采煤概論教案4

1、第七章 巷道支護(hù)第一節(jié) 巷道圍巖壓力的概念一、巷道圍巖壓力礦山壓力、 礦山壓力顯現(xiàn)二、影響巷道圍巖壓力的地質(zhì)因素影響圍巖壓力的因素很多，通?？煞譃榈刭|(zhì)、開采和支護(hù)等類，影響圍巖壓力的地質(zhì)因素有：原巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)性質(zhì)及巖體結(jié)構(gòu)、膨脹壓力的影響因素等。三、巷道礦壓控制原理目前所采用的各種礦壓控制方法，從其對(duì)付礦壓的原理來看不外“抗壓”、“讓壓”、“躲壓”、“移壓”等幾種，現(xiàn)將根據(jù)四種原理所采取的控制巷道礦壓的基本途徑及其主要優(yōu)缺點(diǎn)歸納如表7-1所示。表7-1 巷道礦壓控制基本原理及途徑控制方法基本原理具體措施舉例主要優(yōu)缺點(diǎn)抵抗礦壓（抗壓）提高支架的支撐能力或支護(hù)密度，用加強(qiáng)支護(hù)的手段去抑制或

2、減少圍巖移動(dòng)，增強(qiáng)巷道抗變形能力以對(duì)付礦壓的作用1.增大型鋼重量，提高支架承載能力2.增加支護(hù)密度3.充填支架背后空間巷道布置地點(diǎn)及掘進(jìn)時(shí)間可不受限制，但為此要消耗大量支護(hù)材料，支護(hù)勞動(dòng)量大，使開采費(fèi)用大幅度提高忍讓礦壓（讓壓）在采用適當(dāng)支護(hù)措施和保持支架本身不遭受嚴(yán)重破前提下，容忍圍巖產(chǎn)生一定變形，以釋放掉一些能量（也稱應(yīng)力釋放）1.采用有一定工作阻力的大可縮支架2.為巷道受壓收縮預(yù)留備用斷面3.容忍巷道底鼓然后進(jìn)行機(jī)械化起底可在一定程度上利用圍巖自承力，減輕支架受載，應(yīng)用得當(dāng)可實(shí)現(xiàn)無維修護(hù)巷，對(duì)生產(chǎn)極為有利，但會(huì)增加支架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性或多支出掘進(jìn)與起底費(fèi)用躲避礦壓（躲壓）將巷道布置在應(yīng)力經(jīng)重

3、新分布后巖體已處于卸載狀態(tài)的天然低應(yīng)力區(qū)，從時(shí)間上和空間上躲開高壓力的作用1.在煤體邊緣或煤體下放的低壓區(qū)內(nèi)布置巷道2.錯(cuò)過高壓作用的時(shí)間，等壓力充分穩(wěn)定后再掘巷可在不同程度上減輕巷道受壓，有利于支護(hù)工作，但有時(shí)要多開一些輔助巷道（如聯(lián)絡(luò)眼等），或要求延遲掘進(jìn)時(shí)間，不利于采掘接替工作轉(zhuǎn)移礦壓（移壓）通過人為方法使巷道圍巖受到松動(dòng)，形成卸載槽孔或其他形式的卸載空間，迫使載荷轉(zhuǎn)移到離巷道較遠(yuǎn)的地點(diǎn)，達(dá)到減輕巷道受壓的目的1.在巷道或底板中形成卸載槽孔2.寬面掘進(jìn)或在巷旁故意留出卸載空間3.用跨采工作面使巷道得到卸載巷道布置地點(diǎn)及掘進(jìn)時(shí)間可不受限制，但要增加與采用卸載措施有關(guān)的額外費(fèi)用第二節(jié) 巷道支

4、護(hù)及其材料支護(hù)形式及支護(hù)材料的選擇取決于巷道圍巖性質(zhì)、壓力大小、巷道的服務(wù)年限、用途及巷道的斷面形狀等因素。傳統(tǒng)的巷道支護(hù)有木支護(hù)、料石及混凝土砌碹、礦工鋼支護(hù)、U型鋼支護(hù)。目前，廣泛采用的有錨桿支護(hù)以及噴射混凝土支護(hù)。一、木材支架木支架常用的結(jié)構(gòu)主要是梯形棚子，棚子間距通常在0.51.0m之間，在少數(shù)堅(jiān)硬的巷道中，也常采用帶帽點(diǎn)柱。二、料石和混凝土砌碹石材支護(hù)是以天然石材及人工石材為主要原料，并以水泥砂漿膠結(jié)而成的支護(hù)。它和混凝土砌碹支護(hù)，主要用在服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，且地壓較大的井筒及主要巷道中作為永久支護(hù)。天然石材是從花崗巖、正長(zhǎng)巖、玄武巖、石灰?guī)r、砂巖等經(jīng)加工而成的石料，通常稱為料石。其外形尺

5、寸大致為長(zhǎng)250300mm，寬200250mm，厚150200mm，重2040kg。其使用壽命可達(dá)2030a。我國(guó)豎井井筒中使用較廣?；炷潦怯伤?、砂子和碎石按一定比例混合加水制成的，常用的按體積的比例為水泥：砂子：碎石=l：2：4到l：2：6。水泥加水把砂子和碎石膠結(jié)在一起，成為堅(jiān)固的整體。圖7-1 料石支護(hù)的基本形狀三、金屬支架金屬支架的優(yōu)點(diǎn)是具有承載能力大，可多次復(fù)用，儲(chǔ)運(yùn)方便，安裝容易及迅速等優(yōu)點(diǎn)，是采準(zhǔn)巷道中使用時(shí)間最長(zhǎng)的一種支護(hù)形式，采區(qū)巷道中常用的有以下幾種。 礦用工字鋼剛性支架 微拱形剛性金屬支架微拱形剛性金屬支架是礦工鋼梯形支架的一種改進(jìn)形式，當(dāng)巷道頂壓較大時(shí)，為了提高頂梁

6、的承載能力，將平梁改為弧形頂梁，梁腿交接處使用工字形鑄鋼接榫。礦用工字鋼梯形可縮性支架國(guó)內(nèi)研制礦工鋼梯形可縮性支架的單位很多，根據(jù)可縮結(jié)構(gòu)的類型可分為三類：螺栓連接式、楔緊連接式和插底式。平頂型可縮金屬支架的加工制造容易，巷道掘進(jìn)無需挑頂，有利于保持頂板完整性，其斷面利用率比拱形支架高，支架的安裝和回收較方便，可簡(jiǎn)化巷道與工作面連接處的支護(hù)工藝，且工字鋼來源較廣，支護(hù)費(fèi)用較U型鋼低，在某些條件下取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，故在采準(zhǔn)巷道中仍有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。U型鋼拱形可縮性支架U型鋼拱形可縮性支架一般由頂梁、柱腿、連接件、架間拉桿、背襯材料等5部分組成，按支架節(jié)數(shù)分為三節(jié)、四節(jié)、五節(jié)，一般講，

7、巷道斷面較小、側(cè)壓不大時(shí)用三節(jié)，斷面較大、側(cè)壓較大或圍巖條件和外載變化較大時(shí)用四節(jié)，斷面較大時(shí)用5節(jié)。按柱腿曲直情況分為直腿式和曲腿式兩種；按拱的形狀分為三心拱和半圓拱兩類。按支架對(duì)稱與否可分為對(duì)稱性和非對(duì)稱性支架。U型鋼拱形可縮性支架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、承載能力較礦工鋼大、可縮性能較好、可用于大斷面等優(yōu)點(diǎn)，但其使用的技術(shù)難度較大，初期投資高，此外支架的運(yùn)輸、架設(shè)和回收不便，變形后修復(fù)困難，復(fù)用率低，每架成本比梯形工字鋼支架高約1/2。一般只應(yīng)在原來已使用拱形支架經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)較好的大中型礦井中應(yīng)用。U型鋼梯形可縮性支架U型鋼梯形可縮性支架由垂直可縮、水平可縮、雙向可縮三種，其原理基本相同。U型鋼梯

8、形可縮性金屬支架在圍巖中等穩(wěn)定、巷道斷面和圍巖壓力不太大的情況下有其一定的優(yōu)越性。以上介紹了5種采準(zhǔn)巷道常用的金屬支架，近幾年，隨著采深的增加，采準(zhǔn)巷道的圍巖條件日趨復(fù)雜，出現(xiàn)了多種形式的金屬支架，理論上比較成熟，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較好的主要有9種，它們的力學(xué)特性及使用條件如表73所示。表中K為巷道頂?shù)装遄罱K移近率。表7-3 各種支架架型的力學(xué)特性和使用條件序號(hào) 支架架型 主要力學(xué)特性適用條件 l梯形剛性支架不可縮，承載能力較小圍巖較穩(wěn)定，變形量小 2梯形可縮性支架垂直、側(cè)向均可縮，承載能力較小圍巖較穩(wěn)定，變形量中等，巷道凈斷面小于10m2,K在10%25%之間 3半圓拱可縮性支架承載能力較大，特別是在

9、均壓時(shí)圍巖壓力較大，特別是在壓力較均勻或有一定側(cè)壓時(shí)，K在10% 35%之間 4三心拱直腿可縮性支架承載能力較大，特別是在頂壓大時(shí)圍巖壓力較大，特別是在頂壓大時(shí)，K在10% 35%之間 5三心拱曲腿可縮性支架承載能力較大，抗側(cè)壓能力較大圍巖壓力較大，壓力較均勻。頂壓大及側(cè)壓大時(shí)。K在1035之間 6多鉸摩擦可縮性支架承載能力大，能適應(yīng)各方向來壓圍巖壓力大，能適應(yīng)不對(duì)稱、多變壓力，K在1035之間 7馬蹄形可縮性支架承載能力大，有定的抗底鼓及兩幫移動(dòng)的能力圍巖松軟，移近量較大，特別是在底鼓及巷道兩幫移動(dòng)較嚴(yán)重，在使用非封閉支架時(shí)，K3035 8圓形可縮性支架承載能力大，抗底鼓及兩幫移動(dòng)的能力大，

10、特別是在均壓時(shí)圍巖松軟，移近量大，底鼓及巷道兩幫移動(dòng)較嚴(yán)重，在使用非封閉支架時(shí)，K30一35，在壓力較均勻時(shí)使用更有利 9方(長(zhǎng))環(huán)形可縮性支架承載能力大，抗底鼓及兩幫移動(dòng)的能力大，特別是在肩壓大、壓力不均勻時(shí)圍巖松軟，移近量大，底鼓及巷道兩幫移動(dòng)嚴(yán)重，在使用非封閉支架時(shí)，K3035，在壓力不大均勻時(shí)使用更有利 圖7-2 金屬支架四、錨桿支護(hù)錨桿支護(hù)是錨固在煤、巖體內(nèi)維護(hù)圍巖穩(wěn)定的桿狀結(jié)構(gòu)物，是一種主動(dòng)支護(hù)形式，與被動(dòng)支護(hù)相比，具有支護(hù)工藝簡(jiǎn)單，支護(hù)效果好，支護(hù)成本低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。錨桿種類繁多，按錨固方式可分為三大類：粘結(jié)式、機(jī)械式、摩擦式；按錨固長(zhǎng)度可分為：全長(zhǎng)錨固、端部錨固、加長(zhǎng)錨固。

11、按錨桿的工作特性可分為可拉伸錨桿與不可拉伸錨桿；按錨桿強(qiáng)度的大小可分為普通錨桿、高強(qiáng)錨桿、超高強(qiáng)錨桿。1.普通圓鋼粘結(jié)式錨桿普通圓鋼(Q235鋼材)粘結(jié)式錨桿是目前應(yīng)用較為廣泛的錨桿型式，根據(jù)粘結(jié)劑不問，可為樹脂藥卷錨固和水泥藥卷錨固，其錨固方式主要為端頭錨固。樹脂藥卷錨固錨桿由樹脂膠囊、桿體、托盤和螺母等組成，為保證樹脂與錨頭的錨固強(qiáng)度，根據(jù)所需要的錨固長(zhǎng)度將錨固端擰成反麻花狀，并設(shè)置擋圈，以防止樹脂錨固劑由孔內(nèi)流出而影響錨固強(qiáng)度：樹脂藥卷錨固錨桿具有錨固效果好，可靠性高、使用方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，錨桿的錨固力主要由錨桿的直徑、材質(zhì)確定，與高強(qiáng)度錨桿相比，錨桿的錨固力較低。2可拉伸錨桿可拉

12、伸錨桿按其基本原理可分為錨桿桿體可延伸和錨桿結(jié)構(gòu)元件滑動(dòng)可延伸兩大類。(1)桿體可延伸錨桿桿體可延伸錨桿的工作阻力是由桿體材質(zhì)的力學(xué)特性決定的，錨桿的延伸量則是依靠桿體材質(zhì)較大的延伸率提供的。圖74和圖75是兩種典型的桿體可延伸錨桿。圖7.4 桿體彎曲可延伸錨桿圖7-5 桿體可延伸增強(qiáng)錨桿1桿體；2擋圈；3錨頭；4絲扣；5托盤；6螺母圖43所示的錨桿是將普通碳素鋼彎曲成波浪形而制成的。將其錨固在錨孔中后，圍巖變形使桿體受拉，當(dāng)桿體所受拉力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，桿體彎曲段被拉直，從而為錨桿提供一定工作阻力和一定的可縮量。圖44所示的錨桿材料為含碳、磷、硫較低、延伸率較大的圓鋼(也可采用螺紋鋼)，通過對(duì)

13、錨桿的錨尾進(jìn)行強(qiáng)化熱處理而制成。熱處理使錨桿錨尾段的強(qiáng)度和硬度高于桿體，以保證錨桿在拉力作用下的斷裂位置在桿體而不是在錨尾，從而充分利用首先屈服的桿體的較大塑性變形以適應(yīng)巷道圍巖大變形的要求。并提高錨桿的整體強(qiáng)度。錨桿螺紋部分熱處理后的強(qiáng)度只需略高于桿體，使其仍具有較好的延伸性。 (2)結(jié)構(gòu)元件滑動(dòng)可延伸錨桿結(jié)構(gòu)元件滑動(dòng)可延伸錨桿的典型形式有：滑動(dòng)摩擦式、結(jié)構(gòu)剪切滑動(dòng)式、結(jié)構(gòu)擠壓滑動(dòng)式。使桿體能夠滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)元件可設(shè)置在錨孔內(nèi)，也可設(shè)置在孔口。圖76為套筒摩擦式可延伸錨桿。圖76為套筒摩擦式可延伸錨桿1鋼管；2滑動(dòng)套筒；3凸形托板；4套筒擋環(huán)；5桿體擋環(huán)；6快硬水泥；7水泥砂漿這種錨桿的桿體是鋼

14、管，外端套以開縫套管，可以產(chǎn)生相對(duì)位移，套管上焊有擋環(huán)，托板制成凸形，依靠快硬水泥將內(nèi)錨頭粘結(jié)在孔內(nèi)。3高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度錨桿長(zhǎng)期以來，普通圓鋼端錨錨桿是我國(guó)錨桿支護(hù)的主要形式，由于材料的屈服強(qiáng)度較低，限制了錨桿支護(hù)的大面積推廣，為了提高錨桿支護(hù)的可靠性，近幾年大力發(fā)展了高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度錨桿。錨桿的強(qiáng)度主要是由錨桿的材質(zhì)、直徑及有關(guān)附件確定，按照鋼材屈服強(qiáng)度s可將錨桿分為三類：s<340MPa，為普通錨桿；340 MPas<600MPa，為高強(qiáng)度錨桿; s600MPa，為超高強(qiáng)度錨桿。(1)高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿高強(qiáng)度錨桿是用高強(qiáng)度螺紋鋼制成，既可用于全長(zhǎng)錨固也可用于端頭錨固。對(duì)于全長(zhǎng)樹脂

15、錨固的螺紋鋼錨桿，主要由桿體、穹形球體、塑料增壓墊圈、驅(qū)動(dòng)螺母、托盤和樹脂藥卷組成。由于錨尾部分安裝螺母，需加工成螺紋，結(jié)果造成錨尾部分的直徑比桿體名義直徑小1323。在井下受到拉力作用時(shí)，錨尾部分首先斷裂，使錨桿的強(qiáng)度和延伸率得不到發(fā)揮。為保證錨桿的高強(qiáng)度和延伸率，對(duì)錨尾螺紋部位進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，即可制成高強(qiáng)度錨桿。表73是20MnSilI級(jí)螺紋鋼錨桿強(qiáng)化熱處理后的力學(xué)性能。表73 20MnSilI級(jí)螺紋鋼錨桿錨尾強(qiáng)化熱處理后的力學(xué)性能螺紋鋼名義直徑錨尾強(qiáng)化熱處理否螺紋直徑屈服載荷Kn極限載荷延伸率斷裂位置18mm否是M1653.792.08713713.820錨尾桿體20mm否是M1865.

16、9114.010217116.421.3錨尾桿體22mm否是M2083.0141.513621616.623.3錨尾桿體由表可知，螺紋鋼錨桿錨尾強(qiáng)化熱處理后，錨桿整體承載能力提高50以上，延伸率提高3045，錨桿的斷裂部位在錨桿桿體，而不在錨尾。(2)超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿是將整根普通螺紋鋼錨桿(包括桿體和錨尾)通過合理的工藝方式和工藝參數(shù)進(jìn)行整體強(qiáng)化熱處理而制成的。超高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿的屈服強(qiáng)度可達(dá)703MPa，極限強(qiáng)度可達(dá)811 MPa，延伸率可達(dá)21o強(qiáng)化熱處理的方式有兩種：常規(guī)加熱和感應(yīng)加熱。常規(guī)加熱效率低、電耗高、成本高，感應(yīng)加熱可以大幅度降低能耗、提高生產(chǎn)效率，而且可以

17、改善超高強(qiáng)度錨桿的力學(xué)性能。通過錨尾強(qiáng)化熱處理而形成的高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度錨桿，其熱處理成本僅比不采用熱處理的同材料錨桿增加12元根。使用高強(qiáng)度錨桿全長(zhǎng)錨固不僅可以大大降低巷道的變形量，保證巷道安全可靠。而且可以適當(dāng)增大錨桿的間排距，從而提高巷道掘進(jìn)速度，降低支護(hù)成本。4管縫式錨桿在實(shí)際應(yīng)用中，管縫錨桿的錨固力往往難以得到可靠保證，特別是在動(dòng)壓巷道，巷道周邊的破碎區(qū)較大時(shí)。另外，管縫錨桿遇水后易于銹蝕，也影響到錨桿的錨固力。因此，為保證管縫錨桿的安全可靠，一般只在生產(chǎn)地質(zhì)條件較好、壓力較小的巷道使用。5可切割錨桿和可回收錨桿在回采巷道兩幫使用金屬錨桿，影響采煤機(jī)的正常割煤，為此，國(guó)內(nèi)外研制了不同種

18、類的可切割錨桿。(1)木錨桿和竹錨桿桿體(鋼筋)(2)玻璃纖維可切割錨桿(3)可回收錨桿6桁架錨桿桁架錨桿是組合錨桿的一種，主要由斜錨桿和水平拉桿組成，根據(jù)支護(hù)巷道斷面的大小和頂板條件的不同，桁架錨桿可采用不同的形式，主要有：?jiǎn)问借旒埽瑥?fù)式桁架(在巷道跨度方向上由23套單式桁架錨桿組成)、交叉桁架(由單式桁架錨桿交叉形成十字形)、連續(xù)桁架(在巷道長(zhǎng)度方向上通過結(jié)構(gòu)將單式桁架錨桿或復(fù)式桁架錨桿連成整體)。圖77 單式桁架錨桿作用原理圖桁架錨桿的應(yīng)用范圍較廣，可用于支護(hù)頂板完整或節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎的回采巷道和斷面較大或懸頂面積較大的硐室或巷道交叉點(diǎn)。7組合錨桿根據(jù)錨桿支護(hù)巷道圍巖的地質(zhì)情況，使用單體錨桿不能有效控制圍巖時(shí)，常采用組合錨桿支護(hù)。組合錨桿由錨桿、鋼帶、護(hù)網(wǎng)、托盤等組合而成。錨桿一般為普通錨桿、高強(qiáng)錨桿、可延伸錨桿、超高強(qiáng)錨桿等，錨桿的錨固形式可以是全長(zhǎng)錨固、加長(zhǎng)錨固、端部錨固。五、噴射混凝土支護(hù)噴射混凝土支護(hù)是用噴射機(jī)將混凝土混合物噴射在巖石表面上硬化而成的一種支護(hù)。用干式噴射機(jī)噴射混凝土的工藝流程如圖7-8所示。先將砂、石過篩，按配合比和水泥一同送入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌，然后用礦車將拌合料運(yùn)送至工作面，經(jīng)上料機(jī)裝入以壓縮空氣為動(dòng)力的噴射機(jī)，在經(jīng)輸料管吹送到