CN110513124B - 一种高应力层状卸荷裂隙岩体巷道的镶嵌式注浆管网支护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高应力层状裂隙卸荷岩体喷射混凝土镶嵌式注浆管网的巷道围岩支护结构，包括注浆管网、喷射混凝土质量控制装置、支护结构受力监测装置。其中，注浆管网由支架钢管和连接钢管组成，支架钢管和连接钢管之间相互连通，采用螺纹连接，支架钢管和连接钢管的管壁均开有孔，作为注浆的浆液渗流孔；注浆管网与巷道围岩表面之间设有喷头；注浆管网在喷射混凝土层外设有注浆管口，即注浆管口与支架钢管和连接钢管之间相互连通；喷射混凝土质量控制装置包括喷射混凝土层厚度、喷射混凝土层受力、喷射混凝土层开裂程度；支护结构受力监测装置包括支架钢管受力、加固围岩的受力、支护结构整体变形；并设计了支护结构施工工艺。本发明通过预埋设镶嵌式注浆管网解决高应力层状卸荷裂隙岩体巷道围岩松动圈注浆加固。
Description
技术领域
本发明属于一种高应力层状卸荷裂隙岩体巷道的镶嵌式注浆管网支护结构，用于加固巷道围岩松动圈范围内的岩体，提高松动圈范围内围岩整体强度。
背景技术
当巷道开挖后，围岩承受的应力超过围岩强度时，巷道围岩首先从浅部破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度取得三向应力平衡，该深度范围内的围岩均处于不同程度的破坏，这种破碎带定义为围岩松动圈，其力学特征为应力降低，这种显现在煤矿地下工程中普遍存在。
松动圈范围内围岩加固方法主要有棚式支护、锚网支护(锚网喷、锚梁网喷)、锚注加固支护、锚网索联合支护。在改变松动圈范围内围岩强度主要通过注浆，即通过施工注浆钻孔或采用注浆锚杆、注浆锚索将浆液通过围岩内的裂隙扩散到松动圈范围内，注浆浆液把破裂岩体凝结成整体。例如，(1)用于巷道软弱围岩加固的多孔并联注浆方法及装置(CN101749030A)采用多条注浆管、大流量注浆泵和注浆压力2.0MPa注浆系统；(2)软岩巷道注浆与全长预应力底板锚索综合支护的方法(CN101871353A)采用预应力注浆锚索加固底板和高压注浆；(3)一种组合式巷道底板注浆管(CN201650305U)采用注浆软管和注浆钢管组成注浆系统；(4)一种巷道底板锚注一体化加固方法(CN102322273A)浅孔注浆、底板锚索和深孔注浆；(5)高地压软岩巷道分层次注浆强化加固方法(CN101864967A)采用注浆钻孔，利用浅层低压与深层高压分层次注浆；(6)壁后注浆充填的巷道围岩稳定控制方法(CN102434172A)采用预埋设注浆管对巷道围岩注浆加固；(7)一种煤矿巷道均布注浆结构及其施工工艺(CN10319542A)采用预埋注浆锚杆和注浆锚索注浆加固围岩；(8)一种大变形巷道围岩注浆紧固承载结构及施工方法(CN103557012A)采用注浆钢管的加长注浆与紧固承载一体化实现围岩强度提高；(9)一种煤矿巷道破碎围岩层次注浆工艺和方法(CN104594914A)采用调整注浆材料参数实现先浅层后深层的注浆加固；这些方法均在不同方面实现了提高围岩强度的目的。但这些方法主要是在采用预埋注浆锚杆锚索、调整注浆参数实现浅层和深层注浆加固。该巷道围岩修复和维护的方法通常会影响到工程的正常使用。需要一种新的支护结构，在巷道初次支护过程中就布设巷道围岩修复和维护的装置，本申请的发明属于巷道松动圈围岩加固的一种方法，通过预埋设镶嵌式注浆管网解决高应力层状卸荷裂隙岩体巷道围岩松动圈注浆加固。
发明内容
为了克服现有巷道松动圈围岩的注浆加固所存在的不足，本发明在于提供一种高应力层状卸荷裂隙岩体巷道的镶嵌式注浆管网支护结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高应力层状裂隙卸荷岩体喷射混凝土镶嵌式注浆管网的巷道支护结构由注浆管网、喷射混凝土质量控制装置、支护结构受力监测装置组成。
注浆管网由支架钢管和连接钢管组成，支架钢管和连接钢管之间相互连通，支架钢管和连接钢管的管壁均开有孔，作为注浆的浆液渗流孔；支架钢管可加工成拱形支架或封闭底板拱形支架，连接钢管用于相邻支架之间的连接；支架钢管和连接钢管之间采用螺纹连接；注浆管网与巷道围岩表面之间设有喷头；注浆管网与喷射混凝土喷层之间设有注浆管，即注浆管与支架钢管和连接钢管之间相互连通；注浆管的管口设有止浆阀门，每3组支架钢管在拱形支架顶部设有一个排气孔和止浆塞。
喷射混凝土质量控制装置包括：①在支架钢管上布设标尺测试喷射混凝土施工厚度；②在支架钢管与围岩表面之间布设压力表测试喷射混凝土受力；③当裂隙宽度0.02-0.05mm时采用裂缝显微镜测试喷射混凝土开裂程度；当裂隙宽度大于0.05mm时采用裂缝宽度对比卡或塞尺测试喷射混凝土开裂程度。
支护结构受力监测装置包括：①支架钢管受力：支架钢管表面布设应变计，用于监测支架钢管的受力；②加固围岩的受力：在围岩内埋置测力计；③支护结构整体变形：在支护结构两帮和顶板的表面布设观测点，采用激光测距的三角观测法记录监测数据，分析支护结构整体变形情况。
一种高应力层状卸荷裂隙岩体巷道的镶嵌式注浆管网支护结构的施工工艺：
步骤一：根据巷道断面大小，设计拱形支架尺寸，用钢管钢管加工拱形支架和连接钢管，并在拱形支架钢管上开孔并制作螺纹，连接钢管加工相应的螺纹，拱形支架的两个末端焊接封闭；
步骤二：根据巷道表面围岩裂隙发育情况，对支架钢管和连接钢管的不同位置开孔，作为注浆浆液渗流孔；
步骤三：现场组装支架钢管和连接钢管，螺纹连接需要防渗漏处理，注浆管朝向巷道内侧，临时密封注浆管口，喷头接触围岩表面；
步骤四：在支架钢管布设标尺，用于测试喷射混凝土的厚度；在支架钢管与围岩表面之间布设压力表，用于监测喷射混凝土的受力；支架钢管表面布设应变计，用于监测支架钢管的受力；
步骤五：从拱形支架下部开始喷射混凝土施工，喷枪垂直岩面喷射混凝土，注浆管外露长度需满足注浆施工的要求，且覆盖拱形支架的喷射混凝土厚度不小于30mm；
步骤六：注浆时机的确定：根据现场巷道围岩表面位移的观测数据分析，当围岩表面位移不在增加或者位移速率为0时，巷道围岩松动圈相对固定是注浆最佳时机；
步骤七：打开支架钢管上的排气孔和注浆管口的临时密封，从支架钢管的下部开始注浆，注浆压力控制在0.5MPa以下，当排气孔有浆液流出，停止注浆，同时封闭注浆管的管口。
本发明的有益技术效果在于：
①在巷道围岩表面喷射混凝土层中布设有注浆管网提高混凝土喷层的强度，②对注浆管网进行注浆加固巷道围岩松动圈范围内的岩体强度。③实现初次预埋注浆管网，原位注浆加固提高围岩强度。
附图说明
图1镶嵌式注浆管网支护结构示意图
图2镶嵌式注浆管网支护结构水平剖面示意图
图中：1-支架钢管 2-连接钢管 3-注浆管口 4-喷头 5-排气孔 6-喷射混凝土层7-围岩松动圈 8-巷道
具体实施方式
巷道围岩破裂演化过程：掘进巷道破坏了原岩体内的应力平衡状态，巷道开挖初期围岩处于短暂的弹性状态；随着围岩内次生应力调整，当围岩内的次生应力超过围岩的屈服极限，在围岩内形成塑性状态，伴有塑性流动，表现为变形或破坏，在围岩表面一定范围内形成裂隙区，该部分围岩依靠残余强度或支护结构约束仍能维持暂时的稳定。为了约束巷道围岩变形破坏，采用提高支护结构的强度，或采用二次支护的补强措施限制围岩变形破坏进一步扩展。
注浆管网渗流注浆加固的机理：在喷射混凝土前在巷道围岩表面预布设注浆管网及监测装置，然后喷射混凝土，将注浆管网镶嵌在混凝土中，随着巷道围岩破裂演化，围岩内的次生应力导致松动圈形成，围岩浅部一定范围内裂隙发育相对稳定，通过预埋设的注浆管网向松动圈围岩渗流注浆，浆液固结裂隙岩体，提高松动圈范围内围岩的强度。将松动圈围岩、预埋设的注浆管网及混凝土喷层在渗流浆液作用下固结形成整体，提高围岩-支护结构-混凝土喷层的整体强度，解决高应力层状卸荷裂隙岩体巷道围岩松动圈注浆加固。
预埋注浆管网的优点：围岩裂隙发育演化是渐进过程，围岩浅部的岩体碎胀，导致混凝土喷层变形，喷射混凝土前预布设注浆管网，将注浆管网作为提高喷射混凝土变形破坏的韧性材料，使得混凝土喷层有一定变形能力；当围岩裂隙发育相对稳定，通过预埋注浆管网对松动圈范围内的裂隙岩体渗流注浆，提高围岩-支护结构-混凝土喷层的整体强度。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
步骤一：根据巷道(8)断面大小，设计注浆管网(1、2、3、4、5)尺寸，用钢管加工支架钢管(1)和连接钢管(2)，并在支架钢管(1)上开孔并制作螺纹，连接钢管(2)加工相应的螺纹，支架钢管(1)的两个末端焊接封闭。
步骤二：根据巷道(8)表面围岩裂隙发育情况，对支架钢管(1)和连接钢管(2)的不同位置开孔，作为注浆浆液渗流孔。
步骤三：现场组装支架钢管(1)和连接钢管(2)，螺纹连接需要防渗漏处理，注浆管口(3)朝向巷道内侧，临时密封注浆管口(3)，喷头(4)接触围岩表面。
步骤四：在支架钢管(1)布设标尺，用于测试喷射混凝土层(6)的厚度；在支架钢管(1)与围岩表面之间布设压力表，用于监测喷射混凝土层(6)的受力；支架钢管(1)表面布设应变计，用于监测支架钢管(1)的受力。
步骤五：从支架钢管(1)下部开始喷射混凝土层(6)施工，喷枪垂直岩面喷射混凝土，注浆管口(3)外露长度需满足注浆施工的要求，且覆盖支架钢管(1)的喷射混凝土层(6)厚度不小于30mm。
步骤六：根据现场巷道(8)围岩表面位移的观测数据分析，当围岩表面位移不在增加或者位移速率为0时，巷道(8)围岩松动圈(7)相对固定是注浆最佳时机。
步骤七：打开支架钢管(1)上的排气孔(5)和注浆管口(3)的临时密封，从支架钢管(1)的下部开始注浆，注浆压力控制在0.5MPa以下，当排气孔(5)有浆液流出，停止注浆，同时封闭注浆管口(3)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如支护管网结构、支架钢管形状和受力测试手段等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种高应力层状裂隙卸荷岩体喷射混凝土镶嵌式注浆管网的巷道支护结构，其特征在于：包括注浆管网、喷射混凝土质量控制装置、支护结构受力监测装置；
(1)注浆管网组成：①注浆管网由支架钢管和连接钢管组成，支架钢管和连接钢管之间相互连通，支架钢管和连接钢管的管壁均开有孔，作为注浆的浆液渗流孔；②支架钢管可加工成拱形支架或封闭底板拱形支架，连接钢管用于相邻支架之间的连接；③支架钢管和连接钢管之间采用螺纹连接；④注浆管网与巷道围岩表面之间设有喷头,其中喷头一端和围岩表面接触，但喷头不伸入围岩内，另一端和支架钢管采用螺纹相连，喷头与支架钢管和连接钢管之间相互连通；注浆管网在喷射混凝土层外设有注浆管口，注浆管口的外露长度须符合珠江长度要求，注浆管口与支架钢管和连接钢管之间相互连通；⑤注浆管口设有止浆阀门，每3组支架钢管在支架顶部设有一个排气孔和止浆塞；⑥喷射混凝土层厚度不小于150mm，覆盖支架钢管的喷射混凝土层厚度不小于30mm；
(2)喷射混凝土质量控制装置：①喷射混凝土厚度：在支架钢管上布设标尺；②喷射混凝土受力；在支架钢管与围岩表面之间布设压力表；③喷射混凝土开裂程度；当裂隙宽度0.02-0.05mm时采用裂缝显微镜；当裂隙宽度大于0.05mm时采用裂缝宽度对比卡或塞尺；
(3)支护结构受力监测装置：①支架钢管受力：支架钢管表面布设应变计，用于监测支架钢管的受力；②加固围岩的受力：在围岩内埋置测力计；③支护结构整体变形：在支护结构两帮和顶板的表面布设观测点，采用激光测距的三角观测法记录监测数据，分析支护结构整体变形情况。
2.根据权利要求1所述的一种高应力层状裂隙卸荷岩体喷射混凝土镶嵌式注浆管网的巷道支护结构，其特征在于：
①根据巷道断面大小，设计注浆管网尺寸，用钢管加工支架钢管和连接钢管，并在支架钢管上开孔并制作螺纹，连接钢管加工相应的螺纹，支架钢管的两个末端焊接封闭；
②根据巷道表面围岩裂隙发育情况，对支架钢管和连接钢管的不同位置开孔，作为注浆浆液渗流孔；
③现场组装支架钢管和连接钢管，螺纹连接需要防渗漏处理，注浆管朝向巷道内侧，临时密封注浆管口，喷头接触围岩表面；
④在支架钢管布设标尺，用于测试喷射混凝土的厚度；在支架钢管与围岩表面之间布设压力表，用于监测喷射混凝土的受力；支架钢管表面布设应变计，用于监测支架钢管的受力；
⑤从支架钢管下部开始喷射混凝土施工，喷枪垂直岩面喷射混凝土，注浆管外露长度需满足注浆施工的要求，且覆盖支架钢管的喷射混凝土厚度不小于30mm；
⑥根据现场巷道围岩表面位移的观测数据分析，当围岩表面位移不在增加或者位移速率为0时，巷道围岩松动圈相对固定是注浆最佳时机；
⑦打开支架钢管上的排气孔和注浆管口的临时密封，从支架钢管的下部开始注浆，注浆压力控制在0.5MPa以下，当排气孔有浆液流出，停止注浆，同时封闭注浆管的管口。
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