CN102839981A - 深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系 - Google Patents

深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系 Download PDF

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本发明公开了一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系,包括支架、锚杆锚索和三维预应力钢绞线系统,支架形成支护体系的内承载结构层,锚杆锚索形成所述支护体系的外承载结构层,所述锚杆锚索伸入到围岩中,支架和围岩之间填充有填充材料形成中间承载结构层,支架和锚杆锚索之间通过三维预应力钢绞线系统做环向、径向和轴向的三维连接,并施加预紧力。该体系整体性好、支架受力状态好、材料利用率高、劳动强度低。

Description

深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地下工程支护体系,尤其是一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系。
背景技术
[0002]目前,随着社会经济的发展,地下岩体工程进一步向深、广方向发展,围岩层位越来越深,工程地质条件越来越复杂。高地应力、软岩流变、断层等地质构造、地下水等因素造成地下工程面临前所未有的支护难度。国内外学者通过研究提出并发展了多种支护形式,如锚喷支护、锚网索喷、金属支架、高强度弧板等。从现有资料可以看出,现有支护技术不能很好的满足现场复杂条件下的围岩支护要求,尤其是更难满足千米深井软岩巷道的支护,严重影响了深部岩体工程的生产和安全。
[0003] 深部软岩巷道围岩软弱,承载能力差,金属支架支护能够为围岩提供更大的支护 阻力,是现在常用的软岩巷道支护方式。但从目前软岩巷道现场调研情况可以发现,金属支架与围岩之间的空间仍是制约软岩巷道金属支架充分发挥其承载能力的最重要的问题。金属支架虽然具有承载能力强的优点,但由于软岩的客观条件及目前所采用的巷道掘进和支护工艺上的限制,掘进过程中的泥岩等软岩巷道或因局部冒顶或片帮而形成不规则的空穴等都是不可避免的,掘进后的巷道周边和架设的支架之间会有一定空间,且一般极不规则,巨野、淮南等矿区典型深部矿井软岩巷道调研发现,该空间径向尺寸平均在O. 5m以上,最大的地方达到I. 2m甚至更大。
[0004] 常用的处理支架和围岩两者之间空间的工艺是采用背板或手工填入的矸石等,这种处理方式使支架和围岩以点接触的形式接触,有的甚至完全没有和围岩接触。在这种情况下支架壁后空间不能有效地加以充填密实,支护结构与围岩将呈随机的点、线接触,从而使支护结构承受集中载荷或偏心载荷,恶化支护结构的受力状况,使支护结构受损或支撑能力得不到充分的发挥,严重降低了材料利用率,支护效果得不到保障。
[0005] 针对该情况,支架的壁后充填可以在一定程度上缓解支架支护的上述问题。充填材料将壁后空间充满,使围岩-充填体-支护结构三者形成一个共同的力学承载体系,可较充分发挥支架和围岩本身的承载能力,有效地控制围岩变形,提高巷道的稳定性。在壁后密实充填的情况下,U型钢支架的承载能力可比不进行壁后充填时提高2. 5〜3倍。正是因为壁后充填改善了支护-围岩的相互作用关系,使得支护具有初撑力大,增阻速度快,工作阻力大的良好性能,能够有效地控制软岩巷道的大变形。
[0006] 但通过调研和综合分析上述两种对支架与围岩之间空间的常用的处理方法,发现存在以下问题:
[0007] (I)壁后填充一般是利用泵送或灌浆的工艺,在背板的空隙中填充水泥类等材料,填充材料强度低、脆性、塑形变形能力及韧性低,导致壁后充填材料易出现开裂,从而使支护体系整体承载能力降低;
[0008] (2)壁后空间不规则,且背板只能手动堆砌,不可能做到均匀,堆砌质量难以定量控制,堆砌密实均一性得不到保证,同时,填充材料内部既有木材又有水泥类材料,且还有部分残留的空洞,填充层材料质地非常不均匀,导致支架受力依然有明显的不均匀现象,偏压情况明显,对其承载能力发挥仍有较大影响;
[0009] (3)水泥背板及木材等材料用量大,劳动强度高,工作效率低,且堆砌质量难以定量控制。普通断面尺寸的软岩巷道支架支护中,每排支架需要水泥背板数十根至上百根,木质背板需要数十根,材料用量大,尤其是对木材的消耗严重;水泥背板需要在地面预制、养护,木质背板需要地面截好,然后进过运输才能到达迎头附近,最后利用人工搬运的方式运送至迎头,且由于壁后空间不规则,尺寸多变,背板只能手动堆砌,背板量大且重,需人工堆砌,劳动强度大,工作效率很低,且堆砌质量无法合理的定量控制。
发明内容
[0010] 本发明的目的是为克服上述软岩巷道支架支护的不足,提供一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系,该体系整体性好、支架受力状态好、材料利用率高、劳动强度低。 [0011] 为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
[0012] 一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系,包括支架、锚杆锚索和三维预应力钢绞线系统,支架形成支护体系的内承载结构层,锚杆锚索形成所述支护体系的外承载结构层,所述锚杆锚索伸入到围岩中,支架和围岩之间填充有填充材料形成中间承载结构层,支架和锚杆锚索之间通过三维预应力钢绞线系统做环向、径向和轴向的三维连接,并施加预紧力。支护体系有效解决了支架与巷道毛硐之间间隙过大、支架受力不均、偏压严重的问题,有效提高了体系的整体强度及刚度,提高了软岩巷道控制能力。
[0013] 所述支架为各种形式和尺寸的U型钢支架、方钢管约束混凝土支架、U型钢约束混凝土支架或钢管混凝土支架;
[0014] 所述支架的外缘设有支架穿索孔,便于进行所述钢绞线的穿孔和连接,支架穿索孔的数量与单排锚杆锚索的数量一致,与锚杆锚索的托盘位置交错布置;所述锚杆锚索为现有的常规支护构件,在其托盘上设有托盘穿索孔,便于进行所述钢绞线的穿孔和连接,所述支架穿索孔为圆孔,能允许4-6根所述钢绞线同时穿过。
[0015] 所述的三维预应力钢绞线系统包括架-锚钢绞线和架-架钢绞线,架-锚钢绞线是指连接支架和锚杆锚索的钢绞线;架-架钢绞线是指连接两排支架之间的钢绞线。
[0016] 所述的架-锚钢绞线依次穿过支架穿索孔和托盘穿索孔,在支架外缘和围岩表面之间形成类似W形的连续网格,将支架和锚杆锚索连接起来。
[0017] 所述的架-架钢绞线布置在相邻两排支架之间,沿支架外缘呈Z字形连续布置,将相邻两支架纵向连接。
[0018] 所述的架-锚钢绞线和架-架钢绞线共同组成连接支架和锚杆锚索的三向作用的三维钢绞线系统。
[0019] 所述的架-锚钢绞线和架-架钢绞线在施工完成后均施加一定程度的预紧力。
[0020] 所述的钢绞线可以选择多种型号,直径一般在riOmm之间。
[0021] 所述的三维预应力钢绞线的连接方式和布置方式有很多,不仅局限于W形和Z字形。[0022] 所述的填充材料一般为碎石混凝土、粉煤灰混凝土等原料来源广泛、成本低廉,具有一定强度和承载能力,且具有很好的可泵性的混合材料,采用泵送的方式进行填充,极大降低劳动强度。
[0023] 所述的填充材料初凝时间短,早期强度高,具有一定的塑性变形能力。
[0024] 所述的填充材料在所述的三维预应力钢绞线的作用下使其内部产生一定的预应力,组成类似预应力钢筋混凝土的结构,有效提高了填充材料层的整体强度和塑性变形能力,弥补了所述的填充材料脆性的不足,提高了所述的填充材料的整体强度和抗变形能力,防止其局部开裂破坏的发生。
[0025] 所述的填充材料有效填充了支架与围岩之间的空间,使支架受力均匀,充分发挥支架的高强支撑能力。
[0026] 所述中间承载结构层外表面紧贴有填充挡板,填充挡板通过铁丝与所述架-架钢绞线相连,拼装成与支架一致的形状和尺寸,形成所述阻止填充材料流动的挡板。 [0027] 在所述的填充材料养护完成之后,拆除所述填充挡板,便于循环使用,节约材料。
[0028] 所述的填充挡板一般由木材加工而成,形状一般为与支架尺寸匹配的便于拼装的矩形。
[0029] 本发明的填充材料和三维预应力钢绞线相互作用形成所述支护体系的中承载层,将内、外承载结构有效连接在一起,形成三维立体的整体承载结构,实现了支架-充填体-围岩三者共同承载,使支护体与围岩体在强度、刚度和结构上的耦合,有效防止支护体系的局部失效,提高支护巷道稳定性。
[0030] 本发明具有以下优点:
[0031] I.支护体系整体性更高。三维预应力钢绞线和填充材料相互作用形成支护体系的中承载层,将内、外承载结构有效连接在一起,形成三维立体的整体承载结构,实现了支架-充填体-围岩三者共同承载,使支护体与围岩体在强度、刚度和结构上的耦合,有效防止支护体系的局部失效,提高支护巷道稳定性。
[0032] 2.支架受力趋于均匀,高支撑能力得到发挥。填充材料有效填充了支架与围岩之间的空间,且填充空间内去除了现有的水泥背板和木背板,极大减少或杜绝了填充材料空洞的出现,使材料填充更加密实,受力传力更加均匀,同时三维钢绞线将所有的锚杆和支架径向、轴向和环向相连,上述作用将来自围岩的外荷载通过充填密实的壁后充填物均匀地传递给支架,改善了支架的受力状况,使支架受力均匀,支架上弯矩、剪力分布趋向于均匀,使支架受到的弯矩、剪力减小,充分发挥支架的高强支撑能力。
[0033] 3.填充材料抗拉能力及柔性变形能力提升。填充材料在三维预应力钢绞线的作用下使其内部产生一定的预应力,组成类似预应力钢筋混凝土的结构,有效提高了填充材料层的塑性变形能力,弥补了所述的填充材料脆性的不足,提高了所述的填充材料的整体强度和抗变形能力,防止其局部开裂破坏的发生,且具有更强的柔性让压能力。
[0034] 4.钢绞线强度高、重量轻、施工简便。预应力钢绞线作为柔性材料,具有钢筋材料数倍的抗拉强度,可施加较高的预紧力,同时可以任意弯折,不受支架与围岩之间空间尺寸限制,可以方便穿孔和张拉,施工简便。
[0035] 5.材料节省,劳动强度低,效率高。支护体系支护强度高,整体性好,可放宽支架排距,降低支护成本和劳动强度;在填充材料养护完成之后,填充挡板可以进行拆除,循环使用,节约材料;填充挡板可由木材加工而成,具有一定的刚度即可,重量轻,施工方便,成本低;填充材料全部采用泵送的方式填充,不再需要人工手动填充水泥背板或木背板,极大的降低了劳动强度,提高了劳动效率。
附图说明
[0036] 图I为本发明结构示意图;
[0037] 图2为图I中A处的放大图,即巷道帮部支护体系的结构断面示意图;
[0038] 图3为图2中所示的B-B剖面图,即巷道帮部支护体系的结构平剖面示意图;
[0039] 图4为图I中A处的侧视图;
[0040] 图5为图2中C处的放大示意图;
[0041] 图6为图3中D处的放大示意图。
[0042] 其中:I-围岩;2_锚杆;3-锚索;4一支架;5_填充材料;6_架-锚钢绞线;
7-架-架钢绞线;8_填充挡板;9-铁丝;10-锚杆托盘;11-托盘穿索孔;12-支架穿索孔。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0044] 参照图f6,本发明的具体实施方式是,深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系(简称SAFA支护体系),主要支架4、锚杆2、锚索3、三维预应力钢绞线系统(SP架-锚钢绞线6和架-架钢绞线7)、支架壁后填充材料5及充填挡板8组成。
[0045] 其中,支架4形成支护体系的内承载结构,锚杆2锚索3形成所述支护体系的外承载结构,在支架4和锚杆2锚索3内外两层支护结构之间,利用三维预应力钢绞线系统(架-锚钢绞线6和架-架钢绞线7)将支架4和锚杆2锚索3进行环向、径向和轴向的三维连接,并施加预紧力,最后在内外支护结构之间利用填充材料5进行填充,形成中承载层。支护体系有效解决了支架与巷道毛硐之间间隙过大、支架受力不均、偏压严重的问题,有效提高了体系的整体强度及刚度,提高了软岩巷道控制能力。
[0046] 支架4可为各种形式和尺寸的U型钢支架、方钢管约束混凝土支架、U型钢约束混凝土支架、钢管混凝土支架等。支架4的外缘设有支架穿索孔12,便于进行架-锚钢绞线6或架-架钢绞线7的穿孔和连接,支架穿索孔12的数量一般与单排锚杆2的数量一致,与锚杆托盘10位置交错布置。支架穿索孔12 —般为圆孔,能允许4-6根架-锚钢绞线6或架-架钢绞线7同时穿过。
[0047] 锚杆为现有的常规支护构件,在其锚杆托盘10上设有托盘穿索孔11,便于进行钢绞线(即架-锚钢绞线6)的穿孔和连接,托盘穿索孔11 一般为圆孔,能允许4-6根架-锚钢绞线6同时穿过。
[0048] 三维预应力钢绞线系统包括架-锚钢绞线6和架-架钢绞线7。架-锚钢绞线6是指连接支架和锚杆锚索的钢绞线;架-架钢绞线7是指连接两排支架4之间的钢绞线。锚索架-锚钢绞线6依次穿过支架穿索孔12和托盘穿索孔11,在支架4外缘和围岩I表面之间形成类似W形的连续网格,将支架4和锚杆2连接起来;架-架钢绞线7布置在相邻两排支架4之间,沿支架4外缘呈Z字形连续布置,将相邻两支架纵向连接。架-锚钢绞线6和架-架钢绞线7共同组成连接支架4和锚杆2的三向作用的三维钢绞线系统。上述钢绞线在施工完成后均施加一定程度的预紧力,且可以选择多种型号,直径一般在riOmm之间。三维预应力钢绞线的连接方式和布置方式有很多,不仅局限于W形和Z字形。
[0049] 填充材料5 —般为碎石混凝土、粉煤灰混凝土等原料来源广泛、成本低廉,具有一定强度和承载能力,且具有很好的可泵性的混合材料。采用泵送的方式进行填充,极大降低劳动强度。该材料初凝时间短,早期强度高,具有一定的塑性变形能力。填充材料5在三维预应力钢绞线系统的作用下使其内部产生一定的预应力,组成类似预应力钢筋混凝土的结构,有效提高了填充材料层的塑性变形能力,弥补了所述的填充材料脆性的不足,提高了所述的填充材料的整体强度和抗变形能力,防止其局部开裂破坏的发生。填充材料5有效填充了支架与围岩之间的空间,使支架受力均匀,充分发挥支架的高强支撑能力。
[0050] 中间承载结构层外表面紧贴有填充挡板8,填充挡板8通过铁丝9与所述架-架钢绞线7相连,拼装成与支架4 一致的形状和尺寸,形成阻止填充材料5流动的挡板。在填充材料5养护完成之后,拆除所述填充挡板8,便于循环使用,节约材料。填充挡板8 一般由木材加工而成,形状一般为与支架4尺寸匹配的便于拼装的矩形。 [0051] 填充材料5和三维预应力钢绞线系统相互作用形成支护体系的中承载层,将内、外承载结构有效连接在一起,形成三维立体的整体承载结构,实现了支架-充填体-围岩三者共同承载,使支护体与围岩体在强度、刚度和结构上的耦合,有效防止支护体系的局部失效,提高支护巷道稳定性。
[0052] 由技术常识可知,本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此,就各方面而言,都只是举例说明,并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1. 一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系,其特征是,包括支架、锚杆锚索和三维预应力钢绞线系统,支架形成支护体系的内承载结构层,锚杆锚索形成所述支护体系的外承载结构层,所述锚杆锚索伸入到围岩中,支架和围岩之间填充有填充材料形成中间承载结构层;支架和锚杆锚索之间通过三维预应力钢绞线系统做环向、径向和轴向的三维连接,并施加有预紧力。
2.如权利要求I所述的支护体系,其特征是,所述支架为U型钢支架、方钢管约束混凝土支架、U型钢约束混凝土支架或钢管混凝土支架。
3.如权利要求I所述的支护体系,其特征是,所述支架的外缘设有支架穿索孔,支架穿索孔的数量与单排锚杆锚索的数量一致,支架穿索孔与锚杆锚索的托盘位置交错布置;锚杆锚索的托盘上设有托盘穿索孔;所述托盘穿索孔和支架穿索孔均为圆孔,均能允许4-6根钢绞线同时穿过。
4.如权利要求3所述的支护体系,其特征是,所述的三维预应力钢绞线系统包括架-锚钢绞线和架-架钢绞线;架-锚钢绞线是指连接支架和锚杆锚索的钢绞线;架-架钢绞线是指连接两排支架之间的钢绞线; 所述架-锚钢绞线依次穿过支架穿索孔和托盘穿索孔,在支架外缘和围岩表面之间形成W形的连续网格,将支架和锚杆锚索连接起来; 所述架-架钢绞线布置在相邻两排支架之间,沿支架外缘呈Z字形连续布置,将相邻两支架纵向连接。
5.如权利要求4所述的支护体系,其特征是,所述架-锚钢绞线和架-架钢绞线共同组成连接支架和锚杆锚索的三向作用的三维钢绞线系统;所述架-锚钢绞线和架-架钢绞线在施工完成后均施加有预紧力。
6.如权利要求4所述的支护体系,其特征是,所述架-锚钢绞线和架-架钢绞线的直径在4〜IOmm之间。
7.如权利要求I所述的支护体系,其特征是,所述的填充材料为碎石混凝土或粉煤灰混凝土。
8.如权利要求4所述的支护体系,其特征是,所述中间承载结构层外表面紧贴有填充挡板,填充挡板通过铁丝与所述架-架钢绞线相连,拼装成与支架一致的形状和尺寸,形成阻止填充材料流动的挡板。
9.如权利要求8所述的支护体系,其特征是,所述的填充挡板由木材加工而成,形状为与支架尺寸匹配的矩形。
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