CN106321113B - 一种用于穿采空区的巷道空间框架结构及其支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于穿采空区的巷道空间框架结构及其支护方法，主要包括采空区裂隙发育顶板强力锚网喷支护系统、采空区内钢筋混凝土—钢梁组合框架系统以及两系统间连接装置。强力锚网喷支护系统是在裂隙发育顶板内施工钻孔安装强力锚杆(索)，施加高预紧力，并在其支护的顶板表面喷射混凝土层，以期保持顶板的完整性以及在较大范围内形成较稳定的预应力承载结构。钢筋混凝土—钢梁组合框架系统是以H型钢筋混凝土立柱与纵梁以及顶板横钢梁组成的空间框架结构为主体，辅以经纬网、水泥板、缓冲材料、砖墙以及混凝土喷层等形成，具有立柱强支撑、大断面减跨控制、顶板抗冲击、巷道隔绝空间构建等功能，为矿井开采的通风、行人和运输提供了安全保障。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，尤其涉及一种用于穿采空区的巷道空间框架结构及其支护方法。
背景技术
资源整合矿井井田范围内必然存在小煤矿落后采煤生产工艺与乱采乱掘遗留下的大量位置与范围不明的废弃巷道与采空区，而地质资料及采掘图纸的缺失使得采空区位置及范围不明，这将导致资源整合矿井改扩建巷道掘进过程中会揭露大小不一的采空区，则需要变更规划设计或穿过采空区。变更规划设计使得生产停滞，且变更后的设计方案仍有可能揭露其它未知采空区；而穿采空区进行巷道围岩支护主要采用采空区充填后支护、料石砌碹等支护方式，施工复杂、造价高，且不能有效适应不同应力环境下采空区围岩控制，易产生多次返修工作量。
采空区顶板受力状态复杂，塑性破坏范围及裂隙控制范围大，是采空区的脆弱结构，当受采动影响、随着时间推移或采空区上覆载荷发生改变时，易发生顶板垮落，导致相邻采空区贯通，改变原有空区尺寸及结构，诱发应力场改变，形成局部应力集中和围岩失稳，进而导致更大范围的空区贯通。采空区跨度越大，顶板浅部围岩应力降低越明显，围岩破坏深度与程度增加，进一步导致采空区顶板的破坏，形成恶性循环，影响空区内巷道的稳定性，围岩控制较常规巷道困难。因此，巷道在过采空区时主要存在叠加应力场异常复杂、采空区围岩塑性破坏区范围广、锚杆索支护效能低、超大断面、支护难度大等支护难题，且可借鉴技术少，亟待一种可靠性高、造价可控、适应性强与施工简便的支护新技术，以解决此控制难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、稳定性好，且适用于穿采空区的巷道空间框架结构与支护方法。
为实现本发明的上述目的，本发明提供一种用于穿采空区的巷道空间框架结构，所述穿采空区的巷道空间框架结构包括采空区顶板锚网喷支护系统、H型钢筋混凝土框架、护顶结构、护帮结构、增强框架结构稳定性的支护构件；
所述顶板锚网喷支护系统包括锚杆、预应力锚索、钢筋网及采空区顶板表面喷浆，该支护系统作用于2～3倍巷道宽度范围的采空区顶板形成预应力承载结构；
所述H型钢筋混凝土框架由钢筋砼柱与钢筋混凝土纵梁整体浇筑而成，所述钢筋砼柱对所述预应力承载结构提供支撑力，减小采空区顶板跨度、降低顶板所受弯矩；所述钢筋砼柱自巷道底板起浇筑至采空区顶板，间距为设计巷道宽度，排距为钢筋混凝土纵梁长度；所述钢筋混凝土纵梁上表面与巷道设计顶板高度齐平，且钢筋砼柱与钢筋混凝土纵梁间的纵筋相互连接；
所述护顶结构由工字钢、水泥背板、钢筋网、水泥背板上部喷浆、巷道顶部喷浆、缓冲材料组成；所述护帮结构由H型钢筋混凝土框架下部区域砌筑的砖墙组成；所述护顶结构及护帮结构构建了封闭的巷道空间，使巷道断面尺寸达到设计值，能够减缓顶板冒落浮矸对巷道的冲击；
所述工字钢长度L为巷道宽度l与两侧纵梁宽度l1之和，工字钢与钢筋砼柱位置重叠处与钢筋砼柱整体浇筑，其余位置的工字钢放置于钢筋混凝土纵梁之上，工字钢端部使用固定砌砖进行固定；
所述增强框架结构稳定性的支护构件包括：采空区顶板与巷道框架结构的连接装置、H型钢筋混凝土框架间的钢筋混凝土横梁、钢筋混凝土横梁和钢筋砼柱交接处设置的斜拉锚索、及采空区顶板与钢筋砼柱间设置的混凝土充填袋；所述斜拉锚索锚固于巷道外侧采空区底板。
在巷道轴向方向上每隔4～8根立柱增设钢筋混凝土横梁，横梁下表面与钢筋混凝土纵梁的上表面位于同一水平，横梁和钢筋砼柱交接处设置斜拉锚索锚固于巷道外侧采空区底板，以增强H型钢筋混凝土框架的稳定，从而对采空区锚杆索预应力承载结构起到较好的支撑效果。
所述采空区顶板与巷道框架结构的连接装置为在钢筋砼柱四角纵筋相对应位置增设有四根固定锚杆，锚杆外露长度为0.5～2m，将钢筋砼柱四角纵筋与增设的锚杆绑扎连接，增强立柱的稳定性。
所述水泥背板进行加筋处理，背板大小与工字钢间距相匹配。
本发明还提供上述支护结构的支护方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)顶板锚网喷支护系统支护
在2～3倍巷道宽度的采空区顶板范围内施工锚杆、预应力锚索钻孔，安装锚杆、预应力锚索后在采空区顶板表面铺钢筋网并喷射混凝土，以期保持顶板的完整性以及在较大范围内形成较稳定的预应力承载结构；
(2)浇筑H型钢筋混凝土框架与横梁
浇筑钢筋砼柱与纵梁前，在采空区顶板与钢筋砼柱四角纵筋相对应位置增设四根固定锚杆，将立柱纵筋与固定锚杆、横梁纵筋、纵梁纵筋分别绑扎连接并在钢筋混凝土横梁与钢筋砼柱交接位置预留预应力锚索孔后进行立柱、纵梁与横梁的浇筑，横梁下表面与钢筋混凝土纵梁的上表面位于同一水平，在工字钢设计位置与立柱重叠处将工字钢与立柱整体浇筑；立柱浇筑至距顶板100mm时停止施工，待立柱凝固稳定后在立柱与顶板间放入定制尺寸的充填袋带压充填混凝土以使钢筋砼柱完全接顶，并对顶板施加支撑力，维持顶板预应力承载结构的完整；
(3)砌筑砖墙
在H型钢筋混凝土框架下部区域内砌筑砖墙；
(4)安装斜拉锚索
H型钢筋混凝土框架及横梁完全凝固稳定后，将锚固于巷道外侧采空区上的斜拉锚索穿过钢筋砼柱中预留的锚索孔，在钢筋砼柱另一侧使用锚索锁具及托盘将锚索连接固定，使用张拉器具对斜拉锚索施加一定的预紧力；并将所述斜拉锚索锚固于巷道外侧采空区底板上；
(5)架设工字钢
未与钢筋砼柱位置重叠的工字钢两端分别位于巷道两侧的钢筋混凝土纵梁上，按设计间距将工字钢平行放置；在钢筋混凝土纵梁上工字钢间距范围内砌砖将工字钢端部固定；
(6)铺设钢筋网、水泥背板后喷浆
在工字钢上依次铺设钢筋网、水泥背板后在水泥背板上与巷道内人工顶板分别喷浆隔绝巷道与采空区，巷道内喷射混凝土厚度与工字钢下表面齐平；
(7)充填缓冲材料
待水泥背板上层喷浆凝固后，在H型钢筋混凝土框架上部区域砌筑宽度与钢筋砼柱宽度一致，高度大于工字钢、钢筋网、水泥背板、喷浆及缓冲材料高度之和的砖墙，之后在巷道顶板间距范围内充填缓冲材料。
有益效果
1)本发明装置通过顶板强力锚杆索喷浆支护，将采空区顶板浅部破碎围岩形成完整的预应力承载结构，改善了破碎岩体的受力状态，增强了顶板的完整性；通过混凝土充填袋将钢筋砼柱由被动承载变为主动支护，能够提供给顶板一定的主动支撑力，有效维持顶板预应力承载结构的稳定；顶板固定锚杆、混凝土充填袋、钢筋混凝土横梁及斜拉锚索等支护构件增强了支护系统的可靠性。
2)本发明装置利用钢筋砼柱、砖墙、工字钢、水泥背板等支护构件改变了采空区的空间结构，缩减了采空区顶板跨度，通过护顶及护帮结构实现了采空区内巷道断面的缩小，使巷道能够按原设计断面尺寸顺利施工。另外，本发明装置隔绝巷道与采空区，构建密闭的巷道空间，减弱采空区积水积气对巷道的影响，使巷道安全快速通过采空区，为矿井生产的通风、行人和运输提供了保障。
附图说明
图1是本发明所述一种用于穿采空区的巷道空间框架结构与支护方法的空间结构示意图；
图2是图1中沿I-I方向的剖面图；
图3是图1中沿II-II方向的剖面图；
图4是图1中沿ш-ш方向的剖面图；
图5是图4中B处放大图；
附图标记说明：1-钢筋砼柱；2-钢筋混凝土纵梁；3-钢筋混凝土横梁；4-工字钢；5-水泥背板；6-钢筋网；7-钢筋砼柱环筋；8-钢筋砼柱纵筋；9-钢筋砼柱基础；10-H型钢筋混凝土框架下部区域砌墙；11-预应力锚索；12-锚杆；13-钢筋混凝土纵梁纵筋；14-钢筋混凝土纵梁环筋；15-斜拉锚索；16-H型钢筋混凝土框架上部区域砌墙；17-混凝土充填袋；18-采空区顶板喷浆；19-缓冲材料；20-钢筋混凝土横梁环筋；21-钢筋混凝土横梁纵筋；22-水泥背板上部喷浆；23-巷道顶部喷浆；24-工字钢端部固定砌砖；25-固定锚杆；26-采空区顶板；27-巷道；28-采空区；
具体实施方式
根据图1－图5，本发明穿采空区的巷道空间框架结构主要包括锚固于采空区顶板26的锚杆12与预应力锚索11、钢筋网；由钢筋砼柱1、钢筋混凝土纵梁2组成的H型钢筋混凝土框架；由工字钢4、水泥背板5、钢筋网6、水泥背板上部喷浆22、巷道顶部喷浆23、缓冲材料19组成的护顶结构，辅以工字钢端部固定砌砖24固定工字钢、H型钢筋混凝土框架上部区域砌墙16形成混充材料充填区；由H型钢筋混凝土框架下部区域砌墙10组成的护帮结构；维持H型钢筋混凝土框架稳定性及接顶性的钢筋混凝土横梁3、固定锚杆25、混凝土充填袋17及斜拉锚索15。
所述顶板锚网喷支护系统作用于2～3倍巷道宽度的采空区顶板26范围，包括锚杆12、预应力锚索11、采空区顶板喷浆18，以期保持顶板的完整性以及在较大范围内形成较稳定的预应力承载结构；
所述H型钢筋混凝土框架由钢筋砼柱1与钢筋混凝土纵梁2整体浇筑而成，钢筋砼柱自巷道底板起浇筑至采空区顶板，间距为设计巷道宽度，排距为钢筋混凝土纵梁2长度；钢筋混凝土纵梁顶部与巷道设计顶板高度齐平，且钢筋砼柱纵筋8与钢筋混凝土纵梁纵筋13相互连接；
所述巷道护帮系统为H型钢筋混凝土框架下部区域砌墙10；护顶系统由工字钢4、钢筋网6、水泥背板5、水泥背板上部喷浆22及缓冲材料19组成，工字钢端部进行砌砖24固定；
具体的，如图1所示，H型钢筋混凝土框架连续布置于采空区28中部的巷道27两侧，钢筋砼柱1与H型钢筋混凝土框架下部区域砌墙10构成巷道帮部，巷道护顶结构由工字钢4、钢筋网6、水泥背板5等支护构件按顺序铺设组成，工字钢端部位于钢筋混凝土纵梁上并在工字钢间距范围内砌砖24进行固定，H型钢筋混凝土框架上部区域砌墙16形成缓冲材料充填区；
所述增强支护结构稳定性的支护构件包括：钢筋砼柱与顶板相交处的固定锚杆25、钢筋混凝土横梁3、锚固于巷道外侧采空区底板与钢筋混凝土横梁和钢筋砼柱交接处纵筋相连接的斜拉锚索15、采空区顶板与立柱间的混凝土充填袋17；
具体的，如图2、图3所示，沿巷道轴向每隔4～8根立柱增设一根钢筋混凝土横梁3，横梁下表面与巷道设计高度齐平；在采空区顶板26与钢筋砼柱1四角纵筋8相对应位置增设四根固定锚杆25，锚杆外露长度为0.5～2m，将钢筋砼柱纵筋8与固定锚杆25绑扎连接并预留斜拉锚索15孔后进行钢筋砼柱1的浇筑，浇筑至距顶板100mm处停止施工，待立柱凝固后，在立柱与顶板间放入混凝土充填袋17进行带压充填；H型钢筋混凝土框架及钢筋混凝土横梁凝固后，将锚固于巷道外侧采空区底板上的斜拉锚索15穿过钢筋砼柱1中预留的锚索孔，在钢筋砼柱另一侧使用锚索锁具及托盘等构件将锚索连接固定，使用张拉器具对斜拉锚索15施加一定的预紧力；
本发明的穿采空区的巷道空间框架结构的支护方法包括以下具体步骤：
(1)预应力强力锚杆、索顶板支护
在2～3倍巷道宽度采空区顶板26范围内施工锚杆(索)钻孔，安装预应力强力锚杆12锚索11后在采空区顶板表面喷射混凝土18，以期保持顶板的完整性以及在较大范围内形成较稳定的预应力承载结构；
(2)浇筑H型钢筋混凝土框架与横梁
浇筑钢筋砼柱1与纵梁2前，在立柱的设计接顶位置四角打设4根固定锚杆25，将立柱纵筋8与固定锚杆25、纵梁纵筋13及横梁纵筋21分别绑扎连接并在钢筋砼柱1与钢筋混凝土横梁3交接处预留斜拉锚索孔后进行立柱1、纵梁2与横梁3的浇筑，在工字钢设计位置与立柱重叠处将工字钢4与立柱1整体浇筑；立柱浇筑至距采空区顶板100mm时停止施工，待立柱凝固稳定后在立柱1与顶板26间放入定制尺寸的混凝土充填袋17带压充填混凝土；混凝土充填袋凝固稳定后将斜拉锚索15一端锚固于巷道外侧的采空区28底板上，另一端穿过钢筋砼柱上预留的锚索孔通过锚索锁具与托盘等构件固定于钢筋砼柱巷道一侧，并施加一定的预紧力，以增加H型钢筋混凝土框架的稳定性；
(3)砌筑砖墙
在H型钢筋混凝土框架下部区域内砌筑砖墙10；
(4)安装斜拉锚索
H型钢筋混凝土框架及横梁完全凝固稳定后，将锚固于巷道外侧采空区底板上的斜拉锚索15穿过钢筋砼柱中预留的锚索孔，在钢筋砼柱另一侧使用锚索锁具及托盘等构件将锚索连接固定，使用张拉器具对斜拉锚索施加一定的预紧力；
(5)架设工字钢
未与钢筋砼柱1位置重叠的工字钢4两端分别位于巷道两侧的钢筋混凝土纵梁2上，按设计间距将工字钢平行放置；在钢筋混凝土纵梁上工字钢间距范围内砌砖24固定工字钢端部；
(6)铺设钢筋网、水泥背板后喷浆
在工字钢上依次铺设钢筋网6、水泥背板5后在水泥背板上与巷道内人工顶板分别喷浆隔绝巷道与采空区，巷道内喷射混凝土23厚度与工字钢下表面齐平；
(7)充填缓冲材料
待水泥背板上层喷浆22凝固后，在工字钢端部钢筋混凝土纵梁上与钢筋砼柱之间砌筑宽度与钢筋砼柱宽度一致，高度大于工字钢、钢筋网、水泥背板、喷浆及缓冲材料高度之和的砖墙16，之后在巷道顶板间距范围内充填缓冲材料19。
Claims (5)
1.一种用于穿采空区的巷道空间框架结构，其特征在于：所述穿采空区的巷道空间框架结构包括采空区顶板锚网喷支护系统、H型钢筋混凝土框架、护顶结构、护帮结构、增强框架结构稳定性的支护构件；
所述顶板锚网喷支护系统包括锚杆、预应力锚索、钢筋网及采空区顶板表面喷浆，该支护系统作用于2～3倍巷道宽度范围的采空区顶板形成预应力承载结构；
所述H型钢筋混凝土框架由钢筋砼柱与钢筋混凝土纵梁整体浇筑而成，所述钢筋砼柱为所述预应力承载结构提供支撑力，减小采空区顶板跨度、降低顶板所受弯矩；所述钢筋砼柱自巷道底板起浇筑至采空区顶板，间距为设计巷道宽度，排距为钢筋混凝土纵梁长度；所述钢筋混凝土纵梁上表面与巷道设计顶板高度齐平，且钢筋砼柱与钢筋混凝土纵梁间的纵筋相互连接；
所述护顶结构由工字钢、水泥背板、钢筋网、水泥背板上部喷浆、巷道顶部喷浆、缓冲材料组成；所述护帮结构由H型钢筋混凝土框架下部区域砌筑的砖墙组成；所述护顶结构及护帮结构构建了封闭的巷道空间，使巷道断面尺寸达到设计值，能够减缓顶板冒落浮矸对巷道的冲击；
所述工字钢长度L为巷道宽度l与两侧纵梁宽度l1之和，工字钢与钢筋砼柱位置重叠处与钢筋砼柱整体浇筑，其余位置的工字钢放置于钢筋混凝土纵梁之上，工字钢端部使用固定砌砖进行固定；
所述增强框架结构稳定性的支护构件包括：采空区顶板与巷道框架结构的连接装置、H型框架间的钢筋混凝土横梁、钢筋混凝土横梁和钢筋砼柱交接处设置的斜拉锚索、及采空区顶板与钢筋砼柱间设置的混凝土充填袋；所述斜拉锚索锚固于巷道外侧采空区底板。
2.根据权利要求1所述的一种用于穿采空区的巷道空间框架结构，其特征在于在巷道轴向方向上每隔4～8根钢筋砼柱增设钢筋混凝土横梁，横梁下表面与钢筋混凝土纵梁的上表面位于同一水平，横梁和钢筋砼柱交接处设置斜拉锚索锚固于巷道外侧采空区底板，以增强H型钢筋混凝土框架的稳定，从而对采空区锚杆索预应力承载结构起到较好的支撑效果。
3.根据权利要求2所述的一种用于穿采空区的巷道空间框架结构，其特征在于所述采空区顶板与巷道框架结构的连接装置为在钢筋砼柱四角纵筋相对应位置增设有四根固定锚杆，锚杆外露长度为0.5～2m，将钢筋砼柱四角纵筋与增设的锚杆绑扎连接，增强钢筋砼柱的稳定性。
4.如权利要求3所述的一种用于穿采空区的巷道空间框架结构，其特征在于所述水泥背板进行加筋处理，背板大小与工字钢间距相匹配。
5.如权利要求1-4之一所述的一种用于穿采空区的巷道空间框架结构的支护方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)顶板锚网喷支护系统支护
在2～3倍巷道宽度的采空区顶板范围内施工锚杆、预应力锚索钻孔，安装锚杆、预应力锚索后在采空区顶板表面铺钢筋网并喷射混凝土，以期保持顶板的完整性以及在较大范围内形成较稳定的预应力承载结构；
(2)浇筑H型钢筋混凝土框架与横梁
浇筑钢筋砼柱与纵梁前，在采空区顶板与钢筋砼柱四角纵筋相对应位置增设四根固定锚杆，将钢筋砼柱纵筋与固定锚杆、横梁纵筋、纵梁纵筋分别绑扎连接并在钢筋混凝土横梁与钢筋砼柱交接位置预留预应力锚索孔后进行钢筋砼柱、纵梁与横梁的浇筑，横梁下表面与钢筋混凝土纵梁的上表面位于同一水平，在工字钢设计位置与所述钢筋砼柱重叠处将工字钢与钢筋砼柱整体浇筑；钢筋砼柱浇筑至距顶板100mm时停止施工，待钢筋砼柱凝固稳定后在钢筋砼柱与顶板间放入定制尺寸的充填袋带压充填混凝土以使钢筋砼柱完全接顶，并对顶板施加支撑力，维持顶板预应力承载结构的完整；
(3)砌筑砖墙
在H型钢筋混凝土框架下部区域内砌筑砖墙；
(4)安装斜拉锚索
H型钢筋混凝土框架及横梁完全凝固稳定后，将锚固于巷道外侧采空区上的斜拉锚索穿过钢筋砼柱中预留的锚索孔，在钢筋砼柱另一侧使用锚索锁具及托盘将锚索连接固定，使用张拉器具对斜拉锚索施加一定的预紧力；并将所述斜拉锚索锚固于巷道外侧采空区底板上；
(5)架设工字钢
未与钢筋砼柱位置重叠的工字钢两端分别位于巷道两侧的钢筋混凝土纵梁上，按设计间距将工字钢平行放置；在钢筋混凝土纵梁上工字钢间距范围内砌砖将工字钢端部固定；
(6)铺设钢筋网、水泥背板后喷浆
在工字钢上依次铺设钢筋网、水泥背板后，在水泥背板上与巷道内人工顶板分别喷浆，以隔绝巷道与采空区，巷道内喷射混凝土厚度与工字钢下表面齐平；
(7)充填缓冲材料
待水泥背板上层喷浆凝固后，在H型钢筋混凝土框架上部区域砌筑宽度与钢筋砼柱宽度一致，高度大于工字钢、钢筋网、水泥背板、喷浆及缓冲材料高度之和的砖墙，之后在巷道顶板间距范围内充填缓冲材料。
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