第七章 巷道支护.docx
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第七章巷道支护
第七章巷道支护
第一节巷道围岩压力的概念
一、巷道围岩压力
地下岩体在开挖以前,由于自重和构造所引起的应力是处于平衡状态。
当开掘巷道或进行回采工作时,破坏了原来的应力平衡状态,就会引起岩体内部应力的重新分布。
它表现为巷硐周围煤、岩体产生移动、变形甚至破坏,直到煤、岩体内部形成一个新的应力平衡状态为止。
在此过程中,巷硐本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用。
这种由于在地下煤岩中进行采掘活动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体中和其中的支护物上所引起的力,就叫做“矿山压力”。
在矿山压力的作用下,会引起各种力学现象,如顶板下沉,底板臌起,巷道变形后断面缩小,岩体破坏散离甚至大面积冒落,煤被压松产生片邦或突然抛出,支架严重变形或损坏,充填物被压缩,以及大量岩层移动地表塌陷等等。
这些由于矿山压力作用,使围岩、煤体和各种人工支护物产生的种种力学现象,统称为“矿山压力显现”。
国内外对矿山压力理论及矿山压力显现进行了大量的研究,取得了大量的研究成果,提出一系列矿山压力的控制措施,有效的保证了煤矿生产的安全高效开采。
对于采掘活动开掘的一系列巷道而言,由于采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分布,使巷道周边岩体自稳能力显著降低,导致向巷道空间移动。
为了防止围岩变形和破坏,需要对围岩进行支护。
这种围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力,统称为巷道围岩压力。
主要由松动围岩压力、变形围岩压力、膨胀围岩压力以及撞击围岩压力组成。
由于巷道开挖而松动或塌落的岩体,以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力,表现为松动围岩压力载荷形式。
如支护不能有效地控制围岩变形的发展,围岩形成松动垮塌圈时,将导致松动围岩压力出现,通常顶压显现严重。
支护能控制围岩变形的发展时,围岩位移挤压支架而产生的压力,称为变形围岩压力,简称变形压力。
在“围岩一支护”力学体系中,只要围岩与支架相互作用,围岩就会对支架施加变形压力。
弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力,弹性变形产生速度极快,变形量很小,对于围岩、支护相互作用过程而言,实际意义不大。
塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂,围岩向巷道空间位移,使支护结构受到的压力,是变形围岩压力的主要形式。
塑性变形的大小主要取决于巷道塑性区和破裂区的范围。
塑性区的扩展具有明显的时间效应,塑性区不再扩展时,围岩变形速度下降。
而逐渐稳定并趋于流变。
围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力,称为膨胀压力。
膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的。
从现象上看,属于变形压力范畴,但两者的变形机制截然不同,前者是指与水发生物理化学反应,后者主要是围岩应力与结构效应。
撞击围岩压力指围岩积累了大量弹性变形能之后,突然释放出来所产生的压力;撞击围岩压力是回采工作面上覆岩层剧烈运动时对巷道支护体所产生的压力。
二、影响巷道围岩压力的地质因素
影响围岩压力的因素很多,通常可分为地质、开采和支护等类,影响围岩压力的地质因素有:
原岩应力状态、围岩力学性质及岩体结构等。
(1)原岩应力状态
原岩应力是引起围岩变形、破坏的基本作用力。
原岩应力随开采深度的增加而增长。
所以,随采深的增加,巷道围岩压力会明显增长。
原岩体中主应力的大小和方向不同,对巷道的影响作用不同,也直接影响到围岩压力。
(2)围岩力学性质
围岩力学性质是指它的强度(包括抗压、抗拉、抗剪等各种强度和粘聚力c、内摩擦角φ等值)和变形性质及其它力学属性。
不言而喻,强度小的岩体,围岩压力必然大,反之亦然。
C、φ值大的岩体,其围岩压力小,反之亦然。
其中φ的影响要较c大。
岩体的变形性质是指它的弹性、塑性和粘性。
岩体的塑性变形和粘性流动是影响围岩压力大小的重要因素,许多围岩压力较大的巷道,常常是由它引起的。
(3)岩体结构
当结构面强度远小于结构体强度时,结构对围岩压力的影响极大。
通常岩体破坏首先从弱面开始,这是围岩压力在节理和层理等弱面发育区、破坏带、断层和褶皱区显现强烈的重要原因。
由于层状岩体具有定向弱面,所以层状岩体的走向和倾角也与围岩压力密切相关。
如果岩层走向与巷道轴向平行或夹角很小,则岩体结构容易与巷道轴线形成不稳定的松动体,因而围岩压力大。
水平岩层沿巷道侧帮的稳定性较好,因而帮压较小,而顶压较大。
(4)膨胀压力的影响因素
影响膨胀压力的因素主要有岩石的组成与胶结状态,物理化学性质,围岩中水分的补给状况,水与岩石的接触条件,支护和充填层的可塑性等。
岩石的组成与胶结状态
粘土岩的膨胀是由大量强亲水性矿物蒙脱石引起的。
一般蒙脱石可含高达25%~50%的水分,大量吸附水使蒙脱石晶层内外表面形成发育的水化层。
岩石在风干失水后,其颗粒体积缩小,并形成宏观上的收缩裂缝和微观结构的潜在破坏。
一旦再与水相互作用,脱水的粘土岩将再强烈地吸水,并导致晶层间吸附水的增加和颗粒周围结合水膜的增厚。
这样就导致颗粒间结合水巨大楔压力的产生,促使岩体崩解和膨胀。
从这个意义上说,保持围岩湿度不变和不受浸水、风化作用是维护围岩稳定的重要措施之一。
围岩应力状态
围岩的吸水膨胀还与围岩应力状态有关,高应力状态下应力变化引起的围岩嘭胀量少,低应力状态下引起的膨胀量增大。
开挖前围岩处于无膨胀状态下的高应力状态,开挖后径向应力降低,随之出现围岩膨胀现象。
应力降低越多,膨胀压力就越大。
水分渗入围岩的深度与范围
围岩中水分的补给是形成膨胀压力的必要因素。
通常水分的来源主要是地下水。
水分渗入围岩的深度与范围越大,形成的膨胀压力也越大。
水分渗入围岩的深度和范围取决于外界水分的补给状况,也取决于水分渗入围岩的难易程度。
一般说来,水分补给越充分,岩体节理越发育,围岩扰动就越大,开挖后的时间越长,则水分渗入到围岩的深度和范围就越大。
此外,围岩失水风干也是围岩增大渗入深度的重要原因。
许多膨胀性围岩在不发生风干脱水的条件下,即使浸水也不会膨胀崩解,只有开掘巷道后,改变了围岩的自然状态,使围岩风干脱水,并继续浸水才会膨胀崩解,此外,对膨胀性围岩,开挖后应立即严密封闭,防止其松动和风干并采取防水和排水等措施。
封闭既是为了防止风干脱水,又是为了防止水与围岩的作用;防水,排水则是为了防止风干后的围岩再吸水。
这样从积极方面阻止膨胀过程的发生与发展,是防止岩层膨胀的重要措施。
三、巷道矿压控制原理
巷道中的矿压显现是客观的自然现象,除了一些特殊情况外,在采掘过程中企图完全消除这种现象是不可能的。
然而在掌握巷道矿压显现规律的基础上,以岩石力学理论为指导,有可能在不同程度上减轻矿压显现对巷道的危害,从而达到安全生产和取得较好技术经济效果的目的,这是巷道矿压控制的基本任务。
从广义的角度看,巷道矿压控制应包括以下三类方法及途径:
第一类:
巷道保护,是指为了使围岩应力与岩体强度保持较适应的关系,以便预防巷道失稳或有效的减轻矿压危害而采取的各种技术措施,如选用有利于保持巷道稳定的断面形状,在巷道设计和掘进时就为预期的巷道缩小量预留备用断面,在巷旁留护巷煤柱或砌筑人工保护带,将巷道布置在坚硬岩层中或应力降低区等等;
第二类:
巷道支护,一般指借助于安设各种矿山支架去预防巷道围岩产生过度变形和防止巷道冒顶、片帮,以保持巷道正常使用;
第三类:
巷道维护(维修),是指对已进行过支护的巷道,为了改善已恶化的维护状况和恢复其稳定性所采取的一些措施,如巷道补棚、补柱、扩帮、起底、更换已损坏的支架构件甚至重新支护等。
目前所采用的各种矿压控制方法,从其对付矿压的原理来看不外“抗压”、“让压”、“躲压”、“移压”等几种,现将根据四种原理所采取的控制巷道矿压的基本途径及其主要优缺点归纳如表7-1所示。
表7-1巷道矿压控制基本原理及途径
控制方法
基本原理
具体措施举例
主要优缺点
抵抗矿压(抗压)
提高支架的支撑能力或支护密度,用加强支护的手段去抑制或减少围岩移动,增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用
1.增大型钢重量,提高支架承载能力
2.增加支护密度
3.充填支架背后空间
巷道布置地点及掘进时间可不受限制,但为此要消耗大量支护材料,支护劳动量大,使开采费用大幅度提高
忍让矿压
(让压)
在采用适当支护措施和保持支架本身不遭受严重破前提下,容忍围岩产生一定变形,以释放掉一些能量(也称应力释放)
1.采用有一定工作阻力的大可缩支架
2.为巷道受压收缩预留备用断面
3.容忍巷道底鼓然后进行机械化起底
可在一定程度上利用围岩自承力,减轻支架受载,应用得当可实现无维修护巷,对生产极为有利,但会增加支架结构的复杂性或多支出掘进与起底费用
躲避矿压
(躲压)
将巷道布置在应力经重新分布后岩体已处于卸载状态的天然低应力区,从时间上和空间上躲开高压力的作用
1.在煤体边缘或煤体下放的低压区内布置
巷道
2.错过高压作用的时间,等压力充分稳定后再掘巷
可在不同程度上减轻巷道受压,有利于支护工作,但有时要多开一些辅助巷道(如联络眼等),或要求延迟掘进时间,不利于采掘接替工作
转移矿压
(移压)
通过人为方法使巷道围岩受到松动,形成卸载槽孔或其他形式的卸载空间,迫使载荷转移到离巷道较远的地点,达到减轻巷道受压的目的
1.在巷道或底板中形成卸载槽孔
2.宽面掘进或在巷旁故意留出卸载空间
3.用跨采工作面使巷道得到卸载
巷道布置地点及掘进时间可不受限制,但要增加与采用卸载措施有关的额外费用
第二节巷道支护及其材料
就以上介绍的几种巷道矿压控制方法进行比较,依靠支架对付矿压并不是很理想的办法,然而就煤矿实际情况而言,几乎井下每条巷道都离不开支护。
可以认为,到目前为止,对巷道进行支护仍是保证安全和正常生产的基本手段。
支护形式及支护材料的选择取决于巷道围岩性质、压力大小、巷道的服务年限、用途及巷道的断面形状等因素。
传统的巷道支护有木支护、料石及混凝土砌碹、矿工钢支护、U型钢支护。
目前,广泛采用的有锚杆支护以及喷射混凝土支护。
一、木材支架
木支架常用的结构主要是梯形棚子,棚子间距通常在0.5~1.0m之间,在少数坚硬的巷道中,也常采用带帽点柱。
木材支架的优点是重量轻,加工容易,对巷道条件的变化适应性大,并有一定的支撑能力(表7-2),一般每米安设两架棚子时,支撑顶板的能力达到150~200KN/m2,目前这种支架在一些矿区仍在使用。
一般不作为主要支护形式,只在局部地段使用。
表7-2松木的支撑力
坑木直径/cm
立柱支撑力/kN
不同长度顶梁或棚腿的横向抗弯力/kN
2.2m
2.6m
3.0m
20
245
25.5
21.6
—
22
294
33.3
28.4
24.5
26
421
54.9
47.0
40.2
30
559
—
71.5
62.7
木支架的缺点明显,强度低,易于腐烂,使用期短,维修费用高,通风阻力大,不防火,对围岩移动的适应性差,当巷道的变形量超过100~200mm时,木支架就可能遭到破坏。
另外,我国是一个木材短缺的国家,因此,踩准巷道应尽量不用或少用木支架。
二、料石和混凝土砌碹
石材支护是以天然石材及人工石材为主要原料,并以水泥砂浆胶结而成的支护。
它和混凝土砌碹支护,主要用在服务时间较长,且地压较大的井筒及主要巷道中作为永久支护。
天然石材是从花岗岩、正长岩、玄武岩、石灰岩、砂岩等经加工而成的石料,通常称为料石。
其外形尺寸大致为长250~300mm,宽200~250mm,厚150~200mm,重20~40kg。
其使用寿命可达20~30a。
我国竖井井筒中使用较广。
人工石材有:
粘土坯烘烧而成的普通砖;混凝土浇铸而成重量在35kg以下的混凝土砖;混凝土加钢筋浇铸成重量在35kg以上的混凝土块。
普通砖的标准尺寸为240X115X53mm的长方形体;长方形常用来砌墙,弧形的、楔形的则常用来砌井壁或巷道的拱盖部分。
石材支护比木材支护坚固耐久,比混凝土支护砌筑的速度快,能及时承受地压。
混凝土是由水泥、砂子和碎石按一定比例混合加水制成的,常用的按体积的比例为水泥:
砂子:
碎石=l:
2:
4到l:
2:
6。
水泥加水把砂子和碎石胶结在一起,成为坚固的整体。
混凝土必须在凝固后才能承担压力,其凝固是因混凝土中的水泥加水,经水化作用逐渐硬化,一般经28天后,才能达到混凝土的最大抗压强度。
为了使水泥硬化加快,可在水泥中加入速凝剂,常用的速凝剂是氯化钙。
石材支护的胶结物,一般是用水泥砂浆,是由水泥与砂子按—定比例混合加水制成的,常用的按体积的比例为水泥:
砂子=l:
2到l:
4。
由于锚杆喷浆支护的推广使用,水泥砂浆(或在砂浆中加入一定量的小碎石成为喷射混凝土)将作为一种支护材料来使用。
石材及混凝土支护的基本形状在井筒中为圆形,在巷道中为直壁拱形(如图7—1)。
拱的作用是承受顶板的地压并传递到墙上。
墙除承受从拱上传来的压力外,也可承受侧压力,并起防止围岩风化及阻挡地下水入侵等作用。
基础是墙的支承座,它将所承受的荷重及其自重传到底板。
充填物的作用在于使石材支护上的压力均匀分布,并避免围岩的局部冒落对支护产生冲击压力。
而混凝土支护则不需要充填物。
图7-1料石支护的基本形状
三、金属支架
金属支架主要用U型钢和矿用工字钢制造,由于使用目的不同,两种型钢的截面形状完全不同,U型钢是为制造可缩性支架而设计的,矿工钢多用于制造刚性支架,现场有大量使用矿工钢刚性支架的习惯,为适应围岩变形的要求,对工字钢刚性支架进行了某些改进,可使之具有一定的可缩性。
金属支架的优点是具有承载能力大,可多次复用,储运方便,安装容易及迅速等优点,是采准巷道中使用时间最长的一种支护形式,采区巷道中常用的有以下几种。
①矿用工字钢刚性支架
刚性金属支架就是支架本身没有可缩性或可缩性很小的支架,主要架型有:
梯形、拱形和封闭形,其中使用最多的是梯形。
梯形金属支架由一架二柱和架设中柱两种基本形式,断面较小时用一梁二杜,断面较大或顶压较大时在顶梁下架设中柱。
②微拱形刚性金属支架
微拱形刚性金属支架是矿工钢梯形支架的一种改进形式,当巷道顶压较大时,为了提高顶梁的承载能力,将平梁改为弧形顶梁,梁腿交接处使用工字形铸钢接榫。
为了适应巷道围岩的变形,巷道整个支护体系的缩量是必须的,对于本身没有可缩性连接件的刚性支架,其支护体系中的缩量包括:
支架插入底板,架后破碎矸石压缩,接榫处木垫压缩以及支架本身的弯曲变形等。
由于上述体系的缩量很小,因此,刚性支架只能使用在围岩比较稳定,变形较小、压力不大的巷道中,否则将造成支架严重破坏。
③矿用工字钢梯形可缩性支架
国内研制矿工钢梯形可缩性支架的单位很多,根据可缩结构的类型可分为三类:
螺栓连接式、楔紧连接式和插底式。
矿用工字钢梯形可缩性支架承载能力为300~400kN/架,如在顶梁下加中柱可达400~500kN/架或更大(有时中柱可仅在回采动压剧烈影响带中架设),垂直可缩量多数在400~600mm之间,个别架型可达800mm,某些架型的水平可缩量为200~400mm,个别架型可达500~600mm,其适用的断面多在6.5~9m2之间,但近几年个别架型已发展到10~12m2,如邢台东庞煤矿井下使用的工字钢双向可缩平顶型支架,其净断面12.03m2,掘进断面13.722m2,使用效果良好,其支架完好率和回收复用率高达90%以上。
平顶型可缩金属支架的加工制造容易,巷道掘进无需挑顶,有利于保持顶板完整性,其断面利用率比拱形支架高,支架的安装和回收较方便,可简化巷道与工作面连接处的支护工艺,且工字钢来源较广,支护费用较U型钢低,在某些条件下取得了较好的技术经济效果,故在采准巷道中仍有一定的推广应用价值。
④U型钢拱形可缩性支架
U型钢拱形可缩性支架一般由顶梁、柱腿、连接件、架间拉杆、背衬材料等5部分组成,按支架节数分为三节、四节、五节,一般讲,巷道断面较小、侧压不大时用三节,断面较大、侧压较大或围岩条件和外载变化较大时用四节,断面较大时用5节。
按柱腿曲直情况分为直腿式和曲腿式两种;按拱的形状分为三心拱和半圆拱两类。
按支架对称与否可分为对称性和非对称性支架。
U型钢拱形可缩性支架结构比较简单、承载能力较矿工钢大、可缩性能较好、可用于大断面等优点,但其使用的技术难度较大,初期投资高,此外支架的运输、架设和回收不便,变形后修复困难,复用率低,每架成本比梯形工字钢支架高约1/2。
一般只应在原来已使用拱形支架经验和技术基础较好的大中型矿井中应用。
⑤U型钢梯形可缩性支架
U型钢梯形可缩性支架由垂直可缩、水平可缩、双向可缩三种,其原理基本相同。
U型钢梯形可缩性金属支架在围岩中等稳定、巷道断面和围岩压力不太大的情况下有其一定的优越性。
以上介绍了5种采准巷道常用的金属支架,近几年,随着采深的增加,采准巷道的围岩条件日趋复杂,出现了多种形式的金属支架,理论上比较成熟,现场应用较好的主要有9种,它们的力学特性及使用条件如表7—3所示。
表中K为巷道顶底板最终移近率。
表7-3各种支架架型的力学特性和使用条件
序号
支架架型
主要力学特性
适用条件
l
梯形刚性支架
不可缩,承载能力较小
围岩较稳定,变形量小
2
梯形可缩性支架
垂直、侧向均可缩,承载能力较小
围岩较稳定,变形量中等,巷道净断面小于10m2,K在10%~25%之间
3
半圆拱可缩性支架
承载能力较大,特别是在均压时
围岩压力较大,特别是在压力较均匀或有一定侧压时,K在10%~35%之间
4
三心拱直腿可缩性支架
承载能力较大,特别是在顶压大时
围岩压力较大,特别是在顶压大时,K在10%~35%之间
5
三心拱曲腿可缩性支架
承载能力较大,抗侧压能力较大
围岩压力较大,压力较均匀。
顶压大及侧压大时。
K在10%~35%之间
6
多铰摩擦可缩性支架
承载能力大,能适应各方向来压
围岩压力大,能适应不对称、多变压力,K在10%~35%之间
?
马蹄形可缩性支架
承载能力大,有—定的抗底鼓及两帮移动的能力
围岩松软,移近量较大,特别是在底鼓及巷道两帮移动较严重,在使用非封闭支架时,K≥30%~35%
8
圆形可缩性支架
承载能力大,抗底鼓及两帮移动的能力大,特别是在均压时
围岩松软,移近量大,底鼓及巷道两帮移动较严重,在使用非封闭支架时,K≥30%一35%,在压力较均匀时使用更有利
9
方(长)环形可缩性支架
承载能力大,抗底鼓及两帮移动的能力大,特别是在肩压大、压力不均匀时
围岩松软,移近量大,底鼓及巷道两帮移动严重,在使用非封闭支架时,K≥30%~35%,在压力不大均匀时使用更有利
图7-2金属支架
四、锚杆支护
锚杆支护是锚固在煤、岩体内维护围岩稳定的杆状结构物,是一种主动支护形式,与被动支护相比,具有支护工艺简单,支护效果好,支护成本低、施工方便等优点。
锚杆种类繁多,按锚固方式可分为三大类:
粘结式、机械式、摩擦式;按锚固长度可分为:
全长锚固、端部锚固、加长锚固。
按锚杆的工作特性可分为可拉伸锚杆与不可拉伸锚杆;按锚杆强度的大小可分为普通锚杆、高强锚杆、超高强锚杆。
1.普通圆钢粘结式锚杆
普通圆钢(Q235钢材)粘结式锚杆是目前应用较为广泛的锚杆型式,根据粘结剂不问,可为树脂药卷锚固和水泥药卷锚固,其锚固方式主要为端头锚固。
树脂药卷锚固锚杆由树脂胶囊、杆体、托盘和螺母等组成,为保证树脂与锚头的锚固强度,根据所需要的锚固长度将锚固端拧成反麻花状,并设置挡圈,以防止树脂锚固剂由孔内流出而影响锚固强度:
树脂药卷锚固锚杆具有锚固效果好,可靠性高、使用方便、适用范围广等优点,锚杆的锚固力主要由锚杆的直径、材质确定,与高强度锚杆相比,锚杆的锚固力较低。
水泥药卷锚固锚杆由快硬水泥卷、杆体、托盘和螺母等组成,圆钢水泥锚杆的锚头形式主要有端部弯曲式、小麻花式、普通麻花式和端盘式。
锚头最大宽度比钻孔直径小4~10mm。
圆钢水泥锚杆可实现端头锚固和全长锚固,该锚杆具有适应性较好,锚固迅速、可施加预紧力等特点,且价格低廉,施工简便。
但是各种快硬水泥药卷的水泥水化操作比较困难,在水中浸泡时间短,水化不够。
或浸泡时间长而超过终凝时间,药卷的粘结性能会受到影口向,甚至造成水泥药卷在送人锚孔的中途受阻而无法推进,使锚孔报废,使这类锚杆支护的可靠性受到限制,因此,应尽量不采用水泥药卷锚固锚杆。
2.可拉伸锚杆
可拉伸锚杆按其基本原理可分为锚杆杆体可延伸和锚杆结构元件滑动可延伸两大类。
(1)杆体可延伸锚杆
杆体可延伸锚杆的工作阻力是由杆体材质的力学特性决定的,锚杆的延伸量则是依靠杆体材质较大的延伸率提供的。
图7—4和图7—5是两种典型的杆体可延伸锚杆。
图7.4杆体弯曲可延伸锚杆
图7-5杆体可延伸增强锚杆
1——杆体;2——挡圈;3——锚头;4——丝扣;5——托盘;6——螺母
图4—3所示的锚杆是将普通碳素钢弯曲成波浪形而制成的。
将其锚固在锚孔中后,围岩变形使杆体受拉,当杆体所受拉力达到一定数值时,杆体弯曲段被拉直,从而为锚杆提供一定工作阻力和一定的可缩量。
图4—4所示的锚杆材料为含碳、磷、硫较低、延伸率较大的圆钢(也可采用螺纹钢),通过对锚杆的锚尾进行强化热处理而制成。
热处理使锚杆锚尾段的强度和硬度高于杆体,以保证锚杆在拉力作用下的断裂位置在杆体而不是在锚尾,从而充分利用首先屈服的杆体的较大塑性变形以适应巷道围岩大变形的要求。
并提高锚杆的整体强度。
锚杆螺纹部分热处理后的强度只需略高于杆体,使其仍具有较好的延伸性。
(2)结构元件滑动可延伸锚杆
结构元件滑动可延伸锚杆的典型形式有:
滑动摩擦式、结构剪切滑动式、结构挤压滑动式。
使杆体能够滑动的结构元件可设置在锚孔内,也可设置在孔口。
图7—6为套筒摩擦式可延伸锚杆。
图7—6为套筒摩擦式可延伸锚杆
1—钢管;2—滑动套筒;3—凸形托板;4—套筒挡环;5—杆体挡环;6—快硬水泥;7—水泥砂浆
这种锚杆的杆体是钢管,外端套以开缝套管,可以产生相对位移,套管上焊有挡环,托板制成凸形,依靠快硬水泥将内锚头粘结在孔内。
3.高强度和超高强度锚杆
长期以来,普通圆钢端锚锚杆是我国锚杆支护的主要形式,由于材料的屈服强度较低,限制了锚杆支护的大面积推广,为了提高锚杆支护的可靠性,近几年大力发展了高强度、超高强度锚杆。
锚杆的强度主要是由锚杆的材质、直径及有关附件确定,按照钢材屈服强度σs可将锚杆分为三类:
σs<340MPa,为普通锚杆;340MPa≤σs<600MPa,为高强度锚杆;σs≥600MPa,为超高强度锚杆。
(1)高强度螺纹钢锚杆
高强度锚杆是用高强度螺纹钢制成,既可用于全长锚固也可用于端头锚固。
对于全长树脂锚固的螺纹钢锚杆,主要由杆体、穹形球体、塑料增压垫圈、驱动螺母、托盘和树脂药卷组成。
由于锚尾部分安装螺母,需加工成螺纹,结果造成锚尾部分的直径比杆体名义直径小13%~23%。
在井下受到拉力作用时,锚尾部分首先断裂,使锚杆的强度和延伸率得不到发挥。
为保证锚杆的高强度和延伸率,对锚尾螺纹部位进行强化热处理,即可制成高强度锚杆。
表7—3是20MnSilI级螺纹钢锚杆强化热处理后的力学性能。
表7—320MnSilI级螺纹钢锚杆锚尾强化热处理后的力学性能
螺纹钢名义直径
锚尾强化热处理否
螺纹直径
屈服载荷
Kn
极限载荷
延伸率
断裂位置
φ18mm
否
是
M16
53.7
92.0
87
137
13.8
20
锚尾
杆体
φ20mm
否
是
M18
65.9
114.0
102
171
16.4
21.3
锚尾
杆体
φ22mm
否
是
M20
83.0
141.5
136
216
16.6
23.3
锚尾
杆
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- 第七章 巷道支护 第七 巷道 支护