1.3 平巷支护技术

§1.3.1 平巷临时支护技术

1）金属拱形临时支护

采用石材、混凝土整体式支架的巷道，多在掘进后先架设临时支架，以防止掘进与砌碹之间这一段距离的顶、帮岩石的垮落。临时支架多采用金属拱形支架，它用的材料以15～18kg/m的钢轨或其他型钢制作，支架间距一般为0.8～1m。

金属拱形临时支架分为无腿的和带腿的两种。

金属拱形无腿临时支架常用的形式如图15、16所示。这种支架适用于岩层中等稳定没有侧压的拱形巷道中。

   

带腿的金属拱形临时支架，是在元腿拱梁上再加装可拆装的棚腿，如图所示。这种支架多用在围岩压力较大，顶、帮围岩均不稳定的巷道中。

2）锚喷支护

凡有条件的巷道，都应优先选用喷锚做临时支护。这种临时支护在爆破后应紧跟迎头，及时封闭围岩，防止岩石松动和垮落。其施工方法简单易行，便于实现机械化，且安全可靠，既是临时支护，又可以作为永久支护的一部分。

§1.3.2 平巷永久支护技术

1）支架支护

一、木支架

木支架所用的材料一般称为坑木。坑木的直径一般为16～22cm。过去使用较多的支架，它的重量较轻，具有一定的强度，加工容易，特别适应于多变的地下条件，构造上可以作成刚性的，也可以作成有较大可缩性的，当地压突然增加时木支架还能发出声响。

木支架重量轻加工容易，适应多变的地质条件，但强度有限，不能防火，很易腐朽，风阻很大，并且不能阻水和防止围岩风化。

    木支架一般可使用在地压不大，断面较小和服务年限较短的圆采巷道。也可用于局部巷道维修和巷道掘进的临时支护。

二、钢筋混凝土支架

混凝土支架可分为两大类。一类是普通混凝土支架，另一类为预应力混凝土支架。预应力钢筋混凝土支架与普通钢筋混凝土支架相比，其优点是构件强度大，断面尺寸小，节约材料，减轻重量，降低成本。   

混凝土支架结构及适用条件

普通混凝土支架和预应力混凝土支架结构如图 17、18所示。均由一根顶梁和两根柱腿组成。其构件截面几何形状，前者为矩形，后者为工字形。均为亲口接头，梁腿结合处垫防腐木板或胶皮。

 

 

图17 普通钢筋混凝土支架

 

图18 工字型断面预应力钢筋混凝土支架顶梁

    钢筋混凝土支架背帮顶常用钢筋混凝土背板。背板有板形和槽形两种。

两种混凝土支架均适应于地压稳定，服务年限长及断面小于12m²的巷道。但均应避免用于受采动影响的巷道。两者也不应混合使用。

    钢筋混凝土支架的架设

    钢筋混凝土支架为永久性支架不宜直接跟着掘进工作面储用。一般靠近工作面30～50m用临时金属支架直接跟到迎头．

    钢筋混凝土支架用作永久支护，一般多在掘进工作面后方一定距离内拆除临时支架后架设。拆除支架时要逐架拆除，巷道帮顶要划严背紧，并要加固好暂未拆除的临时支架。

三、金属支架

金属支架强度大、体积小、坚固、耐久、防火，在构造上可以制成各种形状的构件，虽然初期投资大些，但可以回收复用。 所以，金属支架是一种优良的坑木代用品。

 刚性金属支架

   刚性支架适用于围岩比较稳定，变形较小，压力不太大的巷道，否则将造成支架的严重变形和损坏，巷道断面急剧缩小，乃至多次进行翻修，甚至难以使用。

可缩性金属支架 

    支架在具有可缩性的同时还应有一定的工作阻力，才能做到既适应围岩的变形又能减缓围岩的变形，在保持巷道围岩的稳定中充分发挥支架的承载作用。   

  支架的可缩性要靠装置连接件来达到，而要保证支架具有一定的工作阻力除了合理设计支架架型、结构、选择适宜的材料外，连接件的力学性能起着重要的作用。在一定意义上说，连接件的力学性能决定支架的力学性能。因此，连接件是可缩性金属支架的关键部件，对于拱形、梯形、封闭形支架都是如此。

    1．梯形支架

    1)支架材料

金属梯形支架用的型钢有钢轨、矿用工字钢和普通工字钢等。当前井下多使用矿用工字钢，也有少量应用轻型钢轨，但由于钢轨材料性脆，不宜作支护材料用，因此，在支护材料选用上一般不予考虑。目前使用的矿用工字钢有9号、11号和12号3种规格，这3种规格的工字钢已正式列为国家产品，成批生产。矿用工字钢具有翼缘宽、高度小、腹板厚的特点，稳定性能好，能够较好地适应井下复杂多变的地质力学条件。

梯形支架有两种类型，一种为梯形刚性支架，另一种为梯形可缩性支架。两种类型的支架在我国均已形成支架系列。

梯形刚性支架在我国的巷道金属支架系列中采用两种型号的矿用工字钢<11号和12号>，包括15种规格。见图19、20.

     

图19 梯形刚性支架                   图20 梯形可缩性支架

梯形可缩性支架在我国的巷道金属支架系列中采用两种矿用工字钢(1l号和12号)和两种U型钢(25U和29U),包括15种规格。

表1 梯形支架的力学特性及适用条件

序号	支架架型	主要力学特性	适用条件
1	梯形刚性支架	不可缩承载力较小	围岩较稳定，变形量较小，在200mm左右，多用于巷道净断面小于lOm2的炮采工作面两巷及综采工作面的回风平巷
2	梯形可缩性支架	垂直可缩承载能力较小	围岩较稳定，顶压较大，侧压较小，多用于巷道净断面小于lOm2的炮采工作面及综采工作面回风平巷．其顶底板相对移近率在10%～35％之间

2、拱形支架

金属拱形支架可分为二类，即普通金属拱形支架和U型钢拱形支架。前者多采用普通工字钢、矿用工字钢或轻型钢轨制造，没有可缩性，一般仅作巷道临时支护和锚喷-支架巷道联合支护用。后者采用U型钢制造，具有可缩性，多用于地压大、受采动影响显著的采区巷道。

U型钢的种类很多，两根型钢搭接后按上下型钢接触的定位方式，分别有耳定位、腰定位和底定位等几种，我国设计的18U和25U型钢是腰定位，29U和36U型钢是耳定位。根据理论上分析和现场实际使用的情况，耳定位比腰定位的效果好。

表2 U型钢拱架可缩性支架的力学性能及适用条件

序号	支架架型	主要力学特性	适用条件
1	半圆拱可缩性支架（见图21）	承载能力较大，特别是在均匀受压时	回采巷道和与集中胶带机道连通的石门，围岩压力较大、较均匀或有一定侧压，顶底板相对移近率在lO％～35％之间
2	三心拱直腿可缩性支架（见图22）	承载能力较大，特别是在顶压受压时	回采巷道和与集中胶带机道连通的石门，围岩压力较大，特别是顶压较大，顶底板相对移近率在lO％～35％之间
3	三心拱曲腿可缩性支架（见图23）	承载能力较大，抗侧压能力较大	回采巷道和与集巾胶带机道的石门，围岩压力较大，压力较均匀，顶压和侧压均较大，顶底板相对移近率在10％～35％之间

 

图21 4节半圆拱直腿可缩性支架                图22 5节三心拱直腿可缩性支架

 

图23 4节三心拱曲腿可缩性支架

3.封闭曲线形可缩性支架   

    当巷道处在地质构造影响区、断层带和极不稳定岩层中．且受到二次采动影响的条件下，巷道围岩变形量大底臌严重，这时应采用封闭曲线形可缩性支架——圆形、方环形等。

表3 封闭曲线可缩性支架的力学特性及适用条件

4.U型钢可缩性支架连接件   

可缩性巷道支架最主要的特点是在支架构件不损坏的前提下，支架的净断面可以缩小，以此来减缓围岩对支架的压力，这种特性主要是靠支架的接头来实现的，支架的关键部件是接头处的连接件。支架的工作阻力、稳定性和可缩性，支架的使用年限和效果，很大程度上都取决于连接件的工作状况(与支架的架设质量和受力状态有关)。而连接件的形式、材质、螺母扭矩的大小，型钢搭接长度等，都是影响接头滑移阻力和支架可缩性的重要因素。

四、其他支护措施

为了改善巷道支架的受力状况，使支护效果更加良好，除了合理地设计、制造和使用支架外，还必须采取一系列行之有效的支护措施。主要有：安设底座、背板和拉杆，进行壁后充填等。

    一、拉杆

采用拉杆的目的是为了加强支架的稳定性，对于受采动影响的巷道和倾斜巷道，拉杆的作用更为突出。拉杆沿巷道纵向在架与架间布置，将两架支架连结起来，每一支架节布置1～2根，拉杆的抗拉强度一般应为≥50KN。图为角钢拉杆。

 

图24 角钢拉杆

1-拉杆；2-始段；3-终段

二、支架壁后充填

壁后充填的主要目的是使支架受载条件好，提高其承载能力并减小围岩的移近量，壁后充填堵塞空洞后也避免了瓦斯的积聚。支架后面充填区域的布置有两种方式：一种是布置塑料袋或纸袋，充填液注入袋内；另一种是预先铺设背板（隔板），充填完毕后卸下背板。

    三、底座

在柱腿底部，一般均要焊上矩形或方形钢板，称为底座，以降低底板比压，防止柱腿过多地插入底板，避免支架阻力过低。有时底板特别松软，还需在柱腿下加上木垫或料石垫等，以提高支架的工作阻力。

四、背板

一般金属支架都要设置背板。简易的背板一般采用木板，荆条棍、荆笆等制作，为了保证质量，可使用钢筋网背板，混凝土背板。图25为波兰使用的钢筋网背板，它是由不同直径钢筋纵横点焊而成。每块宽度为500mm，长度由巷道支架间距的大小来确定。在围岩特别松软破碎时也可增加金属网。

 

图25 钢筋网背板

2）喷混凝土支护

    喷射工艺

    喷射混凝土按其施工工艺分为两种：一种是干式喷射，即水泥、砂、石的干拌和料在喷头处与水混合，然后喷射到岩面上；另一种是湿式喷射，即干拌和料在搅拌机中与水混合，再经喷头喷射出去。干式喷射是目前使用最多的，它的主要问题是回弹率高、粉尘大、作业条件差。湿式喷射回弹和粉尘都较少，但易堵管。

喷层厚度的确定

喷层厚度一般为50-150mm，最厚不超过200mm。

喷射混凝土的适用条件

除了大面积渗漏水、岩层错动、岩层与混凝土起不良反应等情况外，一般说来，纯喷射混凝土适用于中等稳定的块状结构围岩及部分稳定性稍差的碎裂结构围岩。

喷射施工中存在的问题：

(1)回弹及回弹物的利用。应采取措施减少回弹，并重视回弹物的利用。

(2)粉尘。目前，国内广泛采用干式喷射工艺，易产生粉尘。装干料或设备密封不良时，也会产生粉尘，使作业条件恶化，解决的主要途径：使用湿式喷射机，改喷干料为喷潮料，采用水泥裹砂法工艺，在喷头处设双水环，在上料口安装吸尘装置，适当降低喷射风压，以及加强通风、稀释粉尘浓度等。

(3)围岩涌水的处理。处理的原则是：以排为主，排堵结合，先排后喷，喷注结合

(4)喷层收缩裂缝的控制。由于喷射混凝土水泥用量大，含砂量较高，喷层又是大面积薄层结构，加入速凝剂后迅速凝结，这就使混凝土在凝结期的收缩量大为减少，而硬化期的收缩量明显增大，结果混凝土层往往出现有规则的收缩裂缝，从而降低了喷射混凝土的强度和质量。

3）锚杆支护

锚杆支护实质上是把锚杆安装在巷道的围岩中，使层状的、块状的、软质的岩体以不同的形态得到加固，形成一个完整的支护结构，提供一定的支护抗力，共同阻抗其外部围岩的位移和变形。

    一般浇筑混凝土属于常刚度支护结构；锚杆支护则属于柔性大的非线性变刚度的支护结构，常称为柔性支护。其余支护结构则介于两者之间。

    井巷支护，要求施工初期尽早地进行支护，但又要具有一定的柔性，使之与围岩一起有控制的变形，调整围岩的应力，达成稳定的平衡，而锚杆支护正好具备这一重要特性。

    锚杆支护提供及时的合适的支护抗力，使围岩由双向应力状态转化为三向应力状态，提高并加固了围岩强度，增强了围岩的稳定性和自承能力；通过有控制的变形、位移和一定范围的塑性区，调整围岩应力分布和支护抗力的大小，从而达到支护的技术经济合理性。

二、锚杆的分类

    锚杆种类划分的方法较多，目前国内外多按锚固长度分类，按锚固方式分类。现有锚杆按锚固长度可划分为两大类，即集中（端头）锚固类锚杆和全长锚固类锚杆。两类锚杆按锚固方式可分为两种型式，即机械锚固型和粘结锚固型。锚杆的结构类型很多，下面介绍国内常用的几种。

1．钢筋或钢丝绳砂浆锚杆：全长锚固型，设计锚杆力30～50KN。它结构简单，加工方便，成本较低，应用较广。但不能立即承载，不能回收复用。

2．金属倒楔式锚杆：这种锚杆是端头锚固型，理论上可以回收复用．安装后可以立即承载，结构简单，易于加工，设计锚固力为40kN。

3．木锚杆：木锚杆结构简单，制作方便，价格便宜，但易腐朽，设计锚固力10kN左右。

4．树脂锚杆：现在使用的树脂锚杆多为端头锚固型

5．快硬水泥锚杆：快硬水泥锚杆成本低，材料来源广。

    6．快硬膨胀水泥锚杆

7．管缝式锚杆：全长锚固型锚杆。管缝式锚杆对地层横向错动有良好适应能力，钻孔变弯曲，锚固会更牢。这种锚杆的成本较高，不能回收复用，但锚固性能好，锚固力大。

8．可伸缩式锚杆：在松软、破碎、膨胀性围岩中，可采用可伸缩式锚杆。这种锚杆能与围岩变形相协调，使围岩有一个卸压过程。

表4 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数

巷道类别	围岩稳定状况	基本支护形式	主要参数
Ⅰ	非常稳定	整体砂岩、石灰岩类岩层：不支护
		其他岩层：单体锚杆	端头锚固： 杆体直径：>16mm 杆体长度：1．6～1．8m 间排距：0．8～1．2m 设计锚固力：>64～80kN
Ⅱ	稳定	顶板较完整：单体锚杆
		顶板较破碎：锚杆+网	端头锚固： 杆体直径：1 6～18 mm 锚杆长度：1．6～2．0m 间排距：0．8～1．O m 设计锚固力：64～80 kN
Ⅲ	中等稳定	顶板较完整：锚杆+钢筋梁，或桁架
		顶板较破碎：锚杆+“W”型钢带(或钢筋梁)+网，或增加锚索；桁架+网，或增加锚索	端头锚固： 杆体直径：1 6～18mm 锚杆长度：1．8～2．2m 间排距：0．6～1．0m 设计锚固力：64～80kN 全长锚固： 杆体直径：18～22 mm 锚杆长度：1．8～2．4m 间排距：O．6～1．0m
Ⅳ	不稳定	锚杆+“W”型钢带+网，或增加锚索； 桁架+网，或增加锚索	全长锚固： 杆体直径：18～22 mm 锚杆长度：1．8～2.0m 间排距：0．6～1．O m
Ⅴ	极不稳定	顶板较完整：锚杆+金属可缩支架，或增加锚索； 顶板较破碎：锚杆+网+金属可缩支架，或增加锚索； 底鼓严重：锚杆+环形可缩支架	全长锚固： 杆体直径：l 8～24 mm 锚杆长度：2．O～2．6m 间排距：0．6～1．0m

注：①巷道帮锚杆支护形式与主要参数视地应力大小、巷帮煤(岩)强度、节理状况、护巷煤柱尺寸、巷道断面与是否切割等，参照顶板锚杆确定。

  2对于复合顶板，破碎围岩，易风化、潮解、遇水膨胀围岩，可考虑在基本支护形式基础上增加锚索加固或注浆加固、封闭围岩等措施。

③锚杆各构件强度应与相应锚固力匹配。

 ④顶板较完整指节理、层理的分级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级；顶板较破碎指Ⅳ、Ⅴ级。

4）联合支护

联合支护的形式主要有以下几种：

(1)各种锚杆支护的联合

锚杆在巷道支护中的作用是不同的，可分为超前锚杆、围壁插筋锚杆、径向加固锚杆，还有加固顶板的桁架锚杆等。各种锚杆优先组合是最积极、最实用、最有效的方法。

(2)锚喷支护与U型钢支架联合

锚喷支护与U型钢支架联合最方便，效果也是比较好的，只要经济上允许，通常应优先采用。但必须先锚喷后支架，这样才能提高支护效果并便于回收支架。如先支后锚喷则不仅钢材全部消耗掉，而且喷层强度也会受影响。这种方式要消耗大量优质钢村，成本较高，局部使用。

(3)锚喷支护与砌体支护的联合

   锚砌联合中砌体包括料石、混凝土砌块以及钢筋混凝土弧板等。这种联合支护壁后充填非常重要，否则达不到预期效果。

（4）锚喷、锚注与U型钢联合支护

即在锚喷支护与U型钢支架联合支护的基础上注浆以加固围岩。

（5）“三锚”耦合支护

即同时使用锚杆、锚索和锚注技术，在大松动圈软岩巷道中，利用锚杆的挤压成拱(即组合拱)、锚索的悬吊和减跨、锚注的通过提高岩体粘聚力及摩擦角来提高岩体的抗剪强度来进行联合支护，这种方法称为“三锚耦合支护。“三锚”耦合支护要注意三种支护方式的不同作用机理，在设计施工中要注意施工的先后顺序和时机，以达到最佳耦合效果。

近年来．以锚杆、锚索和锚注为主的“三锚”支护是联合支护的典型代表．它已经成为深部矿井软岩巷道支护的重要技术，其独特的优点是，不仅主动加固围岩，而且能把深部围岩强度调动起来，和浅部支护岩体共同作用，控制巷道稳定性,这将是软岩巷道支护的主流发展方向。

表5              不同类型软岩巷道变形机理、支护原则和推荐支护方案