CN101725362A - 动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，包括钢管混凝土支架，钢管混凝土支架与被支护的围岩之间设有柔性均压卸压层；还包括围岩注浆加固装置，包括多根中空的围岩注浆锚杆，通过中空锚杆向围岩注浆；围岩喷射混凝土层后覆盖一层柔性密封层；钢管混凝土支架设有直立柱形或“Y”形或“T”形高强度钢管混凝土支柱。其中，高强度钢管混凝土支架和柔性均压让压层是两项必要技术；柔性密封层、围岩注浆加固和高强度钢管混凝土支柱是三项可选技术。柔性均压卸压层与钢管混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济，结构简单、成本低、支护阻力强，能够有效控制深井软岩动压等大变形巷道的稳定性。

Description

动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置

技术领域

本发明涉及一种软岩巷道支护装置，尤其涉及一种动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置。

背景技术

随着目前煤矿开采深度的增加，软岩问题愈趋严重，动压软岩巷道的支护难题越来越突出。动压软岩巷道的特点包括以下三个方面：一是围岩所处的岩体环境，表现为岩体软弱、破碎、松散，构造应力复杂，受扰动影响频繁等；二是围岩的物理和力学性能，表现为岩石强度低、风化严重、流变性大、膨胀性大等；三是围岩的工程特征，表现为巷道来压显现强烈，围岩变形具有四周来压特点和显著的时间效应，初期来压快，变形量大，稳定后围岩仍以一定速度长时间持续大变形，围岩的稳定难以控制。

现有技术中，在软岩巷道支护方面，形成了锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚注、预应力锚索支护系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、料石碹支护系列技术、注浆加固和卸压支护系列技术。

目前，U型钢可缩性支架、锚喷网支护、具有可缩性或让压装置的全封闭支护系统、针对关键部位的复合支护是煤矿动压软岩巷道支护的主要方法。但是动压软岩巷道的支护效果不仅取决于支护方式的选择，还与巷道所处的地质条件、围岩应力状态等有关。

上述现有技术至少存在以下缺点：

对动压软岩巷道的围岩控制，现有的支护技术要么不能取得预期的支护效果，难以控制动压软岩巷道的长期变形，支护阻力不足，巷道变形量大；要么支护投入太高，煤矿难以承受支护成本，不利于煤矿高产、高效。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、支护阻力强，且能控制巷道变形的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，包括钢管混凝土支架，所述钢管混凝土支架与被支撑的围岩之间设有柔性均压卸压层。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，由于包括钢管混凝土支架，钢管混凝土支架与被支撑的围岩之间设有柔性均压卸压层。钢管混凝土支架是刚性支护体，柔性均压卸压层与钢管混凝土支架结合，使得整个支护体系刚柔并济，结构简单、成本低、支护阻力强，且能控制巷道变形。

附图说明

图1a为本发明中钢管混凝土支架具体实施例一的结构示意图；

图1b为本发明中钢管混凝土支架具体实施例二的结构示意图；

图1c为本发明中钢管混凝土支架架间拉杆连接示意图；

图2为本发明中柔性均压卸压层作用原理示意图；

图3为本发明中围岩注浆锚杆横断面布置示意图；

图4a为本发明中钢管混凝土支柱具体实施例一的支护结构示意图；

图4b为本发明中钢管混凝土支柱具体实施例二的支护结构示意图；

图4c为本发明中钢管混凝土支柱具体实施例三的支护结构示意图；

图5为本发明动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其较佳的具体实施方式是：

包括钢管混凝土支架，钢管混凝土支架与被支撑的围岩之间设有柔性均压卸压层。

还可以包括围岩注浆加固装置，围岩注浆加固装置包括多根中空的围岩注浆锚杆，围岩注浆锚杆垂直打入围岩后，通过中空锚杆向围岩注浆，锚杆的外端与围岩表层的喷射混凝土层固为一体。

喷射混凝土层矿业覆盖一层柔性密封层，或在围岩表层与喷射混凝土层之间还可以设有柔性密封层。

钢管混凝土支架可以设有支撑立柱，支撑立柱可以为直立柱形或“Y”形柱或“T”形柱。支撑立柱可以采用钢管混凝土支柱或液压支柱等。

柔性均压卸压层可以包括编织袋充填体或木板填充体等，所述编织袋充填体内装有煤矸石或其它填充材料，煤矸石粒径可以为R≤10mm，这里的粒径指非规则块状物体的最大长度。

柔性密封层可以包括以下一种或多种材料：防水卷材、混凝土喷层、聚氨酯类材料喷层、马丽散、罗克休、瑞米喷涂II号等。

钢管混凝土支架可以为圆环形支架或直墙半圆拱加反底拱支架等。钢管混凝土支架可以有多个，相邻的钢管混凝土支架之间通过拉杆连接。

多根中空的围岩注浆锚杆沿巷道纵向可以分多排布置，排距可以等于相邻的钢管混凝土支架的间距；每排围岩注浆锚杆中，相邻的围岩注浆锚杆的间距可以为0.8～1.2m。

本发明合理解决了动压软岩巷道围岩变形量大、巷道破坏严重、不易支护的难题。通过完全的技术创新，取代过去动压软岩巷道传统的支护方式，实现支架高支护阻力，围岩平稳让压、密封加固、经济合理，为深部矿井的高产高效奠定基础。主要采用的技术手段包括：

(1)钢管混凝土支架承载力高，抗变形能力强。在相同单位用钢量的条件下，钢管混凝土支架的承载力是U型钢支架承载力的2倍以上。利用钢管混凝土支架承载力高、塑性和韧性性能好的特性，解决以前动压软岩巷道支架支护阻力不足的问题。

(2)采用柔性均压卸压层技术，在钢管混凝土支架和初次支护之间留设一定的变形空间，以具有可压缩性的编织袋充填体充填，不但使支架对围岩产生初衬力，而且使围岩具有了一定的变形空间，解决了钢管混凝土支架柔性不足的缺点。

(3)围岩注浆加固，巷道的开挖、工程扰动、围岩变形卸压必然导致围岩产生新的裂隙，加剧破碎程度。钢管混凝土支架支护后，围岩裂隙发展得到一定控制，此时通过围岩注浆加固来充填围岩裂隙、固结围岩，使破裂围岩胶结成连续体加固圈，恢复到原岩应力状态；同时为锚杆提供可靠的着力基础，锚杆又能起到悬吊和挤压围岩的作用，如此有效解决动压软岩巷道围岩破碎、围岩变形持续的问题。

(4)加柔性密封层，含有膨胀粘土矿物的软岩开挖后暴露在空气里，会吸收空气中的水分产生膨胀变形，同时围岩暴露风化承载力继续下降，需增设柔性密封层，该密封层不仅可以适应围岩变形，而且阻断了围岩与空气中水分的交换，从跟本上解决了软岩的吸水膨胀的问题。

(5)增设钢管混凝土支柱：钢管混凝土支柱分为直立柱形与“Y”形两种。对于极难支护地段，配合在巷道中心位置加钢管混凝土支柱，利用其高强承载力，阻止顶板下沉，并有效抵制动压影响对顶板的多次冲击作用，从而解决动压软岩巷道顶板下沉严重的问题。

本发明的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置中，包括两项必要技术：高强度钢管混凝土支架和柔性均压让压层；还包括三项可选技术：柔性密封层、围岩注浆加固和高强度钢管混凝土支柱。其中关键技术主要有三点：

①“柔性均压卸压层”。钢管混凝土支架的特点是支护反力大，但其自身变形量较小，难以适应巷道的大变形。为了达到在支架变形下的前提下实现巷道围岩让压的目的，提出了与高强度支架支护相匹配的“柔性均压卸压层”支护技术。

“柔性均压卸压层”可满足巷道围岩收敛变形，从而实现卸压，减小所需支护反力，增强巷道稳定性。柔性均压卸压层可以，采用内装粉状或细碎矸石的编织袋充填而成。柔性均压卸压层作用有三点：一是使支架与围岩紧密接触并产生初撑力；二是使支架承受均匀围压；三是在后期围压作用在支架上的压力增大到一定值后，可以破除充填体，在支架与围岩之间让出围岩收敛变形的空间，从而让围岩收敛变形，有效减少围岩对支架的压力，实验围岩变形一支架卸压。

②加柔性密封层：含有膨胀性粘土矿物的软岩开挖后暴露在空气里，围岩会吸收空气中的水分产生膨胀变形，同时岩体暴露风化，承载力下降；需增设柔性密封层，密封层不但可以适应围岩变形，而且阻断了围岩与空气中水分的交换，从跟本上解决了软岩的吸水膨胀的问题。

③高强度钢管混凝土支柱：钢管混凝土支柱分为直立柱形与“Y”形或“T”形三种。对于极难支护地段，配合在巷道中心位置加钢管混凝土支柱，利用其高强承载力，阻止顶板下沉，并有效抵制动压影响对顶板的多次冲击作用，从而解决动压软岩巷道顶板下沉严重的问题。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述：

(1)钢管混凝土支架：

钢管混凝土支架作为该支护技术的核心，具有高强的承载能力，在相同单位用钢量的情况下，它的承载能力可达U型钢支架的3倍以上，应对动压软岩巷道的大变形、高围压具有显著效果，因此钢管混凝土支架是必不可少的支护形式之一。

①支架结构：

钢管混凝土支架有多种可选的断面形式，动压软岩巷道中多采用直墙半圆拱加反底拱形断面和圆形断面。这两种钢管混凝土支架结构都分为四段。

如图1a所示，直墙半圆拱加反底拱形包括：左右直墙加上部圆弧段、顶弧段、反底拱段，上部用套管连接，下部用法兰连接。

如图1b所示，圆形分为：左右侧帮圆弧段、顶弧段、底弧段；各段之间全部用套管连接。

②支架连接设计：

a、钢管混凝土支架各段的连接

对于直墙半圆拱加反底拱断面的支架：支架顶部圆弧段与下部之间用套管连接，套管内径大于钢管支架的外径，上下两段钢管端面接触对接，套管连接保证压力轴心传递。直墙段与反底拱间用底脚板法兰连接，底脚板法兰一片焊置在直墙段，另一片焊置在反底拱，法兰用螺栓连接。同时钢管混凝土支架断面做成近似马蹄形时也可以全部用套管连接。

对于圆形断面支架：各段之间用套管连接，由于圆形支架各段曲率相同，套管也做成相同曲率。

b、钢管混凝土支架间的连接：

如图1c所示，相邻钢管混凝土支架间用角钢拉杆连接。拉杆可以连接相邻支架使之成为整体结构，同时又可以使支架各段由长杆变为短杆，防止出现长杆失稳破坏，增加支架稳定性。拉杆用角钢制作，不仅可以有效的抵制相邻钢管支架之间的拉力作用，还可以有效抵御相邻钢管支架之间的压力作用。

(2)柔性均压卸压层技术：

钢管混凝土支架属于刚性支架，本身不具备可变形能力，但是大变形、高围压的动压软岩巷道又必然要求围岩变形卸压，以减少作用在支护体上的压力，同时提高围岩自稳能力，最终使巷道持续稳定。柔性均压卸压层辅助钢管混凝土支架，弥补其柔性，形成刚柔并济的支护系统。

在巷道初次支护与二次钢管混凝土支架支护之间预留一定宽度的变形空间，预留变形空间用具有可压缩性的编织袋充填体充填，满足围岩变形卸压，如此形成柔性均压卸压层。

编织袋充填体是用普通编织袋装粉碎的煤矸石做成的，具有较大的可缩性，煤矸石粒径R≤10mm。

编织袋充填体的作用：①使支架与围岩接触，产生初衬力；②使支架承受均匀围压；③后期围压增大，破除充填体可以使围岩卸压。

如图2a、图2b所示，编织袋充填体均匀放置在预留变形空间内，每天定时监测围岩来压情况，当围岩压力明显增大时，用工具铲破充填体，卸除壁后充填物使围岩得到变形卸压。

(3)三项可选措施：

①围岩注浆加固：

巷道开挖、工程扰动及围岩变形卸压必然导致浅部围岩破碎加剧，围岩内部产生新的裂隙，为防止围岩破碎程度进一步恶化，钢管混凝土支架支护后进行围岩注浆，使围岩裂隙充实闭合、围岩固结，形成连续的加固圈，破碎岩体恢复到原岩应力状态。配合钢管混凝土支架外力支护，极大的发挥围岩自承载能力。

围岩注浆加固是可以利用中空锚杆兼作注浆管，注浆加固不仅使围岩胶结形成加固圈，而且为锚杆提供可靠的着力基础，同时注浆锚杆又能起到悬吊和挤压作用。

注浆加固施做的时间很重要，要在钢管混凝土支架支护之后，最好等到柔性均压卸压层被压缩卸掉之后，即围岩充分卸压之后，再进行围岩注浆。

注浆材料有多种选择，可采用水泥类注浆料，如水泥浆液、水玻璃-水泥浆液等；也可采用化学浆液，如玛丽散等加固材料。注浆材料选择视围岩性质而定，一般破碎岩体采用水泥类，土质岩体采用渗透性好的化学浆液。

如图3所示，采用自进式中空注浆锚杆，锚杆垂直围岩打入，间排距合理布置，其中间距0.8～1.2m，排距一般等同支架间距。

②高强钢管混凝土支柱：

对于受动压影响剧烈、顶板下沉严重的动压软岩巷道，增设高强钢管混凝土支柱。该支柱具有较大的承载能力，可以强制性的抵制顶板下沉，同时降低传递到巷道两帮和底板的压力。

如图4a、图4b、图4c所示，钢管混凝土支柱可以是直立柱形，直接顶在钢管混凝土支架顶部；也可以是“Y”形或“T”形，支柱不直接作用在钢管混凝土支架顶部，而是支架顶部的两侧。

一般在巷道中心位置加设高强钢管混凝土支柱，如果巷道中心设轨道无法给出支柱可立空间，也可以在中心一侧立支柱。利用钢管混凝土支柱的高强承载力，抵制巷道顶板下沉，维持巷道稳定。其中φ219×8mm的钢管与C60核心混凝土制成的钢管混凝土直立柱，其承载力可达300t。

③柔性密封层：

含有膨胀粘土矿物的软岩在开挖后，暴露在空气里会吸收空气中的水分产生膨胀变形，同时岩体继续风化，承载力下降，需增设柔性密封层，该密封层不但可以适应围岩变形，而且阻断了围岩与空气中水分的交换，从跟本上阻止了软岩的吸水膨胀。

现在煤矿的一般做法：在巷道开掘后立即在围岩表面喷射一薄层混凝土，封闭围岩，防止同空气、水接触，这样不仅能避免围岩风化、膨胀，同时还可以避免片冒情况的发生，保证安全生产。

但仅这样是不够的。混凝土喷层不能适应围岩变形，容易开裂、剥落，这样就不再起作用。柔性密封层是沿巷道周边布设高分子材料的防水卷材。卷材具有数毫米厚度，韧性弹性好，可以适应围岩变形、不易破裂，并可以与混凝土良好粘结。

如图5所示，为本发明动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的“2+3”复合支护技术的示意图。

本发明技术方案带来的有益效果是：

动压软岩巷道的“2+3”支护技术是以钢管混凝土支架为基础和核心的一项复合支护技术，明显区别于以前的支护体系，具有独特的优势和效益。

1、钢管混凝土支架最突出的优点是支护能力强，在相同单位长度用钢量的情况下，与U型钢支架相比，其支护反力可达U型钢支架的3倍以上。同时其塑性和韧性性能良好，能够承受较大的冲击荷载和振动荷载，解决了以前软岩动压巷道支护阻力不足的弱点。均压卸压技术能解决钢管混凝土支架柔性不足的缺点，形成很好的动压软岩巷道支护体系，从而从根本上解决了动压软岩巷道高围压、大变形的问题。

2、三项可选措施围岩注浆加固、加柔性密封层和增设高强度钢管混凝土支柱能够解决围岩破碎、软岩吸水变形和巷道顶板严重下沉等问题，对主支护体系是一个很好的补充，共同维护动压软岩巷道的稳定，减少巷道的维修工作量及维修费用，保证巷道的正常使用，为深部矿井创造良好的效益。

3、与U型钢支架相比，钢管混凝土支架性价比十分突出，巷道支护经济效益高。

总之，在相同的支护反力下，钢管混凝土支架成本远低于一般支架成本；在相同支架成本基础上，钢管混凝土支架承载力远大于一般支架承载力。

同时钢管混凝土支架的制作修复简便，可利用矿井回收的旧钢管制作。支护强度的增强和支护成本的降低，为深部软岩矿井的高产高效打下了一个良好的基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，包括钢管混凝土支架，所述钢管混凝土支架与被支撑的围岩之间设有柔性均压卸压层。

2.根据权利要求1所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，包括围岩注浆加固装置，所述围岩注浆加固装置包括多根中空的围岩注浆锚杆；

所述围岩注浆锚杆垂直打入所述围岩后，通过中空锚杆向围岩注浆，锚杆的外端与围岩表层的喷射混凝土层固为一体。

3.根据权利要求2所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述喷射混凝土层覆盖一层柔性密封层。

4.根据权利要求1、2或3所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述钢管混凝土支架设有支撑立柱。

5.根据权利要求4所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述支撑立柱为直立柱形或“Y”形柱或“T”形柱。

6.根据权利要求5所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述支撑立柱为钢管混凝土支柱或液压支柱。

7.根据权利要求1所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述柔性均压卸压层包括编织袋充填体，所述编织袋充填体内装有煤矸石，所述煤矸石粒径R≤10mm，所述粒径指非规则块状物体的最大长度。

8.根据权利要求3所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述柔性密封层包括以下一种或多种材料：

防水卷材、混凝土喷层、聚氨酯类材料喷层、马丽散、罗克休、瑞米喷涂II号。

9.根据权利要求2至8任一项所述的动压软岩巷道基于钢管混凝土支架的复合支护装置，其特征在于，所述钢管混凝土支架为圆环形支架或直墙半圆拱加反底拱支架；

所述钢管混凝土支架有多个，相邻的钢管混凝土支架之间通过拉杆连接。

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