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锚网支护培训教案

作者:煤矿安全网 来源:煤矿安全网 发布时间:2014-04-10

   掘进巷道支护一般分为锚网(喷)支护、砌碹支护和棚式支护三种,而锚网喷支护又分为锚杆支护、喷浆(砼)支护、锚喷支护、锚喷网联合支护和锚索网梁联合支护等。锚(喷)支护是一种主动支护方式,而砌碹支护和棚式支护两种都是被动支护方式,通过近年来积极的巷道支护改革,已经开始逐步淘汰砌碹和棚式支护的被动支护形式。
   一、锚网支护
   (一)锚杆支护
   锚杆是一种锚固在岩体内部的杆状体。采用锚杆支护巷道,就是巷道掘进后向围岩中钻锚杆眼,然后将锚杆安设在锚杆眼内,对巷道围岩予以人工加固,以维护巷道的稳定。
   1、锚杆的种类和结构
   目前国内外使用的锚杆类型很多,按其对岩体的锚固方式,可分作“机械锚固型”(点负荷式)相“全面胶结型”两类。金属楔缝式、倒楔式、涨壳式锚杆等均属 “机械锚固型”,其特点是,通过眼底端的锚头和另一端的紧固部分,使锚杆体受张拉而抑制围岩的变形和松动;“全面胶结型” 锚杆(如砂浆锚杆)则是通过杆体与孔壁间的胶结材料,使锚杆在钻孔的全长范围内与岩石粘结在一起,对岩体产生锚固作用。实践证明,在各种地质条件下,“全面胶结型”锚杆的锚固性能比较优越,因此,各种永久性的井巷工程,采用这种类型的锚杆是适宜的。下面介绍我国煤矿中常用的几种锚杆。
   (1).钢筋或钢丝绳砂浆锚杆
   ①、钢筋砂浆锚杆,是先在锚杆孔内注满砂浆,然后插入钢筋而成,利用砂浆与钢筋、砂浆与孔壁的粘结力锚固岩层(图6-3,a)。一般常用直径10~16mm的螺纹钢筋,砂浆用32.5或32.5R普通硅酸盐水泥、粒径小于3mm的中细砂加水拌合而成,砂浆标号应不低于M15,以手捏成团出浆,松手后砂浆不散为宜。
   ②、钢丝绳砂浆锚杆,是利用直径10~14mm的废旧钢丝绳代替钢筋插入锚杆孔内注入砂浆而成(图5-13,b)。废旧钢丝绳在使用前要经过截断、火烧、破股、除锈相平直等工序进行处理。
   钢筋或钢丝绳砂浆锚杆,加工方便,成本比较低廉,锚固力大而持久性强,应用比较广泛。然而由于砂浆凝固之前锚杆没有承载能力,其应用范围受到了一定限制。有些单位使用倒楔式金属锚杆,再灌注水泥砂浆,这样初锚力大,锚固力又持久可靠。
   (2).金属锚杆
   依锚头的结构形式不同,金属锚杆有楔缝式、倒楔式、涨壳式等几种。涨壳式锚头加工复杂,我国使用较少,国外用得较多。
   ①、金属楔缝式锚杆,由杆体、楔子、垫板相螺帽组成(图6-4)。杆体常用直径18~22mm的3号钢制作,一端加工成宽2~5mm、长150~200mm的纵向楔缝,另一端在100~150mm长的范围内车成螺纹。楔子用软钢或铸铁制造,垫板多用6~10mm厚的钢板制成,其规格为15O×l50或2O0×2O0mm。
   这种锚杆结构简单,加工容易,在硬岩中锚固力较大。但对钻孔深度的精确性要求严格;杆体直径大,钢材用量较多;在软岩中锚固力不足,不宜采用。
   ②、金属倒楔式锚杆,其锚入端有一个用铸铁作的固定楔,固定楔大头朝向孔底并与杆体浇注在一起,杆体的另一端车成螺纹。另外有一铸铁活动倒楔,安装时倒楔的小头朝向孔底,用锤敲击杆体锚杆就锚固在岩体中(图6-5)。
   这种锚杆除结构简单容易制造外,它的杆体直径比楔缝式小,一般为12~16mm,可省钢材;此外,对钻孔深度的要求不太严格,巷道报废时有可能回收,因此应用较广泛。
   (3).木锚杆
   ①、普通木 锚杆,用优质杂木制作,杆体直径38mm,两端都作成200mm长的楔缝,为防止杆体劈裂,两端的楔缝应在互相垂直的平面内(图6-6,a)。楔子用硬木制作,木托板一般为400×2O0×50mm。
   普通木锚杆结构简单,制作方便,价格便宜,但锚固力小,易腐朽,用于服务年限短的采区巷道为宜。
   ②、压缩木锚杆,其结构与普通木锚杆相同(图6-6,b),是用普通木材经过热压塑化锯成条状加工而成。潮湿的木材加以横向压缩产生较大的弹性变形,同时给以热处理和冷却,弹性变形即转化为塑性变形而成为压缩木。当压缩木吸湿后,塑性变形又转化为弹性变形,产生一种恢复原有形状和尺寸的膨胀特性。安装在钻孔内的压缩水锚杆,在淋水或湿气作用下,迅速沿钻孔全长剧烈膨胀,以很大的压力挤压孔壁岩石,不仅在锚头产生锚固力,沿钻孔全长都会产生膨胀锚固力,从而将错杆所穿过的岩层紧紧挤压加固起来。
   显然,它的锚固力比普通木锚杆要大得多,据测定一般都在4吨以上,甚至可达9吨。由于横向膨胀变形大,为防止木托板劈裂和保护孔口岩石,常在外露端加金属垫圈或金属衬套。
   (4).树脂锚杆
   树脂锚杆是以合成树脂为粘结剂。在固化剂和加速剂的作用下,将错杆体与孔壁岩石粘结成一个坚固整体的一种新型锚杆。
   树脂锚杆由杆体、垫板、螺帽和树脂药包组成。当前我国使用的树脂锚杆以金属杆体和木杆体为主,常用的金属杆体是用直径16~18mm的普通圆钢加工而成,杆体长1.5~1.8m,插入孔底的一端做成反麻花状,为防止安装搅拌时树脂外流和保证锚固长度,在距杆体顶端220mm处的麻花尾部处,焊上一个直径38mm的挡圈。杆体的外露端与其它金属锚杆一样也车成螺纹,并用垫板和螺帽紧固。
   树脂锚杆的抗拉、抗弯、抗压强度都此较大,抗震性能好;它的胶凝固化速率很快能在几分钟到几小时内获得很高的初锚力,可以迅速有效地控制围岩,因此,它可用于各种不同的岩层和各种不同地质条件的巷道。近年来树脂锚杆发展迅速,已在许多矿山和她下工程中应用。
   (5).张拉式锚杆支架
   张拉式锚杆支架又叫拉杆支架,是在锚杆支护的基础上发展起来的一种控制巷道顶板的方法,有单式和复式两种形式,复式拉杆支架是由两个以上的单式拉杆支架所组成(图6-7,a)
   拉杆支架由两个与顶板成45。角的钢丝绳砂浆锚杆用拉紧螺丝拉紧而成,在锚杆孔附近的顶板与钢丝绳之间垫一木楔。其作用原理如图6-7,b所示,拧紧拉紧螺丝使钢丝绳产生预拉力,于是锚杆顶部便产生两个水平分力H和垂直分力B,分力H挤压顶板岩石,增大岩块间的摩阻力,可阻止顶板下沉;垂直分力B则为两帮岩石所承担。同时,被拉紧的钢丝绳还通过垫木产生两个对顶板起支撑作用的反力F,F的水平分力使顶板周边附近的岩体受压,从而改善了顶板可能出现拉应力的不利局面。随着顶板的少量下沉,钢丝绳将受到更大的张拉力,分力H、B和F力也都相应增大,因而使支架能更有效地阻止顶板下沉。但分力B的增大不利于围岩稳定,有可能造成两帮岩体的剪切破坏,因此两帮应采用锚杆加固,并使锚杆长度l2≥l1cosα(图6-7,a)。
   根据实践经验,跨度小于4m的巷道,可使用单式拉杆支架;跨度大于4m的巷道、硐室或交岔点,可采用复式拉杆支架。在坚固稳定岩层中,拉杆支架可单独使用;在稳定性较差的岩层中,则可和喷浆或喷射混凝土结合使用。
   2、锚杆支护施工
   依据地质条件,锚杆通常按方形或梅花形布置,方形排列适用于比较稳定的岩层,梅花形适用于稳定性较差的围岩。用锚杆加固危岩时,应视危岩赋存的实际情况确定锚杆的布置方式。锚杆的锚入方向,应与岩层面或主要裂隙面成较大的角度,并尽可能与其相垂直,若围岩的层面或裂隙面不明显,则应垂直于巷道周边锚入。
   锚杆支护施工包括钻锚杆眼和安装锚杆两个工序。
   ①钻锚杆眼
   目前,我国大多使周掘进用的凿岩机钻锚杆眼,劳动强度大、效率低,特别是钻顶部眼时作业条件差,影响锚固质量,有条件的应选用专用的锚杆打眼安装机。
   例如:MGJ-l型锚杆打眼安装机,适于在f≤8、断面为8~14m2的岩石巷道中使用,生产能力为8~10根/时,一次最大钻孔深度1700mm。
   ②锚杆安装
   安装金属锚杆时,先把楔子夹在楔缝中,然后轻轻插入眼底。为了保护杆体和螺纹,在杆体外端加上保护套筒或拧上保护螺纹的螺母,不断锤击保护套筒或杆体,楔子便挤入楔缝,迫使楔缝张开而锚入岩体中,最后取下保护套筒,安上垫板拧紧螺帽即成。
   安装倒楔式锚杆时,把倒楔绑在固定楔的下部,一同送入锚杆眼内,然后用专用的锤击杆顶住倒楔进行锤击,直到击不进去为止,最后装上垫板拧紧螺帽,锚杆即锚固在岩体中。
   为保证锚杆安装质量,应注意以下问题:
   a、锚杆孔深度要与锚杆长度配合适当,楔缝式锚杆对这一要求尤为严格。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;
   b、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阻力,所以锚杆孔直径与锚头直径也必须配合适当;
   c、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。
   d、螺帽要用大扳手尽量拧紧,使杆体中产生较大的预拉力。一般认为,杆体的预拉力应达到锚杆锚固力的40~80%。
   安设钢丝绳砂浆锚杆,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。注砂浆前需用高压风、水将锚杆孔冲洗干净,然后用注浆罐通过注浆管把砂浆注入孔内。注浆时要把注浆管插到眼底,随着砂浆的注入缓缓拔出,以保证水泥砂浆注得饱满均匀。
   安装树脂锚杆时,用锚杆体将树脂药包送到眼底,然后以煤电钻为动力,通过特制的联接头带动杆体转动,将药包捣破并搅拌30秒钟左右,化学药剂混合后发生化学反应,树脂由液态聚合转化为固态,将孔壁岩石和锚杆体端部的反麻花部分胶结固化在一起。15分钟后安上托板拧紧螺帽即安装完毕。
   ③锚杆质量检查
   为了保证支护质量,必须对锚杆施工加强技术管理和质量检查。主要应注意检查锚杆眼直径、深度、间距和排距以及螺帽的拧紧程度,并对锚杆的锚固力进行抽查试验,如发现锚固力不符合设计要求,则应重新补打锚杆。锚固力可用锚杆拉力计进行测定。
   (二)喷射混凝土与喷浆支护
   ⒈喷射混凝土支护
   喷射混凝土是将一定配合比的水泥、砂、石子和速凝剂等混合搅拌均匀,装入喷射机,以压缩空气为动力,使拌合料沿管路吹送至喷头处与水混合,并以较高的速度喷射在岩面上凝结硬化而成的一种新型支护形式,其工艺流程如图6-8所示。先将砂、石过筛,按配合比和水泥一同送入搅拌机内搅拌,然后用矿车将拌合料运送到工作面,经上料机装入以压缩空气为动力的喷射机,再经输料管吹送到喷头处与水混合后喷敷在岩面上。
   喷射混凝土的施工工艺和普通混凝土有很大差别,因而它的物理力学性能和对围岩的支护特性有以下特点:
   ①混凝土在高速喷射过程中,水泥颗粒受到重复碰撞冲击,混凝土喷层受到连续冲实压密,而且喷射工艺又允许采用较小的水灰比,因此喷射混凝土层具有致密的组织结构和良好的物理力学性能。特别是它的粘结力大,能同岩石紧密粘结,是形成喷射混凝土独特支护作用的重要因素。
   ②喷射棍凝土能随着巷道掘进及时施工,且加入速凝剂后其早期强度成倍增长,因而能够控制围岩的过度变形与松弛。
   ③喷层较薄,具有一定的柔性,可以和围岩共同变形产生广定量的径向位移。
   ⒉喷射混凝土支护的作用原理
   (1)加固与防止风化作用
   喷射混凝土以较高的速度射入张开的节理裂隙,产生如同石墙灰缝一样的粘结作用,从而提高了岩体的粘结力C和内摩擦角φ值,也就是提高了围岩的强度。同时喷射混凝土层封闭了围岩,能够防止周水和风化作用造成围岩的破坏与剥落。
   (2)改善围岩应力状态作用
   巷道掘进后及时喷射一层具有早期强度的混凝土,一方面将围岩表面的凹凸不平处填平,消除因岩面不平引起的应力集中现象,避免过大的集中应力所造成的围岩破坏;另一方面,使巷道周边围岩由双向受力状态变成三向受力状态,提高了围岩的强度。
   后者可用围岩的强度曲线和莫尔圆的关系加以说明。开巷后,巷道周边岩体处于双向受力状态,应力圆切于座标原点,很容易与强度曲线相切而处于极限平衡状态。喷射混凝土后,喷层提供的支护反力Pi使围岩表面处于三向受力状态,这时表征各点应力状态的应力圆离开座标原点右移,同时,混凝土射入围岩表面裂隙,提高了围岩强度,使强度曲线上移,因此应力圆不再与强度曲线相切,这表明围岩表面应力小于岩体强度,巷道围岩处于稳定状态。
   (3)柔性支护结构作用
   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,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,使围岩的自身承能力得以充分发挥,因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,岩块间靠互相镶嵌、联锁、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,使喷层与岩石的粘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,那么岩块间的联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。
   一些模拟试验表明,对于几乎毫无承载能力的。不稳定岩层拱,喷上一层混凝土后,破坏荷载高达30吨以上,平均承载能力比单一的喷射混凝土拱提高了3.6倍。这些试验说明,即使毫无承载能力的不稳定岩层,由于喷射混凝土和岩石的紧密粘结,不仅能防止围岩的局部破坏,而且还将不稳定围岩“组织”成为承载结构的一部分,即把原来的荷载变成结构,因此承载能力大大提高。
   ⒊喷射混凝土施工
   喷射混凝土有干喷和湿喷两种施工工艺。所谓干喷,是指装入喷射机的是干拌合料,在喷头处加水后喷向岩面;这种施工工艺生产率高,可使用固体速凝剂,目前采用比较广泛。但喷射作业时粉尘大,水灰比不易控制,拌合料与水的混合时间短,使混凝土的均质性和强度受到影响,而且回弹量较大,降低喷层质量。为了解决这些问题,有些国家已开始采用湿喷工艺,即将混凝土拌合料与水充分搅拌后再装入喷射机进行喷射。
   (1)施工机具
   ①干式混凝土喷射机
   根据喷射工艺的要求,喷射机相应也有干式和湿式两种。我国定型生产的干式喷射机种类较多。
   ②湿式喷射机
   目前国外湿喷机种类繁多,按构造可分为罐式湿喷机、转子式湿喷机、挤压软管式混凝土泵和液压活塞式混凝土泵等四类。我国也在研制不同结构形式的湿喷机,但尚无定型产品。国外使用的转子式湿喷机结构简单,体积小重量轻,连续喷射,性能可靠。
   (2)材料配合比
   ①喷射混凝土的材料
   喷射混凝土和普通混凝土一样,也是由水泥、砂、石子和水组成,它对骨料的强度、有害杂质含量以及颗粒形状的要求与普通拌制混凝土是相同的,对拌合用水的要求也和普通混凝土一样,但因其施工工艺和支护作用的不同,还需掺加速凝剂,对各种材料有些特定的要求。
   a、水泥
   喷射混凝土要求凝结硬化快,早期强度高,应优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥,水泥标号一般应不低于32.5R。为保证混凝土的强度,不能使用已经受潮或过期结块的水泥。近年来我国某些单位研制的速凝早强水泥和喷射水泥,无需掺加速凝剂即可满足快凝、早强的要求,从而可避免混凝土后期强度的降低使喷射混凝土的质量得到提高。
   b、砂
   采用粒径为0.3~3mm的中砂或中粗混合砂为好,尽量不用细砂,用细砂拌制混凝土水泥用量大,易产生较大的收缩变形,而且过细的粉砂中含有较多的游离二氧化硅,危害工人的健康。砂的含水率在5%左右为宜,含水率过大容易造成堵管,太小又会增加粉尘浓度。
   C、石子
   可采用河卵石或碎石。用碎石制作的混凝土密实性好,强度较高,回弹率较低,但对施工设备和管路磨损严重;河卵石则相反,它的表面光滑,对设备及输料管的磨损小,有利于远距离输料和减少堵管事故,工程中采用卵石的较多。
   石子的最大粒径取决于喷射机的性能,双罐式和转体式喷射机。最大粒径应不超过25mm;螺旋式喷射机,最大粒径不超过30mm。石子的颗粒级配是影响混凝土质量、水泥用量和回弹率的重要因素,根据经验,表5-13所列出的颗粒级配比较合理。
   
   
   
   表5-13  喷射混凝土所用石子的合理级配
粒径(mm) 5~7 7~15 15~25
百分率(%) 25~35 55~45 <20
   
   d、速凝剂
   速凝剂是促使水泥早凝的一种催化剂;对速凝剂的要求是,加入后混凝土的凝结速度快,早期强度高,后期强度损失小,干缩变化不大,对金属的腐蚀性小,在较低温度(5℃


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