CN114046160A - 治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿巷道底臌治理工程领域，尤其涉及一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，包括钢骨架结构以及混凝土结构；所述钢骨架结构包括弧形槽钢，工字钢，倒U型钢支架；所述弧形槽钢上穿置固定有中空注浆锚索；所述混凝土结构包括填充于工字钢上方至反底拱之间的混凝土层。本发明以工字钢上、下全封闭支护系统为基本承载结构，不仅提供了较强的支护强度，而且利用各系统之间的刚性连接，在面对局部应力集中现象时实现应力转移；加之中空注浆锚索一端锚固在拱形槽钢上，利用另一端锚固在稳定岩层中达到了反悬吊的目的；泡沫混凝土的回填可以实现让压的目的，普通混凝土起到阻隔水源防止软岩遇水泥化膨胀。

Description

治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构

技术领域

本发明属于煤矿巷道底臌治理工程领域，尤其涉及一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，本发明所述的反悬吊组合支护结构，可防止底臌发生时的应力集中现象，实现应力向两帮和顶板的转移，并且能够实现有效让压。

背景技术

煤炭深部开采已成为发展趋势，但同时也是诸多国家所面临的共同难题。随着采深的加大，软岩高地应力巷道维护变得十分困难，主要在于此时巷道最大主应力多呈现为水平应力，在深部高水平应力作用下，巷道表现为变形量增大，底臌严重等现象，严重影响井下安全生产。

目前治理底臌的方法包括支护加固法（底板锚杆、注浆、封闭钢架）、卸压法（挖槽、爆破卸荷等）和联合支护法等。以上治理方法虽然在软岩高地应力的巷道中取得了一定效果，但同时也存在一定缺陷。

如专利201810282793.9公开了一种深部巷道底臌控制的缓冲吸能支护结构及其施工方法，但是并没有考虑到作为主要吸能结构的厚型钢板体积大、质量重、在井下不便于运输以及巷道两侧受压易变形的缺点；如专利201710340161.9公开了一种用以治理底臌巷道的组合结构及施工方法，施工工艺较为繁琐。

为解决上述问题，本发明所述的反悬吊组合支护结构，可防止底臌发生时的应力集中现象，实现应力向两帮和顶板的转移，并且能够实现有效让压。

发明内容

本发明为了解决现有治理底臌的结构及方法存在的诸多缺陷，提供了一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，包括钢骨架结构以及混凝土结构；

所述钢骨架结构包括沿巷道延伸方向排布且与反底拱支撑配合的若干弧形槽钢，分别沿着弧形槽钢两端水平延伸的连接耳，固定搭设于弧形槽钢两端连接耳上的工字钢，固定支撑于工字钢两端上方的倒U型钢支架；所述弧形槽钢上具有至少一个锚索孔，每个锚索孔内均穿置固定有穿过反底拱且与巷道底板固定连接的中空注浆锚索，相邻工字钢端部之间设有穿过反底拱且与巷道底板固定连接的底角锚杆，相邻工字钢之间连接设有至少一个连接杆，弧形槽钢的中空注浆锚索与相邻弧形槽钢上的中空注浆锚索之间连接设有钢带；

所述混凝土结构包括填充于工字钢上方至反底拱之间的混凝土层。

作为本发明技术方案的进一步改进，每个工字钢的前后两侧具有至少两个侧耳，且连接杆连接于每个工字钢与相邻工字钢相对一侧的侧耳之间。

作为本发明技术方案的进一步改进，每个工字钢与相邻工字钢相对一侧的侧耳交叉布置。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述混凝土层包括从下至上依次设置的泡沫混凝土层和普通混凝土层。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述泡沫混凝土层位于工字钢下表面至反底拱之间，普通混凝土层位于工字钢上方至工字钢下表面。

作为本发明技术方案的进一步改进，每个工字钢的两端嵌设于底板梁窝内，且每个工字钢的两端能够与底板梁窝顶部止位配合。

作为本发明技术方案的进一步改进，位于倒U型钢支架的柱脚处的弧形槽钢上表面相对的设置有柱脚卡板，倒U型钢支架的柱脚穿置于柱脚卡板内且与柱脚卡板通过螺栓连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述弧形槽钢两端的连接耳位于倒U型钢支架的柱脚外侧。

作为本发明技术方案的进一步改进，每个连接耳上预留有至少一个连接圆孔，连接耳的连接圆孔与工字钢之间通过螺栓相连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述工字钢两端分别具有工字钢底座。

本发明所述治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1）采用中空注浆锚索，可以实现底板深部和浅部同时注浆加固，固结破碎松散岩层，提高底板岩层的整体性，防止离层，使得中空注浆锚索与底板稳固的结合为一体。

2）底板采用拱形槽钢结合注浆中空注浆锚索，可以利用中空注浆锚索的锚固作用实现对拱形槽钢的反悬吊支护，将拱形槽钢与底板紧密结合为一体。

3）泡沫混凝土的回填能够实现有效让压，在面对底板出现的高地应力，除却转移之外的应力，另一部分被泡沫混凝土所吸收。

4）混凝土底板内拱形封闭结构中的拱形槽钢与工字钢构成基本支护骨架，一方面增强了系统抵抗围岩变形的能力，另一方面高地应力可以通过锚索从拱形槽钢传递至工字钢，再由工字钢传递至倒U型钢支架与相邻工字钢上，进一步实现力的转移与分散；此时拱形封闭结构与上封闭系统通过工字钢结合为一体，共同组成治理底臌的应力转移反悬吊组合支护系统。

5）以工字钢上、下全封闭支护系统为基本承载结构，不仅提供了较强的支护强度，而且利用各系统之间的刚性连接，在面对局部应力集中现象时实现应力转移；加之中空注浆锚索一端锚固在拱形槽钢上，利用另一端锚固在稳定岩层中达到了反悬吊的目的，当高地应力出现时，力会通过锚索传递并分散至整个系统；泡沫混凝土的回填可以实现让压的目的，普通混凝土起到阻隔水源防止软岩遇水泥化膨胀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构的示意图。

图2为本发明所述治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构的局部放大图。

图3为工字钢与弧形槽钢的连接示意图。

图4为工字钢沿煤矿巷道的布置示意图。

图5为弧形槽钢与相邻弧形槽钢之间的连接示意图。

图中：1、中空注浆锚索；2、底角锚杆；3、U型钢支架；4、背板；5、煤帮；6、工字钢；7、反底拱；8、拱形槽钢；9、泡沫混凝土；10、普通混凝土；11、底板梁窝；12、连接圆孔；13、拱形槽钢连接耳；14、柱脚卡槽；15、工字钢底座；16、钢带；17、连接杆；18、侧耳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至5所示，本发明提供了一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构的具体实施例，包括钢骨架结构以及混凝土结构；

所述钢骨架结构包括沿巷道延伸方向排布且与反底拱7支撑配合的若干弧形槽钢8，分别沿着弧形槽钢8两端水平延伸的连接耳13，固定搭设于弧形槽钢8两端连接耳13上的工字钢6，固定支撑于工字钢6两端上方的倒U型钢支架3；所述弧形槽钢8上具有三个锚索孔，每个锚索孔内均穿置固定有穿过反底拱7且与巷道底板固定连接的中空注浆锚索1，相邻工字钢6端部之间设有穿过反底拱7且与巷道底板固定连接的底角锚杆2，相邻工字钢6之间连接设有四个连接杆17，弧形槽钢8的中空注浆锚索1与相邻弧形槽钢8上的中空注浆锚索1之间连接设有钢带16；每个工字钢6的两端嵌设于底板梁窝11内，且每个工字钢6的两端能够与底板梁窝11顶部止位配合。

所述混凝土结构包括填充于工字钢6上方至反底拱7之间的混凝土层。如图2所示，所述混凝土层包括从下至上依次设置的泡沫混凝土层9和普通混凝土层10。

施工时，所述拱形槽钢8、工字钢6、中空注浆锚索1以及倒U型钢支架3在地面提前组装调试好，保证各连接处均能完好组合在一起，再拆分运至井下，并在井下按步骤进行操作安装。

本实施例进一步提供了倒U型钢支架3与工字钢6之间的一种连接方式，即位于倒U型钢支架3的柱脚处的弧形槽钢8上表面相对的设置有柱脚卡板14，倒U型钢支架3的柱脚穿置于柱脚卡板14内且与柱脚卡板14通过螺栓连接。具体实施时，倒U型钢支架3与工字钢6之间还可采用其他可拆卸连接的方式，或者采用焊接等固定连接方式。

具体的，在本实施例中，拱形槽钢8、工字钢6、中空注浆锚索1以及混凝土结构组成下封闭支护系统，倒U型钢支架3形成上封闭支护系统，连接杆17与侧耳18形成工字钢并排系统。

在完成反底拱7的超挖的同时预先掏好底板梁窝11（位于巷道的煤帮5内侧），巷道两侧相对底角补打底角锚杆2，排距为800mm；沿着反底拱7铺设拱形槽钢8，将中空注浆锚索1穿过拱形槽钢8上预留的圆孔，然后通过中空注浆锚索1对底板提前进行高压注浆加固，可以实现底板深部和浅部同时注浆加固，固结破碎松散岩层，提高底板岩层的整体性，防止离层，使得锚索与底板稳固的结合为一体，提高了底板整体性。

采用泡沫混凝土填充至拱形槽钢8的腰线处，保证反底拱7与拱形槽钢8之间无空隙，拱形槽钢8两端连接耳13上的连接圆孔12通过连接螺栓与工字钢6进行连接所形成的封闭反悬吊结构（下封闭支护系统），变被动支护为主动支护，保证能够稳定抵抗底板变形并实现底臌发生时一部分力以传递的方式转移至其他系统。底板采用拱形槽钢8结合中空注浆锚索1，可以利用中空注浆锚索1的锚固作用实现对拱形槽钢8的反悬吊支护，将拱形槽钢8与底板紧密结合为一体。另外，泡沫混凝土的回填能够实现有效让压，在面对底板出现的高地应力，除却转移之外的应力，另一部分被泡沫混凝土所吸收。

在本实施例中，同一个拱形槽钢8上相邻中空注浆锚索1的间距是1200mm，中空注浆锚索1和拱形槽钢8的排距均为1000mm。

在本实施例中，中空注浆锚索1对底板提前进行高压注浆加固时，弧形槽钢8的中空注浆锚索1与相邻弧形槽钢8上的中空注浆锚索1之间连接钢带16，所述钢带16位于弧形槽钢8的下方，且钢带16两端分别为相邻两个弧形槽钢8相对的中空注浆锚索1。泡沫混凝土填充反底拱7时，会将钢带16同时也埋设于混凝土内，完成了弧形槽钢8之间的相互连接，保证底板与下封闭支护系统之间形成稳定的连接系统，大幅度提高混凝土底板抗变形能力。

另外，中空注浆锚索1与弧形槽钢8预紧时，中空注浆锚索1托盘下面垫楔形木，增加托盘与拱形槽钢8有效接触面积，为中空注浆锚索1施加预紧力提供一定空间。

在完成封闭反悬吊结构后，将倒U型钢支架3的柱脚与弧形槽钢8上表面的柱脚卡板14通过螺栓连接方式连接，即螺栓依次穿过一侧柱脚卡板14、倒U型钢支架3的柱脚、另外一侧柱脚卡板14然后与螺母连接，形成了上封闭支护系统。所述上封闭支架系统是通过将倒U型钢支架3与工字钢6进行连接从而形成的一个上部封闭整体结构，对于围岩变形的控制具有积极作用。

在完成封闭反悬吊结构的同时，工字钢6之间通过连接杆17相连接。具体的，任意两个相邻的工字钢6中，其中一个工字钢6的前后两侧具有两个侧耳18，另外一个工字钢6的前后两侧具有三个侧耳18，两个工字钢6相对一侧的侧耳18交叉布置，如图4所示。连接杆17连接于每个工字钢6与相邻工字钢6相对一侧的侧耳18之间。如图所示，同一个侧耳18分别与相对工字钢6上的两个相邻侧耳18之间通过连接杆17相连接。连接杆17沿巷道轴线方向横断面呈三角形布置，这样实现了相邻工字钢6之间的横向连接，保证承载结构的稳定性以及实现工字钢上的集中应力通过连接杆进行转移。具体应用时，同一个工字钢6的前后两侧的侧耳18在一一相对。在本实施例中，所述连接杆17的两端以及侧耳18上均预留有圆孔，连接杆17通过穿置于圆孔上的螺栓与侧耳18相连接。

所述泡沫混凝土层9位于工字钢6下表面至反底拱7之间，普通混凝土层10位于工字钢6上方至工字钢6下表面。具体应用时，在完成上封闭支护系统和工字钢6的横向连接后，继续回填泡沫混凝土至工字钢6下表面，形成泡沫混凝土层9。待泡沫混凝土凝固之后继续回填普通混凝土至柱脚卡板14上表面50mm处，形成普通混凝土层10。这样能确保工字钢6被普通混凝土完全覆盖。在本实施例中，泡沫混凝土能够实现有效让压，吸收底臌发生时的一部分能量，普通混凝土保证底板表面平整。具体应用时，本实施例所采用的普通混凝土的强度C30。

如图1所示，在形成泡沫混凝土层9和普通混凝土层10时，一部分泡沫混凝土和普通混凝土填充至底板梁窝11内，将工字钢6的两端稳定的固定于底板梁窝11内，当底臌发生时，可将一部分力向煤壁与煤柱的转移。

具体的，本实施例中的工字钢6两端分别具有工字钢底座15，工字钢底座15嵌设于底板梁窝11内。这样一方面能够固定工字钢6，另一方面工字钢底座15具有较大的接触面积可以实现工字钢6与底板岩层的充分接触，并通过工字钢底座15实现力向煤壁与煤柱的转移。

如图3所示，所述弧形槽钢8两端的连接耳13位于倒U型钢支架3的柱脚外侧。这样能够便于倒U型钢支架3和连接耳13安装于弧形槽钢8上。具体的，所述连接耳13位于底板梁窝11内侧边缘，便于连接耳13搭置于底板梁窝11处。

在本实施例中，所述反底拱7的弧度与拱形槽钢8相适配。另外，所述工字钢6两端应延伸250mm长度进入煤帮5两侧预先掏好底板梁窝11内（岩层两侧）。

如图1所示，在完成本实施例中的支护结构后，在倒U型钢支架3与煤帮5之间设置填充背板4，保证了倒U型钢支架3与煤帮5及顶板充分接触，将两帮及顶板的压力传递至反悬吊组合支护结构上，减少变形。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，包括钢骨架结构以及混凝土结构；

所述钢骨架结构包括沿巷道延伸方向排布且与反底拱（7）支撑配合的若干弧形槽钢（8），分别沿着弧形槽钢（8）两端水平延伸的连接耳（13），固定搭设于弧形槽钢（8）两端连接耳（13）上的工字钢（6），固定支撑于工字钢（6）两端上方的倒U型钢支架（3）；所述弧形槽钢（8）上具有至少一个锚索孔，每个锚索孔内均穿置固定有穿过反底拱（7）且与巷道底板固定连接的中空注浆锚索（1），相邻工字钢（6）端部之间设有穿过反底拱（7）且与巷道底板固定连接的底角锚杆（2），相邻工字钢（6）之间连接设有至少一个连接杆（17），弧形槽钢（8）的中空注浆锚索（1）与相邻弧形槽钢（8）上的中空注浆锚索（1）之间连接设有钢带（16）；

所述混凝土结构包括填充于工字钢（6）上方至反底拱（7）之间的混凝土层。

2.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，每个工字钢（6）的前后两侧具有至少两个侧耳（18），且连接杆（17）连接于每个工字钢（6）与相邻工字钢（6）相对一侧的侧耳（18）之间。

3.根据权利要求2所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，每个工字钢（6）与相邻工字钢（6）相对一侧的侧耳（18）交叉布置。

4.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，所述混凝土层包括从下至上依次设置的泡沫混凝土层（9）和普通混凝土层（10）。

5.根据权利要求4所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，所述泡沫混凝土层（9）位于工字钢（6）下表面至反底拱（7）之间，普通混凝土层（10）位于工字钢（6）上方至工字钢（6）下表面。

6.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，每个工字钢（6）的两端嵌设于底板梁窝（11）内，且每个工字钢（6）的两端能够与底板梁窝（11）顶部止位配合。

7.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，位于倒U型钢支架（3）的柱脚处的弧形槽钢（8）上表面相对的设置有柱脚卡板（14），倒U型钢支架（3）的柱脚穿置于柱脚卡板（14）内且与柱脚卡板（14）通过螺栓连接。

8.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，所述弧形槽钢（8）两端的连接耳（13）位于倒U型钢支架（3）的柱脚外侧。

9.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，每个连接耳（13）上预留有至少一个连接圆孔（19），连接耳（13）的连接圆孔（19）与工字钢（6）之间通过螺栓相连接。

10.根据权利要求1所述的一种治理煤矿巷道底臌的应力转移反悬吊组合支护结构，其特征在于，所述工字钢（6）两端分别具有工字钢底座（15）。

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