1、采煤概論 吳 啟 勇 副 教 授 電話：QQ：78922945,第九講 巷道掘進(jìn)（三）：巷道錨噴支護(hù),巷道掘進(jìn)（二）： 一、鉆眼爆破 （上）鉆眼機(jī)具 （下）爆破材料 二、裝巖和運(yùn)輸 三、巷道掘進(jìn)輔助工序 巷道掘進(jìn)（三）： 四、巷道支護(hù)（錨噴支護(hù)）,為了保持巷道的穩(wěn)定性，防止圍巖發(fā)生垮落或過(guò)大變形，巷道掘進(jìn)后一般都要進(jìn)行支護(hù)。 在巷道施工中，支護(hù)工作量占有很大的比重，支護(hù)的工作進(jìn)度直接影響成巷速度。,四、巷道支護(hù)（錨噴支護(hù)）,過(guò)去，人們常把架設(shè)各種形式的支架作為維護(hù)巷道的主要手段。我國(guó)煤礦的巷道支護(hù)，曾先后采用過(guò)不同結(jié)構(gòu)形式的木材支架、金屬支架、預(yù)制鋼筋砼支架，以及料石

2、砌碹、整體澆灌砼碹等等。,以上這類支架在各個(gè)發(fā)展階段，對(duì)維護(hù)各種不同巷道都取得了一定的效果。但這類支架不能積極地發(fā)揮圍巖的自承能力，而是靠支架構(gòu)件的強(qiáng)度消極被動(dòng)地承受地壓，因此不僅消耗支架材料多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且施工速度慢，嚴(yán)重影響了巷道快速施工。,近三十年來(lái)，錨噴支護(hù)的推廣使用，是巷道支護(hù)技術(shù)的重大進(jìn)步。由于錨噴支護(hù)的施工工藝和支護(hù)原理與傳統(tǒng)的被動(dòng)支護(hù)迴然不同，因而它具有很大的優(yōu)越性。 棚式支架和石材支架是在巷道圍巖的外部對(duì)巖石進(jìn)行支撐，它只是被動(dòng)地承受圍巖產(chǎn)生的壓力和防止破碎的巖石冒落。 錨桿支護(hù)則是通過(guò)錨入圍巖內(nèi)部的錨桿改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，在巷道周圍形成一個(gè)整體而又穩(wěn)定的巖石帶，利用

3、錨桿與圍巖共同作用,達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。所以它是一種積極防御的支護(hù)方法，是巷道支護(hù)技術(shù)的重大突破。,（一）錨噴支護(hù)的優(yōu)越性,其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1、施工工藝簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度高，有利于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工效； 2、施工速度快，為組織巷道快速施工、實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)一次成巷創(chuàng)造了有利條件；3、能與圍巖形成共同工作的力學(xué)體系，能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，因而支護(hù)效果好，用料省。支護(hù)厚度比料石砌碹減少1/31/2，用鋼量?jī)H為U形鋼支架的1/121/15，從而減少井巷掘進(jìn)和巷道支護(hù)工程量；,4、質(zhì)量可靠，施工安全。錨桿與噴射砼（砂漿）結(jié)合使用，噴射砼層與圍巖緊密粘貼，只要保證噴射厚度

4、和砼的配合比，施工質(zhì)量就能得到保證，又因噴射砼能夠緊跟掘進(jìn)工作面進(jìn)行噴射，可用時(shí)有效地控制圍巖變形和松動(dòng)，保持巷道穩(wěn)定； 5、適用范圍廣。錨噴(網(wǎng))聯(lián)合支護(hù)，不僅廣泛應(yīng)用于礦山井巷硐室工程，在交通隧道及其它地下建筑工程中也得到了廣泛應(yīng)用；它既適用于中等穩(wěn)定巖層，也能用于節(jié)理裂隙發(fā)育的松軟破碎巖層；既可作為巷道的永久支護(hù)，也可用于臨時(shí)支護(hù)和處理冒頂事故。,但也必須看到，錨噴支護(hù)作為一種新的支護(hù)技術(shù)還在不斷發(fā)展完善過(guò)程中，還存在一些有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題，譬如降低粉塵和減少回彈問(wèn)題，施工機(jī)械化配套問(wèn)題以及錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)理論問(wèn)題等等。 總的來(lái)說(shuō)，錨噴支護(hù)是一項(xiàng)多快好省的支護(hù)方法，是一項(xiàng)先進(jìn)可行的施工技術(shù)

5、，它具有廣闊的發(fā)展前途和強(qiáng)大的生命力。因此煤礦井巷工程錨桿、噴漿、噴射混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，煤礦立井、斜井、平硐、巷道和各種硐室工程的設(shè)計(jì)一般采用錨噴支護(hù)。,（二）錨桿支護(hù)的作用原理,1、加固拱作用 2、懸吊作用 3、組合梁作用 4、圍巖補(bǔ)強(qiáng)作用 5、減少跨度作用,1、加固拱作用 對(duì)于被縱橫交錯(cuò)的弱面所切割的塊狀或破裂狀圍巖，如果及時(shí)用按一定密度布置的錨桿加固，就能提高巖體結(jié)構(gòu)弱面的抗剪強(qiáng)度，在圍巖周邊一定厚度的范圍內(nèi)形成一個(gè)不僅能維持自身穩(wěn)定、而且能阻止其上部圍巖松動(dòng)和變形的加固拱，從而能保持巷道的穩(wěn)定性。,蘭格（T.A.Lang）通過(guò)光彈性試驗(yàn)論證了加固拱的形成。在彈性體上安裝具有預(yù)張力

6、的錨桿，在彈性體內(nèi)便以錨桿的錨頭和擰緊部為頂點(diǎn)，形成算盤珠式分布的錐形體壓縮帶，如果把錨桿以適當(dāng)間距排列，使相鄰錨桿的錐形體壓縮帶相重疊，就會(huì)形成一個(gè)厚度為的均勻連續(xù)壓縮帶（圖1013）。它不僅能保持自身的穩(wěn)定，而且能阻止上部圍巖的松動(dòng)和變形。擠壓加固拱的形成關(guān)鍵在于對(duì)錨桿施加預(yù)張應(yīng)力。錨桿預(yù)應(yīng)力的作用，一方面在錐體壓縮區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而增大了巖塊之間的內(nèi)摩擦力，提高了巖體強(qiáng)度；另一方面使壓縮帶內(nèi)的巖石處于三向受壓狀態(tài)，使巖體強(qiáng)度得到提高。,圖1013錨桿的擠壓加固拱作用 （）單體錨桿對(duì)破裂巖石的控制；（）錨桿的擠壓加固拱 1錨桿；2巖體擠壓加固拱；3噴混凝土層；4巖體破碎區(qū),試驗(yàn)表明：加固

7、拱厚度取決于錨桿長(zhǎng)度L與錨桿間距D的比值，其關(guān)系見(jiàn)表102。對(duì)于我國(guó)大量使用的一般不進(jìn)行預(yù)張拉的鋼絲繩砂漿錨桿是否也有加固拱的效應(yīng)呢？國(guó)內(nèi)一些單位的試驗(yàn)證明，非張拉的鋼絲繩（或鋼筋）砂漿錨桿，同樣可以加固圍巖、形成加固承載拱。 表102加固拱的厚度與錨桿參數(shù)的關(guān)系,2、懸吊作用 所謂懸吊作用，是指把將要冒落的危巖或軟弱巖層，用錨桿懸吊于深部完整堅(jiān)固的巖體上，由錨桿來(lái)承擔(dān)危巖或軟弱巖層的重量（下頁(yè)圖）。如果對(duì)錨桿施加一定預(yù)張拉力，增加巖層間的摩擦力，還能進(jìn)一步增強(qiáng)其抑制圍巖移動(dòng)的效果?？梢?jiàn)，即使在這樣特定的條件下，錨桿也并不是起單純懸吊作用，而同時(shí)對(duì)圍巖起著組合加固的作用。,圖1014錨桿懸吊作

8、用(a)懸吊軟弱層狀頂板 (b)懸吊危巖,3、組合梁作用 對(duì)于平頂巷道的層狀頂板可以看作是以巷道兩幫為支點(diǎn)的迭合梁。組合梁作用是指將層狀巖體各層間用錨桿連結(jié)并緊固(圖1)，錨桿把數(shù)層薄的巖層組合成類似鉚釘加固約組合粱。試驗(yàn)研究證明：幾塊板迭合在一起的迭合梁，由于層間抗剪力不足，在荷載作用下，各層板都有各自的單獨(dú)彎曲，各層板的上下緣分別處在受壓和受拉狀態(tài)（圖1015）。,當(dāng)錨桿將它們緊固之后，各層板便相互擠緊，層間摩擦阻力大大增加。在荷載作用下各層之間基本上不發(fā)生離層、錯(cuò)動(dòng)，就象是同一塊板的彎曲，大大增加了板系的抗彎強(qiáng)度（圖1015）。因此，在層狀頂板的巷道中，在頂板上安裝了錨桿，便把層狀頂板由

9、迭合梁變成組合梁，從而提高了頂板巖層的承載能力；而錨桿本身也起到抗剪銷釘?shù)淖饔茫芨行У刈柚箮r層的層間錯(cuò)動(dòng)。,板梁組合前后的撓度和內(nèi)應(yīng)力對(duì)比,4、圍巖補(bǔ)強(qiáng)作用 巷道圍巖深部的巖石處于三向受壓狀態(tài)。靠近巷道周邊的巖石則處于雙向受力狀態(tài)，所以容易破壞而喪失穩(wěn)定性。巷道周圍安裝錨桿后，相當(dāng)于巖石又恢復(fù)了三向受力狀態(tài)，從而增大了它的強(qiáng)度。另外，錨桿還可以增加巖層弱面的抗剪強(qiáng)度，使圍巖不易破壞和失穩(wěn)。這就是錨桿對(duì)圍巖的補(bǔ)強(qiáng)作用。,21,5 、減少跨度作用 巷道頂板打了錨桿，相當(dāng)于在該處增加了支點(diǎn)，減少了頂板跨度，從而增強(qiáng)了頂板巖石的穩(wěn)定性，使巖石不易變形和破壞。 必須指出的是，錨桿支護(hù)的上述幾種作用并

10、不是各自孤立存在，而往往是同時(shí)并存、相互補(bǔ)充的，只不過(guò)在不同條件下某種支護(hù)作用占主要地位而已。例如，在拱形巷道中用錨桿加固圍巖，加固拱的作用是主要的；而在支護(hù)平頂層狀頂板巷道中，組合梁作用則是主要的。,23,（三）錨桿的類型、結(jié)構(gòu)和適用條件 目前國(guó)內(nèi)外使用的錨桿類型很多，但按其對(duì)巖體的錨固方式來(lái)說(shuō)，不外乎“機(jī)械錨固型”（點(diǎn)負(fù)荷式）和“全面膠結(jié)型”兩類。 “機(jī)械錨固型”的特點(diǎn)是，通過(guò)眼底端的錨頭和另一端的緊固部分，使錨桿體受張拉而抑制圍巖的變形和松動(dòng)。 “全面膠結(jié)型”（如砂漿錨桿）則是通過(guò)桿體與孔壁間的膠結(jié)材料（水泥砂漿），使錨桿在鉆孔的全長(zhǎng)范圍內(nèi)與巖石粘結(jié)在一起，對(duì)巖體產(chǎn)生錨固作用。,實(shí)踐證明

11、：在各種地質(zhì)條件下，尤其是在不良地質(zhì)條件下，“全面膠結(jié)型”錨桿的錨固性能比較優(yōu)越。 一方面，隨時(shí)間的推移，“機(jī)械錨固型”錨桿的錨頭容易銹蝕、滑脫，錨頭附近的巖石也可能發(fā)生松馳、破壞，導(dǎo)致錨桿的錨固力降低； 另一方面“全面膠結(jié)型”錨桿抑制巖體裂隙張開(kāi)的能力遠(yuǎn)比“機(jī)械錨固型”強(qiáng)。 其原因是什么呢？,這是因?yàn)?，?dāng)圍巖裂隙發(fā)生松馳時(shí)，“全面膠結(jié)型”錨桿僅在裂隙處的短段上伸長(zhǎng)，所以產(chǎn)生較大的單位應(yīng)變，使桿體對(duì)巖體裂隙施加一個(gè)很大的約束力，從而能夠有效地阻止巖體進(jìn)一步松馳；而“機(jī)械錨固型”錨桿，由于錨頭和緊固部分之間的桿體與孔壁之間留有空隙，當(dāng)巖體裂隙張開(kāi)時(shí)，則在整個(gè)錨桿長(zhǎng)度上均勻伸長(zhǎng)，其單位應(yīng)變僅為前者

12、的一小部分，因此，它抑制圍巖裂隙張開(kāi)的能力要比“全面膠結(jié)型”錨桿差得多。,1、金屬倒楔式錨桿 這種錨桿由桿體、固定楔、活動(dòng)倒楔、墊板和螺帽組成，如下頁(yè)圖。桿體用1422mm圓鋼制作，它一端有螺紋，另一端與固頂楔澆注在一起。固定楔、倒楔、墊板用鑄鐵制作，安裝時(shí)，將活動(dòng)倒楔的小頭朝向孔底并與固定楔梆在一起，一齊送入錨桿孔的底部，然后用一專門錘擊桿插入孔內(nèi)，打擊倒楔尾部，最后套上墊板，擰緊螺帽。,這種錨桿屬端頭錨固型，安裝后可立即承載，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，并可回收，錨固力可達(dá)40KN左右，常用于圍巖比較破碎，需要立即承載的地下工程。 1固定楔；2活動(dòng)倒楔； 3桿體；4墊板；5螺帽,2、鋼筋或鋼絲繩砂

13、漿錨桿 1、鋼筋砂漿錨桿：是先在錨桿孔內(nèi)注滿M2.5以上的水泥砂漿，在初凝前插入1620mm螺紋鋼筋而成，利用砂漿與鋼筋、砂漿與孔壁間的粘結(jié)力錨固巖層。 2、鋼絲繩砂漿錨桿：它是利用直徑1019mm的廢舊鋼絲繩代替鋼筋插入錨桿孔內(nèi)，然后注入砂漿固結(jié)而成。鋼絲繩砂漿錨桿成本低，廣泛用于有一定自穩(wěn)時(shí)間的巖石巷道，特別是巷道兩幫。由于不能立即承載，在圍巖破碎處不宜使用。,圖中：1鋼絲繩2砂漿 3鋼筋,3、樹(shù)脂錨桿 樹(shù)脂錨桿是由樹(shù)脂藥包和桿體組成（如圖20）。安裝時(shí)，藥包用錨桿體送入孔后，轉(zhuǎn)動(dòng)桿體將藥包搗破，隨之上墊板擰緊螺帽，使藥包內(nèi)以合成樹(shù)脂為粘結(jié)劑、在固化劑和加速劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而成高分子聚合物，

14、將錨頭與孔壁巖石粘結(jié)在一起。樹(shù)脂錨桿多為端頭錨固型，不宜用于軟巖。由于成本較高，上世紀(jì)80年代后有被快硬水泥錨桿和快硬膨脹水泥錨桿取代的趨勢(shì)。,圖1020樹(shù)脂錨桿及藥包示意圖1樹(shù)脂、加速劑填料；2固化劑和填料；3玻璃管纖； 4玻璃紙或聚脂薄膜外袋；5左旋麻花；6擋圏,4、快硬水泥錨桿 快硬水泥錨桿的桿體結(jié)構(gòu)與樹(shù)脂錨桿相同，只是用快硬水泥代替了樹(shù)脂藥卷（如下圖所示）。水泥卷直徑37mm，長(zhǎng)度為270mm、205mm時(shí)水泥裝量分別為421g、320g，使用前需浸水23min，在錨桿孔內(nèi)經(jīng)桿頭攪拌，12 min后錨固力開(kāi)始增長(zhǎng)，1h后錨固力高達(dá)60KN左右。由于成本低（約為樹(shù)脂錨桿的1/4），材料來(lái)

15、源廣，很有前途。選用于圍巖穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)12 min的各類永久性地下工程。配合先噴后錨，在軟巖中也可使用。圖中：1濾紙內(nèi)套；2快硬水泥；3玻璃纖維砂網(wǎng)外套,5、快硬膨脹水泥錨桿 快硬膨脹水泥錨桿是用快硬膨脹水泥卷取代快硬水泥卷。水泥卷的結(jié)構(gòu)如圖1022。它的中心為一空心紗網(wǎng)，紗網(wǎng)直徑與錨桿體直徑相同，紗網(wǎng)內(nèi)套有一圓紙筒，以防外加劑從紗網(wǎng)的孔隙外流。紗網(wǎng)外與吸水紙之間是錨固劑，吸水紙外面是防潮塑料袋。錨固劑是以普通礦用水泥為主要成分，加一定比例的砂子及外加劑混合而成，遇水后即起到速凝、早強(qiáng)、減水、膨脹、略提高水泥強(qiáng)度的作用。錨桿前端焊有直徑14或16mm的鋼筋，桿前端焊有直徑3840mm的阻擋墊圈

16、，另一端車有螺紋。,圖1022快硬膨脹水泥卷結(jié)構(gòu)1塑料袋；2套；3吸水紙；4錨固劑；5空心紗網(wǎng),快硬膨脹水泥錨桿井下試驗(yàn)效果良好，由于錨固劑來(lái)源豐富、錨速快、錨固力大、成本低，可大量推廣使用。安裝時(shí)，把水泥卷的塑料外套、紗網(wǎng)內(nèi)的圓紙筒去掉，把水泥卷串入桿體放在阻擋墊圈上，并在水泥卷上面再加一墊圈，將錨桿頭部和水泥卷插在水中浸35s后送入鉆孔中，用沖壓管輕輕壓實(shí)后用力沖幾下，而后套上墊板緊固螺母，見(jiàn)下頁(yè)圖。 端頭錨固用1個(gè)水泥卷，安裝后510 min錨固力2040 kN；用2個(gè)水泥卷，安裝后510 min錨固拔拉力60一90kN。,1金屬錨桿桿體；2阻擋墊圈； 3水泥卷； 4墊圈；5沖壓管； 6墊板；7螺帽,6、管縫式錨桿 管縫式錨桿又稱開(kāi)縫式或摩擦式錨桿。它采用高強(qiáng)度鋼板卷壓成帶縱縫的管狀桿體（右圖所示），外徑38.1mm，用鑿巖機(jī)強(qiáng)行壓入比桿徑小1.52.5mm的錨孔。為安裝方便，打入端略呈錐