CN110593922B - 嵌入式frp筋材加固巷道顶板的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法，巷道掘进工作停止后，在巷道顶板空顶位置施工锚杆钻孔；按照既有锚杆支护结构排距，沿巷道宽度方向在顶板施工矩形凹槽；在凹槽两侧靠近巷道肩角位置处施工一定角度的斜向钻孔；清理凹槽及斜向钻孔中的岩石碎屑及杂质；在凹槽及斜向钻孔中放入树脂锚固剂；将FRP筋材放入巷道顶板凹槽及凹槽两侧施工的斜向钻孔中；待FRP筋材通过锚固剂与巷道顶板围岩完全粘结后，采用水泥浆将凹槽完全填平；将双排钢筋托梁沿着FRP筋材长度方向布置，采用树脂锚固剂将穿过双排钢筋托梁的锚杆固定在巷道顶板岩层，完成一个支护环节的施工工作。本方法操作简单，可以有效地增强巷道顶板的抗拉变形能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿巷道顶板加固施工方法，特别涉及一种采用嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的工艺方法，属于煤矿巷道支护技术领域。
背景技术
安全高效的巷道支护技术是实现现代煤矿高产高效开采的基本保障。我国煤矿巷道支护形式在经历了木支护、砌碹支护、U型钢架棚支护之后逐步过渡到锚杆支护。与早期的支护结构相比，锚杆及其组合构件（钢带、钢筋托梁以及钢梁）在保证安全生产的前提下，有效地降低了巷道支护成本，减轻了工人的劳动强度，极大地改善了作业环境。
通常认为，在巷道开挖之后，原有的围岩应力平衡遭到破坏，在巷道顶板附近出现显著的受拉和受剪区域。锚杆的安设可以在一定程度上抵消巷道顶板附近的拉应力和剪应力。但是随着巷道断面的增大，由层状岩层组成的巷道顶板的跨度将随之增加。在深部开采或者高地应力作用下，在大跨度巷道顶板的底部出现的拉应力区域范围将进一步扩大。此时，单纯采用锚杆及其组合构件将无法有效地控制由于拉应力引起的巷道顶板变形破坏。特别地，采用钢带、钢筋托梁以及钢梁在控制由拉应力引起的巷道顶板变形破坏方面的技术缺陷已经逐步凸显：（1）巷道顶板的起伏不平导致上述组合构件在施工过程中无法有效地接触巷道顶板，因此在巷道顶板下沉初期无法有效地发挥其支护作用；（2）无论是钢带、钢筋托梁还是钢梁在使用过程中均通过锚杆固定在巷道顶板上，当巷道顶板出现下沉时，上述组合构件由于缺少有效的锚固点而无法充分发挥钢材的拉伸力学特性；（3）传统钢材当达到屈服应变之后，其拉伸强度将不再增加，造成在实际使用过程中上述组合构件超过屈服应变之后将不能对巷道顶板提供持续增加的约束力，无法有效地控制巷道顶板在拉应力作用下的变形破坏。
为实现大断面巷道顶板围岩稳定性控制，需要对现有锚杆支护技术进行改进，特别是针对现有锚杆支护组合构件的施工工艺及材料属性进行适当调整，以进一步增强其对大断面巷道顶板拉应力区域的控制作用。其中：（1）针对巷道顶板起伏不平的问题，可以通过在巷道顶板开槽的方式将组合构件嵌入凹槽内，实现组合构件与顶板的完全有效接触；（2）针对组合构件缺乏有效锚固点的问题，可以参照传统的锚杆锚固技术，将组合构件通过树脂锚固剂锚固在钻孔中；（3）针对钢材本身的拉伸力学特性，可以通过采用具有轻质高强特性的纤维增强复合材料（简称FRP）加以替代。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法，按照以下步骤进行：
步骤一，巷道掘进工作停止后，在巷道顶板空顶位置施工锚杆钻孔；
步骤二，按照巷道顶板既有锚杆支护结构排距，沿巷道宽度方向在顶板施工矩形凹槽；
步骤三，在凹槽两侧靠近巷道肩角位置处施工一定角度的斜向钻孔；
步骤四，清理凹槽及斜向钻孔中的岩石碎屑及杂质；
步骤五，在凹槽及斜向钻孔中放入树脂锚固剂；
步骤六，将FRP筋材放入巷道顶板凹槽及凹槽两侧施工的斜向钻孔中；
步骤七，待FRP筋材通过锚固剂与巷道顶板围岩完全粘结后，采用水泥浆将凹槽完全填平；
步骤八，将双排钢筋托梁沿着FRP筋材长度方向布置，采用树脂锚固剂将穿过双排钢筋托梁的锚杆固定在巷道顶板岩层，完成一个支护环节的施工工作；
步骤九，巷道继续掘进至一个完整掘进循环后停止，重复步骤一至步骤八，直至完成整条巷道的顶板支护工作。
进一步地，所述的在巷道顶板施工的锚杆钻孔呈交错式布置；
进一步地，所述的沿巷道宽度方向施工的矩形凹槽的深度和宽度为FRP筋材横截面最大外接圆直径的2倍；
进一步地，所述的凹槽两侧靠近巷道肩角位置施工的斜向钻孔的角度和FRP筋材两端弯曲角度保持一致，深度为FRP筋材两端弯曲部分长度的1.2倍；
进一步地，所述的凹槽及斜向钻孔中的岩石碎屑及杂质通过联通井下压缩空气的橡胶软管进行清理；
进一步地，所述的在凹槽及斜向钻孔中放入的树脂锚固剂为煤矿井下锚杆支护通用树脂锚固剂，包括但不限于现有的CK、K、Z和M型号的树脂锚固剂；
进一步地，所述的FRP筋材为碳纤维、玻璃纤维增强复合材料组成的筋材，作为优选，FRP筋材的单轴抗拉强度不得低于1000 MPa；
进一步地，所述的FRP筋材表面提前进行过喷砂处理，以增加FRP筋材与凹槽之间的粘结作用；
进一步地，所述的FRP筋材的横截面为圆形、矩形和长方形。作为优选，FRP筋材断面为矩形，以增加FRP筋材与凹槽之间的粘结作用；
进一步地，所述的FRP筋材两端弯曲角度介于30°和60°之间，在方便施工的前提下，降低FRP筋材在实际使用过程中出现剪切破坏的风险；
进一步地，所述的用于将凹槽完全填平的水泥浆为高速快硬水泥加水混合而成的材料。其中高速快硬水泥包括但不局限于硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
进一步地，所述的双排钢筋托梁为三根长度与煤矿巷道宽度一致的钢筋焊接而成。
本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
（1）与传统的锚杆组合构件相比，本发明采用的FRP筋材具有轻质高强的拉伸力学特性（以碳纤维FRP材料为例，其抗拉强度达到2300 MPa,而普通Q235螺纹钢锚杆的屈服强度仅为240 MPa左右）。FRP筋材轻质高强的力学特性使其在提供相同支护阻力的情况下，可以有效地降低生产运输成本。同时，可以进一步降低工人在安装过程中的劳动强度；
（2）与传统的组合构件加固巷道顶板的方法相比，本发明提出的嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法提出将FRP筋材嵌入到在巷道顶板施工的凹槽中，用以实现FRP筋材与巷道顶板的完全有效接触，可以最大程度的降低巷道表面起伏对组合构件力学特性发挥带来的负面影响；
（3）采用树脂锚固剂将FRP筋材锚固到稳定的岩层中，可以确保FRP筋材在巷道变形过程中始终处于拉伸变形状态，充分发挥其优异的拉伸力学特性；
（4）FRP筋材嵌入到顶板岩层中，可以规避FRP筋材耐火性能差的缺点，满足煤矿井下对支护材料防火特性的基本要求；
（5）FRP筋材通过双排钢筋托梁固定在巷道顶板岩层上，可以在巷道宽度方向上提供多个锚固点，确保FRP筋材抗拉特性的有效发挥。
附图说明
图1为采用传统锚杆支护技术的巷道支护断面示意图；
图2为采用传统锚杆支护技术的巷道支护平面示意图；
图3为采用传统锚杆支护技术的巷道变形破坏示意图；
图4为采用嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的支护断面示意图；
图5为采用嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的支护平面示意图；
图6为采用嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的FRP筋材结构示意图；
图7为采用嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的双排钢筋托梁结构示意图。
附图标记
1-顶板，2-巷道，3-锚杆，4-钢筋托梁，5-FRP筋材，6-凹槽，7-双排钢筋托梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法的实施例作进一步描述：
如图1-3所示，巷道2开挖完成后，采用锚杆3对顶板1进行加固。为进一步发挥锚杆3对巷道2顶板1的支护作用，通常在锚杆3的尾部靠近顶板1的位置安设钢筋托梁4。由于巷道2开挖之后，原有的应力状态遭到破坏，在采动作用影响下，巷道2的顶板1将会出现弯曲下沉，在此过程中锚杆3和钢筋托梁4也将出现弯曲下沉的状态。
如图4-5所示，本发明提供的嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法包括以下步骤：
步骤一，巷道掘进工作停止后，在巷道顶板空顶位置施工锚杆钻孔；
步骤二，按照巷道顶板既有锚杆支护结构排距，沿巷道宽度方向在顶板施工矩形凹槽；
步骤三，在凹槽两侧靠近巷道肩角位置处施工一定角度的斜向钻孔；
步骤四，清理凹槽及斜向钻孔中的岩石碎屑及杂质；
步骤五，在凹槽及斜向钻孔中放入树脂锚固剂；
步骤六，将FRP筋材放入巷道顶板凹槽及凹槽两侧施工的斜向钻孔中；
步骤七，待FRP筋材通过锚固剂与巷道顶板围岩完全粘结后，采用水泥浆将凹槽完全填平；
步骤八，将双排钢筋托梁沿着FRP筋材长度方向布置，采用树脂锚固剂将穿过双排钢筋托梁的锚杆固定在巷道顶板岩层，完成一个支护环节的施工工作；
步骤九，巷道继续掘进至一个完整掘进循环后停止，重复步骤一至步骤八，直至完成整条巷道的顶板支护工作。
其中，在步骤一中，在巷道掘进工作停止后，根据原有的支护设计要求，按照图5所示的钻孔位置施工锚杆钻孔。
在步骤二中，按照图5所示的位置在保证既有锚杆支护结构排距不变的情况下，采用手持式岩层切割机沿着巷道2宽度方向，在顶板1施工深度和宽度为FRP筋材5横截面最大外接圆直径的2倍的凹槽；
在步骤三中，在凹槽6两侧靠近巷道2肩角位置施工斜向钻孔，钻孔角度与FRP筋材5两端弯曲角度保持一致，深度为FRP筋材5两端弯曲部分长度的1.2倍；
在步骤四中，通过联通井下压缩空气的橡胶软管对凹槽6及斜向钻孔中的岩石碎屑及杂质进行清理；
在步骤五中，在凹槽6中放入的树脂锚固剂需要全部覆盖凹槽6的长度方向，在斜向钻孔中放入的树脂锚固剂长度与斜向钻孔深度一致，确保FRP筋材5能够实现全长锚固；
在步骤六中，首先将FRP筋材5的一端放入巷道5肩角处施工的斜向钻孔中，然后再将FRP筋材5的另一端放入巷道5的另一侧的肩角处。安装完成后适当调整FRP筋材5的角度，保证处于凹槽6中的FRP筋材5与顶板1完全接触；
在步骤七中，根据树脂锚固剂的最短凝固时间要求，在FRP筋材5与顶板1围岩完全粘结后，采用高速快硬水泥加水混合而成的水泥浆将凹槽6完全填平；
在步骤八中，按照传统的锚杆支护工艺流程将锚杆3和双排钢筋托梁7固定在顶板1。
如图6所示，本发明的嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法中所述的FRP筋材5为表面提前进行过喷砂处理的两端弯曲的筋材，其中两端弯曲角度介于30°和60°之间。
如图7所示，本发明的嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法中所述的双排钢筋托梁7为三根长度与巷道2宽度一致的钢筋焊接而成。
此外，应当理解，本发明描述的实施例是示例性的，本领域技术人员不能将说明书中的实施例理解为对本发明的限制。在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，形成其他实施方式。
Claims (1)
1.嵌入式FRP筋材加固巷道顶板的施工方法，其特征在于：
步骤一，巷道掘进工作停止后，在巷道顶板空顶位置施工锚杆钻孔；
步骤二，按照巷道顶板既有锚杆支护结构排距，沿巷道宽度方向在顶板施工矩形凹槽；
步骤三，在凹槽两侧靠近巷道肩角位置处施工一定角度的斜向钻孔；在凹槽两侧靠近巷道肩角位置施工斜向钻孔，钻孔角度与FRP筋材两端弯曲角度保持一致；
步骤四，清理凹槽及斜向钻孔中的岩石碎屑及杂质；
步骤五，在凹槽及斜向钻孔中放入树脂锚固剂；
步骤六，将FRP筋材放入巷道顶板凹槽及凹槽两侧施工的斜向钻孔中；
步骤七，待FRP筋材通过锚固剂与巷道顶板围岩完全粘结后，采用水泥浆将凹槽完全填平；
步骤八，将双排钢筋托梁沿着FRP筋材长度方向布置，采用树脂锚固剂将穿过双排钢筋托梁的锚杆固定在巷道顶板岩层，完成一个支护环节的施工工作；
步骤九，巷道继续掘进至一个完整掘进循环后停止，重复步骤一至步骤八，直至完成整条巷道的顶板支护工作。
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