【井巷工程课件】第六章 巷道支护1

本章提要本章主要讲述井巷支护理论及技术。包括常用的支护材料，如水泥、混凝土和钢材等；锚杆支护的基本理论及施工技术；喷射混凝土施工技术以及其他联合支护的形式等。第六章巷道支护目的：防止围岩垮落或产生过大变形，满足正常生产和安全。三种类型：第一类为各种被动支护形式，包括木棚支架、钢筋混凝土支架、金属型钢支架、料石碹、混凝土及钢筋混凝土碹等；第二类是以锚杆支护为主，旨在改善巷道围岩力学性能的积极支护形式，包括锚喷支护、锚网支护、锚喷网支护等；第三类是以锚杆和注浆加固为主的积极主动加固形式，如锚注支护、预应力锚索支护技术等。本章主要参考书第一节支护材料棚式支架————石材整体支护————锚喷支护梯形金属支架料石金属锚杆（锚索）拱形可缩金属支架砖木锚杆木支架混凝土竹锚杆钢筋混凝土支架钢筋混凝土金属网混凝土1.气硬性胶凝材料——不宜于潮湿环境⑴石膏：硫酸钙（CaSO4·H2O），主要用于室内装饰、绝热保温、吸音防火900～1000℃⑵石灰：生石灰；熟石灰作用：砌筑砂浆或抹灰砂浆拌制三合土（石灰、黏土、砂石或矿渣）－提高强度和耐水性，建筑物基础、路基等2.水硬性胶凝材料：水泥地上、地下、水中23COCaOCaCO千卡5.15)(22OHCaOHCaO一.胶凝材料211．品种⑴硅酸盐水泥⑵普通硅酸盐水泥建筑工程⑶矿渣硅酸盐水泥⑷粉煤灰硅酸盐水泥⑸火山灰质硅酸盐水泥二．水泥⑴高铝水泥——快硬、高强、耐腐蚀，国防、道路、抢修⑵膨胀水泥——防水沙浆：构件、管道接头，防渗抹面特殊工程⑶白色水泥——原料和制作设备及过程⑷彩色水泥：氧化铁、氧化锰、氧化铬⑸快硬水泥；抢修工程、抗冲击及抗震性工程⑹耐硫酸盐水泥。2．硅酸盐水泥⑴生产⑵熟料的矿物组成名称化学式简写式含量（%）硅酸三钙3CaO·SiO2C3S36~37硅酸二钙2CaO·SiO2C2S15~37铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A7~15铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10~18（CaO）（SiO2、Al2O3）（Fe2O3）黑色球状⑶矿物性能（单独与水作用）名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙凝结硬化速度28天放热量强度快多高慢少早低、后高最快最多低快中低⑷水泥的细度7~200μm（0.007~0.2mm），水泥颗粒愈细，比表面积愈大，水化愈快，其早期强度和后期强度都越高。但在空气中硬化收缩性大，成本高筛分法：0.08mm方孔标准筛筛余量不得超过10%水化热。大体积混凝土水化热造成的内外温差，可导致混凝土开裂；但水化热对冬季混凝土施工则是有益的，水化热可促进水泥水化进程。⑸水泥的凝结时间——细度、铝酸三钙含量、水灰比初凝：加水拌和——开始失去塑性（搅拌、运输、浇捣和砌筑）大于45min1～3h终凝：加水拌和——失去塑性产生强度（尽快硬化、产生强度）硅酸盐水泥小于6.5h，其他水泥12h5～8h硬化：终凝——形成坚硬人造石4×4×16cm⑹水泥的强度——矿物成分和细度水泥和标准沙（1∶3.0）+定量水(水灰比0.5）———标准试件———————养护———————试验（抗折抗压）温度20℃±1℃相对湿度＞90%3d,28d强度和标号：425、525、625、725⑺硅酸盐水泥的应用①标号高—重要结构的高强混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土；②凝结硬化快——喷射混凝土支护；③耐冻性好——冬季施工和遭受反复冻融工程④水化热多、周期长——不适用于大体积混凝土；（3d－50%，3个月90%）⑤抗软水及化学腐蚀性差——不适宜于海水、矿物水、流动的淡水及有水压的水（或体积膨胀或生成溶于水的氢氧化钙、铝化钙等）⑻存放：①按不同品种、标号及出厂日期存放②一般存储条件下：三个月后强度降低10~20%，六个月后强度降低15~30%，1年后强度降低25~40%堆积密度1000~1600kg/m33．水泥混合材料⑴分类：①活性混合材料：产生胶凝性的水化产物，在空气和水中均能硬化。如：粒化高炉矿渣（炼铁高炉的熔融矿渣经急冷—水淬，粒径0.5-5mm）火山灰质混合材料（活性氧化硅、活性氧化铝）粉煤灰：发电厂烟气灰渣，0.001-0.05mm，未燃炭规定在（1-2%）②非活性混合材料：粘土、石灰石、石英砂等⑵作用：提高产量、降低标号、降低水化热，扩大使用范围活性材料能改善某些性能4．普通硅酸盐水泥⑴组成：硅酸盐水泥熟料+少量混合材料+适量石膏——普通水泥活性掺量少于15%，非活性掺量少于10%调节水泥的强度等级⑵标号：275、325、425、525、625、725⑶性能：基本性能同硅酸盐水泥；凝结硬化速度慢、抗冻及耐磨性差凝结时间要求一样⑷使用：标号广，便于使用，堆积密度1000~1600kg/m3。5．矿渣硅酸盐水泥：⑴组成：硅酸盐水泥熟料+粒化高炉矿渣+适量石膏20～70%⑵标号：275、325、425、525、625五个标号⑶应用：水泥石氢氧化钙较少，抗软水及化学腐蚀性较强——水工和海港工程耐热性好：冶炼车间、锅炉房、炉窑外壳等用水量大，保水性差，干缩性大：故抗冻性、抗渗性差堆积密度1000~1200kg/m36．火山灰质硅酸盐水泥：⑴组成：硅酸盐水泥熟料+火山灰质混合材料+适量石膏20～50%⑵标号：275、325、425、525、625五个标号⑶应用：堆积密度900~1000kg/m3硬化慢、湿热敏感性高—适用于采用蒸汽养护的工程，不宜有早强要求的工程和低温工程水化热少（同标号普通水泥的70%）——大体积混凝土潮湿环境中产生膨胀胶化作用——抗渗要求较高的工程初期析水速度快，产生收缩裂纹，在干燥环境中不宜采用用水量大，干缩性大：故抗冻性差7．粉煤灰硅酸盐水泥：⑴组成：硅酸盐水泥熟料+粉煤灰+适量石膏20～40%⑵应用：硬化较慢，早期强度较低，不宜有早强要求的工程和低温工程水化热少（同标号普通水泥的70%）——大体积混凝土初期析水速度快，产生收缩裂纹混凝土工程特点或所处环境条件优先选用可以选用不宜使用普通混凝土1.在普通气候环境中普通水泥矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥2.在干燥环境中普通水泥矿渣水泥火山灰质水泥;粉煤灰水泥3.在高湿度环境中和永远处于水下普通水泥矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥4.厚大体积矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥普通水泥硅酸盐水泥;快硬硅酸盐水泥有特殊要求的混凝土1.要求快硬硅酸盐水泥；快硬硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥2.高强（大于C40）硅酸盐水泥普通水泥；矿渣水泥火山灰质水泥;粉煤灰水泥3.严寒露天地区，寒冷地区处于水位升降范围内普通水泥（325级以上）矿渣水泥（325级以上)火山灰质水泥;粉煤灰水泥4.严寒地区处于水位升降范围内普通水泥（325级以上）矿渣水泥;火山灰质水泥;粉煤灰水泥;复合水泥5.有抗渗要求普通水泥；火山灰质水泥矿渣水泥6.有耐磨性要求硅酸盐水泥；普通水泥（325级以上）矿渣水泥（325级以上)火山灰质水泥;粉煤灰水泥三．混凝土1．混凝土品种：按干表观密度（105±5℃干燥至恒重）的大小防水混凝土、耐热混凝土、喷射混凝土、耐酸混凝土等轻混凝土：干表观密度小于1900kg/m3，保温或轻质结构①轻骨料混凝土(800～1900kg/m3)，火山渣、膨胀矿渣及煤渣等制成②泡沫混凝土、加气混凝土等(300～1200kg/m3)，泡沫和发气剂③大孔混凝土，不加细骨料普通混凝土：1900～2500kg/m3，房屋、桥梁、道路等重混凝土：干表观密度大于2600kg/m3，防x射线和γ射线，如重晶石混凝土、钢屑混凝土等2．组成材料：水泥+砂子+石子+水——混凝土胶凝材料骨料（总体积的60～80％）⑵砂子——细骨料：0.15～5mm，海砂、河砂和山砂①有害杂质：妨碍水泥与砂的粘结，降低强度，增加用水量，增大收缩，降低抗冻及抗渗性②颗粒形状：影响流动性及黏结强度③砂的粗细及颗粒级配：节约水泥，提高强度筛分法：5、2.5、1.25、0.63、0.315、0.16标准筛，500g干砂。⑴水泥——决定着混凝土的成本和强度品种——工程特点和环境条件标号——水泥标号为混凝土强度等级的1.5~2倍⑶石子——粗骨料：大于5mm卵石和碎石质量要求：针状（＞2.4倍）和片状（＜0.4倍）——降低强度活性氧化硅——碱骨料反应（生成凝胶，吸水无限膨胀，水泥石涨裂）粒度要求：连续级配和间断级配⑷水：自来水和清洁天然水最大粒径（小于结构截面最小尺寸的1/4，钢筋最小净距的3/4）常用混凝土一般要满足以下四项要求：（1）经拌和后形成的拌合物应具有一定的和易性；（2）混凝土应在规定龄期达到设计要求的强度；（3）混凝土应具有适应其所处环境的耐久性；（4）经济合理，在保证质量前提下，降低造价3．混凝土的技术性质⑴和易性：是指混凝土拌和物易于施工操作（拌和、运输、浇筑和捣实）并能获得质量均匀、成型密实的性能。指标：流动性粘聚性保水性测定：塌落度项次结构种类塌落度，mm1基础或地面的垫层，无配筋的厚大结构（挡土墙、基础或厚大的块体）或配筋稀疏的结构10～302板、梁和大型或中型截面的柱子等30～503配筋密列的结构50～704配筋特密列的结构70～90塌落度选择⑵强度等级立方试块（15×15×15cm）—标准条件（水温20±3°相对湿度＞90%）—28天抗压强度。强度等级C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60十二个等级BWCRARC28①水泥标号和水灰比经验公式：C、W—每m3混凝土水泥及水的用量，kg；A、B—经验系数，碎石A=0.46，B=0.07；卵石A=0.48，B=0.33②骨料的品质和级配③施工及养护条件（7天）：温度、湿度，搅拌及震捣等•提高混凝土强度的方法（1）提高水泥标号；（2）降低水灰比；为改善和易性，可掺加减水剂；（3）采用级配好且干净的砂、高强度石子；（4）加强养护，保证适宜的温度、较高的湿度，或采用湿热处理（蒸汽养护）来提高早期强度。（5）加强搅拌和振捣；（6）添加增强材料，如硅粉、钢纤维等。4．混凝土的改性剂混凝土拌合时或拌合前可掺入一定量的改性剂，包括减水剂、早强剂、速凝剂、防冻剂等，可显著改善混凝土某些性能。如提高最终强度或初期强度（早强）、改善和易性、提高耐久性及节约水泥等。①减水剂：不改变水灰比条件下，提高流动性；不改变流动性条件下，减少水灰比以提高混凝土强度。②速凝剂：加速水泥硬化（初凝1～5min，终凝10min）。提高早期强度，但对后期强度影响较大。混凝土配合比指混凝土组成材料间的数量比例关系。混凝土配合比表示方法有两种:（1）以1m3混凝土中各组成材料的质量表示，如水泥336kg，砂654kg，石子1215kg，水195kg；（2）以水泥质量为1，表示出各成份的质量比，如:1:1.95:3.52:0.58(水泥:砂子:石子:水)。5.混凝土配合比概念四.砂浆：砌筑用，没有粗骨料五.木材：架设木支架、轨枕;防腐处理六.钢材：架设金属支架、铺设轨道、锚杆类型：矿用工字钢，专门设计的宽翼缘、小高度、厚腹板的工字钢，既适于作梁，也适于作腿。U型钢，可制作具有可缩性的支架，竖向、横向抗弯能力强，横向稳定性好。轻便钢轨，专为井下1t至3t矿车运输提供的，并在巷道支护中可用于制作轻型支架，但承载性能较差。24.15cm218.96kg31.52cm224.75kg36.92cm228.98kg45.56cm235.76kg第二节锚杆支护我国于1956年开始试用锚杆支护巷道；60年代初期，在岩巷中使用了锚杆与喷浆支护，60年代中期，随着喷射机具的改进，又发展为喷射混凝土支护；70年代起，光面爆破与锚喷技术结合，形成光爆锚喷支护。现在，锚杆从钢筋、钢丝绳水泥砂浆锚杆发展到快硬水泥锚杆、树脂锚杆、管缝锚杆、长锚索等，逐步形成一套比较完善的光爆锚喷和光爆锚网喷支护方式。由于锚喷支护机理、设计方法、检测手段的不断发展，锚喷机具及操作工艺不断完善，锚喷支护技术逐步配套，使用范围不断扩大