并使金辰属网至少有20mm厚的保护层。（二）锚喷支护的优越性锚喷支护的施工工艺和支护原理与传统的被动支护迥然不同，因而具有很大的优越性；(1)施工工艺简单，机械化程度较高，有利于减轻劳动强度和提高工效；(2)施工速度快，为组织巷道快速施工、一次成巷创造了有利条件；(3)喷射混凝土能充分发挥围岩的自承能力，并和围岩构成共同承载的整体，使支护厚度比砌碹减少1/3～1/2，从而可减少掘进和支护的工程量，节省建设资金。此外，喷射混凝土施工不需要模板，还可节约大量木材和钢材；(4)质量可靠，施工安全。因喷射混凝土层与围岩粘结紧密，．只要保证喷层厚度和混凝土的配合比，施工质量容易得到保证。又因喷射混凝土能紧跟掘进工作面进行喷射，能及时有效地控制围岩变形和防止围岩松动，使巷道的稳定性容易保持。许多施工经验说明；即使在断层破碎带，喷锚支护（必要时加金属网）也能保证施安全；(5)适应性强，用途广泛。喷锚支护或喷锚加金属网联合支护，不仅广泛用于矿山井巷硐室工程，而且也大量用于交通隧道及其他地下建筑工程；既适用于中等稳定岩层，也可用于节理裂隙发育的松软破碎岩层；既可作为巷道的永久支护，也可用于临时支扩护和处理冒顶事故。但也必须看到，喷锚支护尽管是一项适应性较强的先进技术，但它毕竟也有一定的适用条件，不能把它绝对化。事实证明，在严重膨胀性岩层、毫无粘结力的松散岩层层以及含饱和水、腐蚀性水的岩层中不宜采用锚喷支护。此外，喷锚作为一种新的支护技术，还存在诸如粉尘大、回弹率高、支护理论不够完善等问题，有待进进一步研究解决。第四节砌碹支护一、砌碹支护材料砌碹支护是矿山巷道支护的一种主要形式，它主要用于岩石松软破碎和节理裂隙比较发育及渗水的岩体区段中。（一）混凝土混凝土是以水泥为胶凝材料，与水和骨料按适当比例配合拌制成的拌和物，再经硬化后所得到的人造石材。可通过改变其配合比而得到不同的物理、力学性能，以满足各种工程中的不同要求。1．对混凝土的要求(1)混凝土的拌和物应具有一定的和易性便于施工时浇注振捣密实，并能保证混凝土的均匀性。(2)混凝土经养护至规定龄期，应达到设计所要求的强度。(3)硬化后的混凝土应具有适应于所处环境条件下的耐久性，如抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性及抗冲击耐磨性能等。(4)在保证混凝土质量的前提下，各项材料的组成应经济合理，尽量节约水泥以降低成本。2．混凝土的材料组成混凝土由水泥、水及粗细骨料组成，水泥由经销单位按所需品种直接购入合格产品即可，一般不作有关技术参数的检验，如需检测可外委有关专业单位进行。(1)细骨料（砂）可采用天然砂，如河砂、海砂及山谷砂，其中以河砂应用较多，也可采用坚硬岩石磨碎的人工砂。通常规定砂的粒径范围为0.15～5.0mm，大于为了保证混凝土的质量，砂中有害物质的含量应低于技术规范中的有关规定（见表7-5）。砂中有机物质的含量，须用比色法进行检验。砂中的活性氧化硅，能与水中的碱分(K2O及Na2O)起作用，产生碱骨料膨胀反应，使混凝土产生裂缝。因此，当砂中含有活性氧化硅且水泥中含碱量超过0.6时，须进行混凝土试验，以鉴定其有无膨胀反应。海砂中含盐量较大时，对钢筋有锈蚀作用，故当含盐量（氯化钠的总含量）超过0.1%时应通过淋洗，也可在混凝土中掺入水泥重量0.6%～1.0%的亚硝酸钠，以抑制钢筋锈蚀。用于拌制混凝土的砂，工程中常采用细度模数来表示其粗细程度。细度模数是用筛分分析法来测定的。将通过5mm筛的砂样烘干，称取500g，再用一套孔径为2.5、1.2、0.6、0.3和0.15mm的标准筛，由大到小顺序过筛，然后称出遗留在各个筛上的砂子重量，并计算各筛上“分析筛余”百分数及累计筛余百分数，从而可以判断砂子的粗细程度及其颗粒级配置是否适宜。细度模数按下式计算：砂的细度模数：各筛累计余百分数总和例如某砂样的筛分析结果如表7-6。由上表的筛分结果，可算出细度模数如下：细度模数＝一般沙为细度模数大于3.2的称为粗砂；在2.5～3.2之间的为中砂；在1.8～2.5之间的称为细砂；小于1.8的为特细砂。普通混凝土用砂的细度模数，一般在2.2～3.2之间较为适宜。(2)粗骨料（卵石与碎石）。骨料粒径大于5mm的叫粗骨料。粗骨料有卵石和碎石两种。与卵石混凝土比较，碎石混凝土所需水泥浆较多，但碎石与水泥浆的胶结力较强，所以在同样条件下，碎石混凝土强度较高。由于碎石是岩石经加工而成，故成本较卵石为高。粗骨料的有害杂质主要有：黏土、淤泥及细屑；硫酸盐及硫化物；有机物质；蛋白石及其他含有活性氧化硅的岩石颗粒等。一般规定，黏土、淤泥及细屑的含量应不超过1%；硫酸盐及硫化物的含量（以SO3重量计），应小于0.5%;有机物质含量，须用比色法进行检验。当粗骨料中含有蛋白石及其他活性氧化硅的岩石颗粒且水泥含碱量大于0.6%时，必须进行混凝土试验，以鉴定其有无碱——骨料膨胀反应。粗骨料的粒径分为．5～20mm;20～40mm;40～80mm;80～150（或120）mm四级。粗骨料经筛分后按如上级别堆放。粗骨料的粒径级配通过试验确定。(3)混凝土拌制及养护用水。凡可饮用的水，均可用来拌制和养护混凝土。工业废水，污水及沼泽水不能使用。天然矿化水能否．使用，须经试验确定。在缺乏淡水的地区，纯混凝土允许用海水拌制，但应加强对混凝土的强度检验；对于有抗冻要求的混凝土，水灰比应降低0.05。3．混凝土配合参数的确定水灰比、砂率及单位用水量是混凝土配合比的三个重要参数，其与混凝土各项性能之间有着密切的关系，正确地确定这三个参数是至关重要的。(1)水灰比的确定。水灰比的大小；直接决定着混凝土的强度n耐久性。确定水灰比的原则是在满足强度及耐久性的前提下，尽可能选用较大的水灰比以节约水泥并满足大体积混凝土的低热性。确定方法如下：满足强度要求的水灰比，可根据本工程所建立的混凝土强度与水灰比的关系曲线或关系式求得，也可按下式初步选定。式中：R28——扛混凝土28天龄期的抗压强度；Rh——水泥标号（水泥标号以kgf/cm2为单位，当R28用MPa作单位时，水泥标号应除以10）；C/W——灰水比，即水灰比W/C的倒数；A、B-经验系数。A及B的数值按如下方法选用：对卵石混凝土，普通硅酸盐水泥：A=O.371,B产o．452；矿渣硅酸盐水泥：A-0.372，B=O.664。对碎石混凝土，普通硅酸盐水泥：A=O．422，B=O．561；矿渣硅酸盐水泥：A=O．381，B＝O．581。当水泥标号采用软练标号时：对卵石混凝土：A=O．471，B=O．563;对碎石混凝土：A=o．514，B=O，575。由于在施工过程中将会出现混凝土质量不述均匀的现象，因此在确定水灰比时，应根据本工程施工质量控制的哟水叉平及设设计脱定啶的强度保证率，将混凝土的设计标号适适当提建高10%~20%，再计算水灰比，以求安全。(2)单位用水量的确定。确定用水量的原则，应以混凝土拌和物达到要求的流动性为准。但影响用水量的因素很多，工程上常按如下方法确定单位用水量：先根据拌和物坍落度的要求参照表7-7进行初步估计。然后按估计的用水量试拌混凝土，测定其坍落度，若坍落度不符合要求，应适当调整用水量（注意保持水灰比不变），再作试验，直至符合要求为止，即可定出单位用水量。注：1．本表适用于卵石、中砂所拌制的混凝土；2．使用细砂时，用水量需酌加s～iokg*3．使用母；（z时，用水量需酌加io～iskg；·4．使用火山灰质硅酸盐水泥时，用水量需酌加10～20kg;5．掺用加气剂或塑化剂时，用水量可酌减10～20kg;6．使用人工砂时，用水量需增加6～9kg。(3)砂率的确定。砂率是指砂的用量占砂石总重量的百分数，它表示砂与石子两者的组合关系。由于砂子的粒径远比石子为小，砂率的变动，会使骨料的总表面积有显著的改变，将对混凝土拌和物的流动性特别是黏聚性有很大的影响。因此，在确定混凝土的配合比时，必须选定最优砂率。最优砂率就是在保证混凝土拌和物具有良好的黏聚性并达到要求的流动性时，水泥用量（或用水量）最小的砂率。通常确定砂率时先参考经验图表初步估计，然后再通过混凝土拌和物和易性试验确定，具体确定方法如下：预先定出几个砂率，拌制几组混凝土，进行和易性对比试验，从中选出最优砂率；也可预先估计出一个砂率，拌制混凝土，进行和易性试验，经过调整确定，表7-8所列砂率，可供初步估算时参考。（二）钢筋混凝土将钢筋按一定方式绑扎后浇注在混凝土中而成为钢筋混凝土。钢筋一般用3号、16锰和5号钢制作。主筋直径为12～25mm，间距为150～300mm;副筋直径为8～12mm，间距为200～500mm;如混凝土工程处于高寒和有酸侵袭的环境中，应在混凝土中加人相应的添加剂，以达防冻和防酸的目的。（三）混凝土预制块混凝土预制块是将拌制好的混凝土料在施工之前浇铸成块，以便在施工时砌筑。其对混合料组成的要求以及拌制工艺均相同于混凝土料的制备。预制块的形状通常有矩形块和异形块两种，异形块的形状取决于巷道断面形状，如平巷的拱顶部位。矩形块多用于彳巷道两帮直墙部分的砌筑。预制块的宽度等于支护厚度。每块预制块的尺寸和重量以施工方便为准。（四）砖及料石砖及料石是常用的建筑材料，来源广且便于就地取材。表7-9和表7-10列入了砖及料石的力学性能参数，可资参用。砖的常用尺寸如下：砖名建筑标准砖隧道拱砖尺寸(mm)240X115X53长、宽、厚的比例参照拱石规定，具体尺寸由设计规定当用砖及料石进行砌筑支护时，是用砌筑砂浆将其黏结在一起的。砌筑砂浆的质量对于砌筑支护的质量高低，起着很大的作用，应给予足够的重视。表7-11给出了多种型号的砂浆配合比，供采用。二、支护厚度的确定支护厚度的确定取决于巷道围岩的性质及跨度以及所采用的支护材料。1．按表格选取支护厚度当支护跨度在7m以下时，岩石坚固性系数f-3～10，不同材料的支护厚度按表7-12选取。2。按曲线图查取支护厚度本曲线图适用于铁路隧道支护，跨度Z＝4.9～5.9rn，岩石坚固性系数广≤8。由于矿山巷道的服务年限，一般地讲均较交铁路隧道的服务年限为短，故矿山巷道由本曲线查取支护厚度时，应对查取结果进行修正(图7-27)。：3．按经验公式计算支护厚度。(1)按我国铁道专业设计院建议的公式当混凝土的标号为150号时单线隧道(净跨zo=4.9m)Do=(0.6-1.00)f双线隧道(净跨z—8.9m)；Do=(0.08-1.60)f断面其他部位厚度Dn-(1.0-1.5)doDcm=(1.0-1.6)doDs-(0.6一0.8)doHx=(1.0-1.8)dn式中d。——拱顶厚，cm：D，——拱脚厚，cm;D咖-边墙厚，cm：D：——底拱厚，cm；H。——基础宽，cm。(2)按国外经验公式①当混凝土标号为150～200号时J。：：：(o．07-0.6)／单线隧道D。＝(O．lO～I．OO)／双线隧道与中心线呈60。角的拱圈截面厚Dn=(1.2-1.4)do最大跨度处墙厚dcm-(1.4-2.0)do仰拱厚d。=（o．5-0.8）d。边墙基础宽厄。：：：(1.2～1.6)dcm式中低值用于岩石坚固性系数／>4的岩层；高值用于f≤8的岩层中⑩do=8.s知l之Of)式中d。——拱净跨之半，cm;H。——拱的净矢高，cm;。——拱的净跨，cm：顶板岩石坚固性固性系数；第八章地下支护与撬毛车辆第一节地下支护车辆一、混凝土输送车混凝土输送车主要是与地下混凝土喷射车或混凝土喷射机配套使用的，用于输送按一定水灰比配制的混凝土。也可将砂、水泥及水按一定配比加入输送车搅拌筒内，进行搅拌，然后再运送到喷射施工地点。地下混凝土输送车的搅拌筒采用水平布置的方式，整车高度比地表用的倾斜式搅拌筒的混凝土输送车明显降低，因此可用于地下矿山、铁路隧道、水电工程、地铁和国防等工程中的混凝土输送。混凝土输选送车的应用，改善了我国井下喷锚支护中混凝土喷射料运输和供料的半机械化或人工供料的落后状态，提高了混凝土喷射支护作业的机械化程度。下面以北京矿冶研究总院研制的HC-I.5型井下混凝土输送车（见图8-1）为例来介绍混凝土输送车的工作原理及结构组成。（一）混凝土输送车工作原理及结构组成混凝土输送车主要由行走底盘和工作机构两部分组成。行走底盘包括传动系统、前后铰接车架、全液压转向系统、湿式多盘制动系统和电气系统等。工作机构主要由混凝土搅拌筒、搅拌筒旋转及卸料的液压驱动系统组成。1．行驶传动系统行驶传动系统如图8-2所示。该传动系统以德国DEUTZ公司的F4L912W风冷低污染柴油机6驱动轴向柱塞变量泵5，该液压泵与轴向柱塞定量马达4用压油管相连，液压马达驱动分动箱3，然后通过传动轴驱动前后桥，实现双桥驱动。该系统分静液压传动和机械传动两部分，属于液压高速传动系统。(1)液压传动系统该系统由A4V71DA型轴向柱塞双向变量油泵和A2F63型轴向柱塞定量马达用高压油管连接成液压闭式回路，见图8-3中4、5系统可分为主回路、补油回路、控制回路和压力反馈四部分。①主回路。主回路的作用是将柴油机动力从变量泵的输入端经液压能转换后传递到定量马达的输出端，再经分动箱、前后传动轴、前后驱动桥驱动底盘行走。②补油回路。补油回路的作用是补偿变量泵和定量马达的内泄漏，保持主回路中低压侧压力为适宜值，为控制回路提供压力油，为停车制动器提供松闸压力油。③控制回路。控制回路用来感知柴油机的转速变化，并根据柴油机转速的大小对变量泵的排量进行控制，从而达到通过柴油机油门踏潦亨接控制车速的目的。④压力反馈。A4V71DA变量泵具有压力反馈功能，随着外负荷的加大，油泵的排量随之减小，以保护柴油机免于过载，也免去了频繁的换挡操作，使驾驶简单方便。该液压无级变速系统与液力传动系统相比有如下特点：①由于液压连接方面的柔性，便于整车，漶体布置，使整车结构更加紧凑。②不必换挡，免去了频繁的换挡操作及换挡时的动力冲击，使车辆行驶更加平稳。③即使在不使用行车制动和停车制动的情况下，仍然可以利用液压驱动系统的中位来辅助制动，增加了行车的安全性。④对于行驶不作为主要工况的车辆，该传动系统综合性能较好。(2)机械传动系统机械传动系统如图8-2所示。由于车辆的行驶速度和方向均由液压传动系统控制，而机械传动部分主要是为了增加减速比，提高输出扭矩。该系统由一级减速分动箱的输出端分别与前后传动轴相连，从而同时驱动前后桥。该传动形式驱动能力强，适合井下坡道及路况较差的情况下运行。2．制动系统HC-1，5的制动系统为湿式多盘制动器，其安装位置如图8-4所示，制动控制系统如图8-3中下部所示，行车制动和驻车制动用同一制动器。行车制动时，踏下脚踏制动阀12，液压油进入制动油缸16的行车制动油腔，即可实现工作制动；当液压系统出现故障时，利用蓄能器14中的液压油仍可实现制动。驻车制动采用弹簧制动液压松闸，松闸的液压油来自行走变量泵的补油泵（从图8-3中16的右侧进油）。3．工作机构该工作机构主要由搅拌筒和搅拌筒驱动系统组成，其结构如图8-5所示。搅拌筒9由圆柱和圆锥体两部分构成。通过支承水平卧置在后车架上，其前支承为一双列向心球面滚子轴承4，支承在搅拌筒的中心轴上；后支承是位于搅拌筒架上的两个左右对称布置的滚动托辊12。搅拌筒内壁焊接有两条连续的带状螺旋叶片，在搅拌筒进行正反向旋转时，螺旋叶片可对筒内的混凝土料进行搅拌或卸料。混凝土输送车在运送混凝土途中，由于车辆的振动及混凝土的固有特性，容易使混凝土产生离析。因此在运送混凝土途中，需使搅拌筒低速转动，通过搅拌筒内的螺旋叶片不停地搅拌筒内的混凝物料，使其保持均匀。HC-1.5型混凝土输送车搅拌筒的驱动方式为液压——机械式，图8-6为其液压系统原理图。安装在柴油机皮带轮端的A4V40HW型轴向柱塞双向变量泵2和JM33–E025型径向柱塞定量马达1组成无级调速闭式液压回路。操纵轴向柱塞双向变量泵的手动液压伺服阀，即可改变泵的斜盘方向与倾角大小，从而改变泵的液压油输出方向及排量，并改变马达的回转方向与转速。图8-5中径向柱塞马达8（即图8-6中的1）的输出轴与小链轮7相连，小链轮7经链条6带动大链轮5，由大链轮带动搅拌筒回转。因为泵与马达组成的液压回路使马达的转速可无级调节，因而，搅拌筒的转速是无级调节的。如图’8-5所示，按一定比例拌好的混凝土料由搅拌筒的侧口加人，加满料后将侧盖10装上旋紧。这时，控制端盖14启闭的内藏式油缸11的活塞杆回缩，通过推拉杆13使搅拌筒的端盖14紧压在搅拌筒的锥形端口处，使筒内的物料在运送途中不致泄漏。卸料时，操纵图8-6中的手动换向阀6（装在搅拌筒架上），从齿轮泵7出来的液压油经手动换向阀6再经回转接头5、经液压胶管进入油缸4（图8-5中的11）的无杆侧，驱动活塞杆外伸，通过推拉杆13（见图8-5）将端盖14打开。操纵轴向柱塞双向变量泵的控制手柄，使搅拌筒向卸料方向旋转，由于搅拌筒内螺旋叶片的推动传送作用，搅拌筒内的混疑土物料随搅拌筒的转动而不断排出。调调节变量泵的排量，即可调节搅拌筒的转速，从而调节卸料速度。搅拌筒的卸料速度可根据喷射设备的生产能力来确定。HC-1.5型混凝土输送车的卸料能力为O．005m3/r。4．HC-1.5型混凝土输送车性能参数HC-1.5型混凝土输送车性能参数见表8-1所示。（二）工作机构的操作工作机构的操作装置如图8-7所示。(1)装料时首先将输送车停放在合适的装料位置，将行车方向关转到中位，将手动油门拉杆拉出处于加速位置。(2)操作图8-7中卸料口控制手柄2，关好卸料口，并操作搅拌筒驱动手柄1使装料口向上。(3)打开圆形盖，向筒内装料。装料量最多不超过筒的2/3，否则不能搅拌。(4)清理干净料口与盖的接触面，盖好圆形盖，然后将手动油门拉杆复位。(5)运行中按车辆行使操作方法，将料运到目的地，如果是运送混凝土，则运行过程中需使搅拌筒按搅动方向（顺时针）旋转，搅动混凝土，转速约2～3r/min，避免混凝土产生离析现象。运送干料无需搅动。(6)到达卸料位置后，使卸料口对准混凝土喷射机料斗，将行走方向开关扳到零位。(7)卸料时首先将手动油门拉杆拉起，使柴油机空载转速加快。(8)操纵搅拌筒驱动手柄1，使搅拌筒向卸料方向旋转（逆时针），转速约为15～22r/min。(9)操作卸料控制手柄2，打开卸料口开始卸料，卸料速度由卸料口开起大小控制。lO)料卸净以后，关好卸料口，将手动油门拉杆复位，然后驶出工作地点。(11)完成运料工作后，需将搅拌筒内的残于剩料及时冲洗干净，避免粘结。同时也要清洗整机，使机器保持清洁。二、混凝土喷射车喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力将按一定配比的水泥、砂子、石子和速凝剂的拌和物，通过管路压送到喷嘴处，以较高的速度(30～120m/s)喷射到受喷面上凝结硬化而形成的一种混凝土。与普通混凝土相比，喷射混凝土在物理力学性质和围岩支护特性方面具有：自捣、密贴、柔性、施工机械化程度高、施工速度快、成本低和适用范围广等特点。因此，混凝土喷射支护在地下矿山、地下工程、水电涵洞、交通隧道等施工中已得到到广泛应用。喷射混凝土的设备主要有：混凝土喷射机和混凝土喷射机械手，混凝土喷射机是实施喷射混凝土作业的主要机械。随着喷射混凝土支护技术的发展，大断面地下工程及软弱围岩条件下的喷射混凝土工程日益增加。在这种条件下，采用人工操作喷嘴不能适应及时地紧跟工作面施作喷射混凝土的要求；而且因粉尘较多和回弹物散落，作业条件差，劳动强度大，喷拱时尤其困难。喷射混凝土机械手是在这种背景下产生的，喷射混凝土机械手能对喷嘴进行远距离控制，明显地改善了作业条件。混凝土喷射车就是在专用发动机底盘上安装混凝土喷射设备，实施快速喷射支护作业。混凝土喷射车的工作机构是混凝土喷射机和喷射机械手。混凝土喷射车工作原理及结构组成现以北京矿冶研究总院研制的HPC-11型混凝土喷射车为例，介绍混凝土喷射车的结构组成及工作原埋。HPC-11型混凝土喷射车是集机、电、液于一体的新一代全机械化混凝土喷射设备，该设备具有湿式喷射混凝土、喷射能力大、粉尘小、回弹率低等显著优点，可广泛应用于地下矿