CN104453914A - 马头门防冲减震支护结构的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，属于采矿建井技术领域。其主要步骤包括：首先在马头门开挖成形后，实施锚索注浆工程，形成锚索注浆加固层；其次将复合泡沫金属垫层通过长铁钉紧固在混凝土喷层上，形成主要的吸能减震垫层；最后在复合泡沫金属垫层外侧支设双层钢筋并灌注高韧性混凝土，形成高韧性钢筋混凝土灌注层。本发明通过依次排列的高韧性钢筋混凝土灌注层、复合泡沫金属垫层和锚索注浆加固层组合，形成了“强-弱-强”的支护结构，既能支撑高应力下的静态荷载，又可以抵抗开挖、爆破等诱发的应力波动态荷载，解决了马头门高度集中的静应力大变形和动态冲击荷载的破坏而导致围岩损伤破裂和支护结构失稳等灾害。

Description

马头门防冲减震支护结构的施工方法

技术领域

本发明属于采矿建井技术领域，具体涉及一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，适用于深部复杂地质条件下的马头门支护和施工设计。

背景技术

随着对煤炭需求量的增加和开采深度的不断加大，浅部资源日益枯竭，我国矿山相继进入了深部开采，地质力学环境更加复杂。随着开采的增加，工程灾害日趋增多，如矿井冲击地压、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。马头门是井筒与井底车场巷道相连接的部分，处于矿井的咽喉地位，其位置非常特殊，设计断面比较大，服务年限也较长，在马头门处巷道施工过程中，由于围岩失稳破坏而造成的冒顶、塌方事故时有发生。马头门与井壁之间的空间关系较为复杂，相互间的距离近，在连接处极易形成应力集中，造成围岩裂隙发育，巷道围岩松动圈进一步加大，给马头门处的施工和支护设计带来了严峻挑战。

进入深部以后，地质构造变得复杂、自重应力增大，岩体集聚了大量能量，在“三高一扰动”的特殊环境下，地下岩体的开挖卸荷导致应力多次重新分布，岩体破坏具有动力响应的突变性，马头门井壁、硐室施工时爆破震动相互影响，马头门处软弱岩体因放炮震动而扩大的松动范围有可能连通，形成一个较大范围的软弱岩层松动区，成为释放地压应力的一个区域。在多次爆破震动下，致使巷道较长时间内不能稳定，开挖马头门产生的集中应力叠加，受力状态恶化，围岩变形加剧，诱发动力灾害，工程岩体出现冲击地压得等非线性动力学现象，造成支护结构体系失稳破坏。以往针对深部高地应力、复杂地质力学环境下，马头门抵抗动力灾害冲击的支护结构鲜有报道。

现有技术中在马头门处的加固结构中，往往依靠提高支护结构的强度，出现支护结构和围岩变形不协调，不能抵抗开挖、爆破、顶板岩层断裂等诱发动态荷载的冲击震动，而且浇筑的混凝土韧性不够和抗冲击强度差，出现钢筋混凝土大面积剥落，钢筋扭曲外露等现象，已经不能满足深部高地应力环境下巷道围岩大变形、动力冲击等灾害。

发明内容

为此，本发明提出了一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，其包括由锚索注浆加固层、复合泡沫金属垫层和高韧性钢筋混凝土灌注层组成的“强弱强”支护结构，本发明支护结构起到了吸能、减震、防冲的作用，解决了马头门高度集中的静应力大变形和动态冲击荷载的破坏而导致围岩损伤破裂和支护结构失稳等灾害。

其技术解决方案包括：

一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，包括以下步骤：

a、在深井巷道内马头门开挖成形后，挂设金属网并安装高预应力中空注浆锚索；

b、在上述的金属网外侧喷射混凝土，形成混凝土喷层；

c、待上述混凝土喷层具有一定强度后，对所述高预应力中空注浆锚索进行高压注浆，形成锚索注浆加固层，用于对巷道围岩进行加固，有效地限制围岩松动变形；

d、步骤c完成后，将具有冲击吸收能量的复合泡沫金属垫层用长铁钉紧固在步骤b中的混凝土喷层上，形成了主要的吸能减震垫层；

e、接步骤d，在复合泡沫金属垫层外侧支设双层钢筋，然后在双层钢筋外侧架设组合式金属模板，在所述组合式金属模板和复合泡沫金属垫层之间形成的空间内灌注高韧性混凝土，形成高韧性钢筋混凝土灌注层。

作为本发明的一个优选方案，步骤a中，向所述高预应力中空注浆锚索注入注浆浆液，注浆浆液包括普通硅酸盐水泥和注浆添加剂，上述硅酸盐水泥中的水灰比为0.6～1：1，上述注浆添加剂的重量百分比为7～8％。

作为本发明的另一个优选方案，步骤b中，上述混凝土砂浆中含有水泥、黄沙、石子和速凝剂，上述速凝剂为水泥重量的3～4％；上述混凝土喷层的喷射厚度为40～50mm。

步骤d中，复合泡沫金属垫层是由中空微型珠状颗粒与金属基体经混合、成型、固化而得到的一种泡沫材料，其厚度为50～70mm，孔径为150～160μm，孔隙率可达98％。

上述双层钢筋其横筋Ф25，环筋Ф25，间排距为250mm×250mm，内、外层环筋之间用Ф8的构造筋进行连接，连接筋间排距为500mm，呈梅花型布置。

上述高韧性混凝土是通过在普通混凝土中增加长20-40mm厚0.5mm的钢纤维来增加混凝土的韧性。

上述高预应力中空注浆锚索的间排距为(800-1000)×(1400-2000)mm，上述钢纤维的掺量为50-100kg/m³，高韧性混凝土比同级普通混凝土的抗拉强度提高54-100％，初裂强度提高160-500％，冲击疲劳强度提高8-15倍。

本发明公开了一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，其通过依次排列的高韧性钢筋混凝土灌注层、复合泡沫金属垫层和锚索注浆加固层组合，形成了“强-弱-强”的支护结构，高韧性钢筋混凝土灌注层、锚索注浆加固层作为刚性结构，复合泡沫金属垫层作为柔性结构，本发明将刚性结构和柔性结构耦合在一起，发挥支护结构的协同变形作用，有效地吸收和减弱冲击震动波的破坏作用，既能支撑高应力下的静态荷载，又可以抵抗开挖、爆破、顶板岩层断裂等诱发的应力波动态荷载，整体结构起到了吸能减震防冲的作用，解决了马头门高度集中的静应力大变形和动态冲击荷载的破坏而导致围岩损伤破裂和支护结构失稳等灾害。

本发明通过采用高预应力中空注浆锚索加固马头门松散的围岩，大范围内强化了围岩体的力学性能，充分调动围岩自身的承载能力，形成外层加固结构。

本发明的吸能减震金属垫层主要通过采用柔性结构的复合泡沫金属材料来实现的，复合泡沫金属材料垫可以吸收高能量的冲击应力波，在压缩变形过程中消耗大量的功，将其转变为结构中泡孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而提高整个支护结构的吸能减震抗冲击的能力；

采用的高韧性钢筋混凝土替代了以往刚度较大的传统混凝土，提高了钢筋混凝土结构的韧性和抗冲击能力，具有很好的吸能抗裂作用，解决以往马头门钢筋混凝土大面积剥落，钢筋扭曲外露等破坏现象。

本发明马头门防冲减震支护结构的施工方法，大大降低了施工成本和大量的马头门返修工作，保证了马头门支护结构的长期稳定。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明马头门防冲减震支护结构的示意图；

图2为图1中沿I-I线的剖面图；

图3为图1中沿II-II线的剖面图；

图4为本发明复合泡沫金属垫层的结构示意图；

图中：1、复合泡沫金属垫层，2、高韧性钢筋混凝土，3、高预应力中空注浆锚索，4、双层钢筋，5、马头门，6、井筒，7、金属网和混凝土喷层，8、锚索注浆加固层。

具体实施方式

本发明公开了一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。

首先对本发明一种马头门防冲减震支护结构做详细说明，如图1所示，包括高韧性钢筋混凝土灌注层、复合泡沫金属垫层1和锚索注浆加固层8，其中，高韧性钢筋混凝土层和锚索注浆加固层8作为刚性结构，复合泡沫金属垫层1作为柔性结构，三者组合在井筒6下面形成了“强-弱-强”的马头门5支护结构，可发挥支护结构的协同变形作用，有效地吸收和减弱冲击震动波的破坏作用。

本发明的锚索注浆加固层通过高预应力中空注浆锚索3注浆加固围岩形成，高预应力中空注浆锚索3作为其中的一部分，高预应力中空注浆锚索3采用中空结构，中空管兼做注浆管，锚索索体采用高强度螺旋肋预应力钢丝编绞而成，采用“先锚后注”的锚固方式，实现了树脂锚固、锚索预紧和中空管注浆一体化，以达到提高和改善围岩力学性能、控制围岩变形的效果，在岩层中形成一个强度更大的整体结构，同时具有降低水对围岩强度的软化作用；

本发明中，高预应力中空注浆锚索间排距选为(800-1000)×(1400-2000)mm，注浆浆液采用525#普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6～1，另外加入7～8％的ACZ-I注浆添加剂，ACZ-1添加剂具有减水、微膨胀、增强等作用，克服了目前注浆浆液水灰比高、强度低、硬化收缩、泵送阻力大等问题，能提高水泥浆液的灌入能力，扩大浆液充填半径，改善软弱、松散岩体注浆加固抗渗效果，注浆压力为2～6MPa。

本发明中，上述锚索注浆加固层表面有金属网和混凝土喷层7，金属网采用Ф6mm钢筋网，网孔90×90mm，网间搭接距不小于100mm，搭接处使用10#铁丝联接；混凝土喷射层主要是喷射C20或C25等级混凝土砂浆，材料配合比：水泥：黄沙：石子＝1:2:2，含泥量按重量计算不大于3％，加入速凝剂为水泥重量的3～4％，喷射40～50mm厚混凝土，喷射混凝土一是用于封闭井壁和巷道表面的节理、裂隙，防止围岩风化和水对围岩的弱化作用，二是为注浆起到封堵围岩作用；

本发明的复合泡沫金属垫层，结合图4所示，复合泡沫金属垫层1由于其独特的多孔耗散结构，是一种新型优越的吸能与冲击防护材料，该材料可以是空心微珠充填铝合金基体而成，在动态冲击下具有很高的吸收冲击能量的性能，复合泡沫金属垫层1可通过商业渠道购买得到；

本发明的高韧性钢筋混凝土包括双层钢筋4和钢纤维混凝土。如图2、图3所示，双层钢筋其规格为横筋Ф25，环筋Ф25，间排距为250mm×250mm，内、外层环筋之间用Ф8的构造筋进行连接，连接筋间排距为500mm，均梅花型布置；

本发明的高韧性钢筋混凝土2通过在混凝土中增加钢纤维提高钢筋混凝土结构的整体质量和抗冲击等性能，具有很好的吸能抗裂作用。

本发明马头门支护结构的施工方法，主要步骤为：

步骤1：打完并清洗锚索钻孔后，先在开挖成形的马头门5处围岩上挂上金属网，安装高预应力中空注浆锚索，索体为螺旋肋钢绞线，直径为Φ20～22mm，长度为7～9m，采用树脂锚固剂进行端锚，锚索的锚固长度不得小于1000mm，端部锚固时锚索预紧力不低于200kN，在距锚索尾部1.0m位置缠绕包装布或棉纱，然后搅拌树脂锚固剂，之后装上锥形橡胶止浆塞(锥头向里)与托盘，再旋转尾部螺母进行封孔和张拉预紧，锚索托盘采用Φ200×16mm圆形托盘，配合高强度调心球垫，力学性能与锚索强度配套；

步骤2：安装好锚索后及时向马头门处巷道壁喷射C20或C25等级混凝土砂浆，材料配合比：水泥：黄沙：石子＝1:2:2，含泥量按重量计算不大于3％，加入速凝剂为水泥重量的3～4％，喷射40～50mm厚混凝土于新开挖的马头门巷道，用于封闭井壁和巷道表面的节理、裂隙，防止围岩风化和水对围岩的弱化作用；上述喷射前必须清洗岩帮，清理浮矸，喷射要均匀，无裂隙；

步骤3：待混凝土具有一定强度后，对注浆锚索进行高压注浆，用于对巷道围岩进行加固，有效地限制围岩松动变形，大范围内强化围岩力学性能；在进行高压注浆时，先卸下锚索尾部的丝堵，将注浆器连接到锚索尾部的内螺纹上，慢慢扭紧注浆器，通过注浆管路将注浆器与注浆泵进行连接，并检查与注浆泵连接的注浆管和注浆头是否畅通，注浆过程中每个钻孔应一次性注满，若中途停滞，可能会堵塞注浆管，首次注浆注满后，可关闭注浆泵，等待2～3min再注浆，直至再次注满。

步骤4：注浆结束后，用长铁钉将复合泡沫金属垫层紧固在混凝土初喷层上，长铁钉间排距2000×2000mm，然后在复合泡沫金属垫层外侧支设双层钢筋，然后在双层钢筋外侧架设组合式金属模板，模板尺寸可根据具体施工选择，将高韧性混凝土灌注在复和泡沫金属垫层和组合式金属模板之间的空间中，形成高韧性钢筋混凝土灌注层。

本发明马头门支护结构可以抵抗开挖、爆破、顶板岩层断裂等诱发的应力波动态荷载，整体结构起到了吸能减震防冲的作用，解决了马头门高度集中的静应力大变形和动态冲击荷载的破坏而导致围岩损伤破裂和支护结构失稳等灾害。

Claims (6)

1.一种马头门防冲减震支护结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

a、在深井巷道内马头门开挖成形后，挂设金属网并安装高预应力中空注浆锚索；

b、在上述的金属网外侧喷射混凝土，形成混凝土喷层；

c、待上述混凝土喷层具有一定强度后，对所述高预应力中空注浆锚索进行高压注浆，形成锚索注浆加固层，用于对巷道围岩进行加固，有效地限制围岩松动变形；

d、步骤c完成后，将具有吸收冲击能量的复合泡沫金属垫层紧固在步骤b中的混凝土喷层上，形成了主要的吸能减震垫层；

e、接步骤d，在复合泡沫金属垫层外侧支设双层钢筋，然后在双层钢筋外侧架设组合式金属模板，在所述组合式金属模板和复合泡沫金属垫层形成的空间内灌注高韧性混凝土，形成高韧性钢筋混凝土灌注层。

2.根据权利要求1所述的马头门防冲减震支护结构的施工方法，其特征在于：步骤a中，向所述高预应力中空注浆锚索注入注浆浆液，所述注浆浆液包括普通硅酸盐水泥和注浆添加剂，所述硅酸盐水泥中的水灰比为0.6～1：1，所述注浆添加剂的重量百分比为7～8％。

3.根据权利要求1所述的马头门防冲减震支护结构的施工方法，其特征在于：步骤b中，所述混凝土中含有水泥、黄沙、石子和速凝剂，所述速凝剂为水泥重量的3～4％；所述混凝土层的喷射厚度为40～50mm。

4.根据权利要求1所述的马头门防冲减震支护结构的施工方法，其特征在于：步骤d中，复合泡沫金属垫层是由中空微型珠状颗粒与金属基体经混合、成型、固化而得到的一种泡沫材料，其厚度为50～70mm，孔径为150～160μm，孔隙率可达98％。

5.根据权利要求1所述的马头门防冲减震支护结构的施工方法，其特征在于：所述双层钢筋其横筋Ф25，环筋Ф25，间排距为250mm×250mm，内、外层环筋之间用Ф8的构造筋进行连接，连接筋间排距为500mm，呈梅花型布置。

6.根据权利要求1所述的马头门防冲减震支护结构的施工方法，其特征在于：所述高韧性混凝土是通过在普通混凝土中增加长20-40mm、厚0.5mm的钢纤维来增加混凝土的韧性。