一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术制造技术

本发明专利技术提供一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术，属于矿井支护技术领域。该技术具体为：在巷道开挖掘进过程中，将锚网和锚杆(锚索)安装在巷道顶部及两帮，其中巷道顶部的锚网和锚杆(锚索)之间通过预应力板加以连接；然后对吸能螺纹锚杆和注浆锚索施加高预紧力，随后喷射素(或钢纤维)混凝土，在顶角和两帮分别用M型钢带固定吸能螺纹锚杆。该技术提高了巷道顶部及两帮的抗拉强度、抗弯强度及刚度，并能够承受更大的围岩变形，抵抗岩体内部破裂与岩爆等冲击荷载作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿井支护
，特别是指一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术。
技术介绍
经济高速持续发展与国家安全战略离不开矿产资源的开发，随着浅部资源的不断消耗，地下矿山陆续转入深部开采。深部开采工程岩体处于高应力、高岩温、高渗透水压力和开采扰动(即“三高一扰动”)的复杂地质与力学环境下，其巷道与硐室围岩呈现出明显区别于浅部弹性变形、脆性破坏的脆-延性大变形、及延性层裂、离层劈裂、脆性剥落、岩块弹射与区段岩爆等一系列新的动力灾害现象，致灾机理复杂，稳定性难以控制。刚柔耦合吸能支护技术可以有效地缓冲和吸收巷道围岩体破坏时所释放的巨大能量，提高巷道整体稳定性，对保护人员的生命安全和工程设施的生产安全具有十分重要的意义。目前，我国地下开采巷道支护方式主要有锚杆(索)支护、锚网支护、注浆锚索和锚杆联合支护、棚式支护等。其中，锚杆支护主要是通过施加预紧力以达到阻止围岩裂隙扩展，提高围岩强度和巷道稳定性的目的；因其施工简便、价格低廉、应用范围广等特点而较为常用。然而，深部岩体在长期的地质构造运动中积蓄了大量的能量，而爆破、开挖等工程活动则会引起局部区域高应变能突然集聚，并在巷道顶部、肩部及底部等形成高应力集中区域，从而造成巷道的失稳破坏；采用刚柔耦合吸能支护技术，可以有效地转移和扩散应力集中区域的高应力，使巷道塑性区围岩应力场和位移场得到均匀分布，从而提高了围岩体内部破裂及岩爆等冲击荷载作用下的巷道安全性能。
技术实现思路
本专利技术针对巷道在深部岩体破裂及岩爆等冲击荷载作用下的能量与应力集中及位移变形等问题，提供一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术。该技术具体为：在巷道开挖掘进过程中，将锚网和锚杆、锚索安装在巷道顶部及两帮，其中巷道顶部的锚网和锚杆、锚索之间通过预应力板加以连接；然后对锚杆和锚索施加高预紧力，预应力板使高预紧力分布趋向均匀，提高支护系统的整体性；随后喷射素或钢纤维混凝土，在巷道顶角和两帮分别用M型钢带固定锚杆。通过高强度锚网、预应力板、锚杆、锚索、混凝土及M型钢带共同作为吸能支护系统形成的综合钢筋混凝土结构来提高巷道顶部及两帮的抗拉强度、抗弯强度及刚度，并承受更大的围岩变形，抵抗岩体内部破裂与岩爆等冲击荷载作用。其中，锚索为注浆锚索，锚网为菱形金属网，锚杆为螺纹吸能锚杆，当锚杆打入围岩之后，锚杆与围岩形成一个共同承载结构，其螺纹设计可以使岩体在受到冲击荷载时通过螺纹自身的拉伸变形吸收一部分能量。预应力板由三段弧形板和水平板交替连接组成，水平板中间设有锚杆及锚索通孔，预应力板两端为端部平板，预应力板中间为中间平板，端部平板长度大于中间平板的长度。预应力板为热轧钢板，三段弧形板两端圆弧的弧长根据现场情况可设计为350～450mm，中间圆弧的弧长可设计为700～1000mm；预应力板宽度可设计为200～300mm，端部平板与中间平板的长度分别为250mm和200mm。三段弧形板两端圆弧的弧长较短而半径较大，中间圆弧的弧长较大而半径较小。锚网由8#铁丝轧制而成，网孔为35×35mm，具有良好的弹性张拉性能，当巷道发生垮塌、冒落或片帮等岩体失稳现象时，能起到一定的泄压缓冲和网兜吸能的作用。M型钢带本身具有一定的刚度和良好的柔度，能在岩体内部破裂及岩爆等冲击荷载作用下吸收一部分冲击能量，从而起到一定的缓冲吸能作用。本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：本专利技术先通过吸能锚杆和注浆锚索向岩体内部空隙处注射水泥砂浆，从而将锚杆(锚索)钻孔周围碎裂岩体胶结在一起；然后沿内壁贴紧铺设高强度菱形金属网，之后喷射素(钢纤维)混凝土，当混凝土层恰好覆盖菱形金属网时停止喷射。在巷道顶部和两帮压入三段预应力钢板，然后向三段预应力钢板孔中的螺纹锚杆和注浆锚索施加预紧力，从而改善了围岩的应力分布状态，提高了围岩的整体性，以起到良好的吸能支护效果。与普通混凝土喷层相比，该方案大大提高了结构的抗拉强度、抗弯强度及刚度，能承受更大的围岩变形与开裂，并能吸收一定的冲击能量与荷载。巷道两帮的顶角处往往是应力集中的区域和裂纹裂隙的多发地带，在此处，先打入螺纹吸能锚杆，然后再铺设预应力钢板，再用横、纵向M型钢带进行顶角补强，由于钢带本身也具有一定的刚度和适当的柔度，从而使得螺纹吸能锚杆、预应力钢板和M型钢带形成了一个更好的吸能结构。当巷道顶板及两帮受到冲击荷载时，围岩本身吸收了一部分能量，同时由吸能锚杆、预应力板和M型钢带组成的刚柔耦合结构吸收一部分能量，最后由菱形金属网吸收剩余能量，以起到吸能缓冲的作用。本专利技术可以更大程度地提高围岩的稳定性，吸收岩体内部破裂及岩爆等冲击荷载作用，起到安全防护的效果。附图说明图1为本专利技术的立体结构示意图；图2为本专利技术的横截面结构示意图；图3为本专利技术的预应力板俯视图；图4为本专利技术的预应力板剖面图。其中:1—锚索；2—锚网；3—锚杆；4—M型钢带；5—预应力板；6—端部平板；7—中间平板；8—三段弧形板；9—锚杆及锚索通孔。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术针对现有的巷道在深部岩体破裂及岩爆等冲击荷载作用下的能量与应力集中及位移变形等问题，提供一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术。如图1～图4所示，本专利技术所述的预应力板5由依次间隔连接的三段弧形板8和水平板组成，个数可根据巷道或硐室大小进行调整；所述预应力板5的两端设有端部平板6，预应力板5中间为中间平板7，端部平板6与中间平板7设有锚索及锚杆通孔9。本专利技术中所述预应力板5的宽度B为200～300mm，根据巷道尺寸选取，中间平板7的长度L4为200mm，端部平板6的长度L1为250mm。如图4所示，根据现场情况，本专利技术中所述三段弧形板8具体尺寸可设计为：弧形板两端圆弧的弧长L2为350～450mm，圆弧半径R1为2200～2900mm，对应圆弧角度θ1为8～10°；中间圆弧的弧长L3为700～1000mm，圆弧半径R2为1300～1900mm，圆弧角度θ2为25～35°；并且1/2≤R2/R1≤2/3。锚杆及锚索通孔9位于端部平板6和中间平板7的正中间位置，直径根据实际锚杆、锚索选取。锚索1为注浆锚索，锚网2为菱形金属网，由8#铁丝轧制而成，网孔为35×35mm。锚杆3为螺纹吸能锚杆。本专利技术所述三段弧形板8和水平板由热轧钢板分五段弯压制成，采用热轧钢板便于提高预应力板的支撑强度。水泥砂浆配制：将水和425#普通硅酸盐水泥按照重量0.3:1～0.7:1的比例进行混合配比，然后加入高效减水剂，重量约为水泥用量的1.2％～2.4％。安装：以河南省三门峡市灵宝地区某金矿深部开采为例，巷道宽4m，预应力板5的宽度B选取为250mm，三段弧形板两端圆弧的弧长L2为400mm，圆弧半径R1为2600mm，对应圆弧角度θ1为9°；中间圆弧的弧长L3为840mm，R2为1600mm，对应圆弧角度θ2为30°。首先，根据巷道岩性和支护要求，确定适当的巷道布置位置。用架柱式钻机对巷道围岩进行钻孔施工，并将注浆锚索1沿钻孔打入，打入部位为巷道顶部，钻孔直径32mm，孔深度5600mm，出露长度180mm。锚杆3则主要安装在巷道的顶板、两帮和底脚处，钻孔直径32mm，其中顶部和两帮孔深2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术，其特征在于：在巷道开挖掘进过程中，将锚网(2)和锚杆(3)、锚索(1)安装在巷道顶部及两帮，其中巷道顶部的锚网(2)和锚杆(3)、锚索(1)之间通过预应力板(5)加以连接；然后对锚杆(3)和锚索(1)施加高预紧力，预应力板(5)使高预紧力分布趋向均匀，提高支护系统的整体性；随后喷射素或钢纤维混凝土，在巷道顶角和两帮分别用M型钢带(4)固定锚杆(3)。

【技术特征摘要】
1.一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术，其特征在于：在巷道开挖掘进过程中，将锚网(2)和锚杆(3)、锚索(1)安装在巷道顶部及两帮，其中巷道顶部的锚网(2)和锚杆(3)、锚索(1)之间通过预应力板(5)加以连接；然后对锚杆(3)和锚索(1)施加高预紧力，预应力板(5)使高预紧力分布趋向均匀，提高支护系统的整体性；随后喷射素或钢纤维混凝土，在巷道顶角和两帮分别用M型钢带(4)固定锚杆(3)。2.根据权利要求1所述的适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术，其特征在于：所述锚索(1)为注浆锚索，锚网(2)为菱形金属网，锚杆(3)为螺纹吸能锚杆。3.根据权利要求1所述的适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术，其特征在于：所述预应力板(5)由三段弧形板(8)和水平板交替连接组成，水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗胜军，梁明纯，王浩，郝欣，郭向阳，孔长青，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11