深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法技术

本发明专利技术公开一种深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，包括锚杆、锚索、U型钢支架、均匀卸压层、反底拱和支撑立柱。锚杆和锚索首先打入围岩内部，随后架设U型钢支架，在U型钢支架和巷道围岩之间布置均匀卸压层，均匀卸压层包括聚酯纤维网、充填体和钢筋网。若巷道所处围岩较为破碎，可增加围岩注浆设备，若巷道出现底臌现象，可增加反底拱，若巷道拱顶和两帮的地压强烈并伴有较大变形，可增加支撑立柱。本发明专利技术在常用U型钢支护结构的基础上增加了均匀卸压层，通过其卸压作用，提高了支护结构的初撑力，并有较大的变形缓冲能力，同时提供多种可选措施，既适应不同地层情况，又节约成本，经济效应显著。

U type steel composite support structure for deep dynamic pressure soft rock roadway and construction method thereof

The invention discloses a U type steel composite support structure for a deep dynamic pressure soft rock roadway and a construction method thereof, which comprises an anchor rod, a anchor rope, a U steel support, a uniform pressure relief layer, an anti bottom arch and a support column. The anchor bolt and anchor cable are firstly injected into the surrounding rock, and then U steel support is erected. A uniform pressure relief layer is arranged between the U steel support and the surrounding rock of the tunnel, and the uniform pressure relief layer comprises a polyester fiber net, a filling body and a reinforcing steel net. If the roadway surrounding rock is broken, can increase the grouting equipment, if the roadway floor heave phenomenon appears, can increase the inverted arch, if the tunnel vaults and ground pressure two strong and help with large deformation, can increase the support column. The invention is based on commonly used U type steel support structure on the uniform pressure relief layer, through the pressure relief effect, improve the supporting structure of the initial support force, and the deformation of the buffer capacity larger, while providing a variety of optional measures, both to adapt to the different stratum, and cost saving, economic effect.

【技术实现步骤摘要】
深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法
本专利技术属于软岩巷道支护领域，具体涉及一种深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法。
技术介绍
当前，矿井开采深度日益增加，“三高一扰动”即高地压、高渗透、高地温和开采扰动日益严重，面对越来越多的深部动压软岩巷道，其支护难题愈发突出。软岩系指强度低、孔隙率大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量易膨胀黏土矿物的松、散、软、弱岩层。软岩巷道难以支护的原因在于：一、围岩变形具有明显的时间效应，表现为初始变形速度很大，变形趋向稳定后仍以较大速度产生流变，且持续时间很长，有时长达数年之久；二、围岩变形具有明显的空间效应，表现在围岩变形和稳定状态受到巷道所处深度的影响严重，且比坚硬岩层影响程度大的多；三、软岩巷道的变形量，不仅顶板下沉量大，容易冒落，且底板也强烈膨胀，并常伴随两帮的剧烈位移，尤其是含有黏土的岩层，易浸水崩解和泥化引起底臌；四、应力扰动和环境变化，巷道常受到邻近开掘或修复巷道，水的浸蚀，支架折损失效，爆破振动以及采动影响。现有技术中，形成了锚喷、锚网喷、锚注、预应力锚索、锚杆、钢筋支架、钢管混凝土支护等一系列支护措施，而U型钢支架支护，其抗拉、抗压强度均较高，具有良好的韧性、支撑力和支护强度，特别在深部松软岩层应用广泛。但随着支护难度渐大，传统的U型钢支架逐渐不能适应深部矿井的需要，其缺陷主要体现在：U型钢与围岩间的架后空隙，造成支架不能及时发挥支护作用控制围岩变形；U型钢支架是由多块U型钢经卡缆连接而成，结构内主要依靠U型钢之间重合面上的摩擦力以及连接卡缆通过螺栓所提供的接触面正压力传递和发挥承载力，只有在围岩发生一段变形，并产生足够的摩擦力后，才能发挥承载作用，不能对围岩施加初撑力，以控制围岩变形。申请号为200810004403.8的中国专利，可缩刚性间转换的U型钢支架搭接段连接方法，实现了支架初期具有让压变形的可缩性，后期转换为不可缩性的刚性支架；又如申请号为201310432028.8的中国专利，可主动控制围岩变形的U型钢支架，通过液压千斤顶和液压支柱，以对巷道围岩施加初撑力，并可根据围岩变形灵活调整支架支撑力的大小和方向；再如申请号为201410151168.2的中国专利，带反底拱连锁装置的U型钢刚性连接支架及其施工方法，将顶架、帮腿、反底拱及底脚U型钢刚性连接，以形成全封闭支护结构。上述技术皆是在U型钢支架的结构上作出的改进，本专利技术针对现有技术手段中，常与注浆、锚杆、混凝土喷层相结合的现状，提供一种复合支护结构，既在支护初期有柔性卸压能力，又能在围岩变形稳定后期提供强力的刚性支护，刚柔并济，很好地控制深部动压软岩巷道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种适合于深部动压软岩巷道的U型钢复合支护结构及其施工方法，该种支护结构，既在支护初期有柔性卸压能力，又能在围岩变形稳定后期提供强力的刚性支护，刚柔并济。为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构，包括锚杆、锚索、U型钢支架、均匀卸压层，反底拱和支撑立柱，所述锚杆和锚索首先打入巷道围岩内部，随后架设所述U型钢支架，在所述U型钢支架和巷道围岩之间设置所述均匀卸压层，若巷道所处围岩较为破碎，可增加采用围岩注浆设备，若巷道出现底臌现象，可增加采用反底拱，若巷道拱顶和两帮的地压强烈并伴有较大变形，可增加采用支撑立柱。进一步的，所述U型钢支架为直墙半圆拱形，由多个U型钢通过卡缆连接而成，每两架所述U型钢支架通过连接钢杆和螺栓连接加固，所述U型钢的型号为U21、U25，U29、U36或U44型。进一步的，所述均匀卸压层包括聚酯纤维网、充填体和钢筋网，所述聚酯纤维网由聚酯纤维丝编织而成，所述充填体为装有矸石、煤矸石或低强度废旧混凝土块的编织袋，厚度为100-800mm，所述矸石、煤矸石或低强度废旧混凝土块的直径R≤50mm，所述低强度废旧混凝土块的强度低于C15。进一步的，所述深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构，若巷道所处围岩较为破碎，可增加采用围岩注浆设备，所述围岩注浆设备包括多根中空注浆锚杆和中空注浆锚索，注入的浆材为水泥浆或黏土水泥浆，以充填密实围岩裂隙，形成注浆层，加固、发挥围岩自主承载力。进一步的，所述深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构，若巷道出现底臌现象，可增加采用反底拱，所述反底拱包括格构式钢筋网反底拱、缓冲层和锚杆，所述格构式钢筋网反底拱是由钢筋焊接而成的三维格构式网架，所述缓冲层为矸石、煤矸石或强度等级为C15-C30混凝土。进一步的，所述深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构，若巷道拱顶和两帮的地压强烈并伴有较大变形，可增加采用支撑立柱，所述支撑立柱为木质立柱或钢管混凝土立柱，可以为直立立柱、“Y”形立柱或“T”形立柱。深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构，包括如下施工步骤：A)根据巷道设计断面形状及尺寸开挖巷道，并在巷道断面喷射50mm厚混凝土找平层，设计强度不低于C20，以封闭围岩并防止围岩吸水膨胀、风化和表面危岩垮落，减少巷道表面的凹凸差；B)待混凝土找平层初凝后，采用所述锚杆和锚索打入围岩内部并露出，通过托盘和螺帽固定，以起到悬吊、加固围岩的作用；C)架设所述U型钢支架，在所述U型钢支架和所述混凝土找平层之间预留一定的变形量，厚度为100-800mm，其间布置所述均匀卸压层，首先布置所述聚酯纤维网，随后架设所述U型钢支架，再布置所述充填体，最后铺设所述钢筋网，用以防止所述充填体和危岩掉落，施工完成后，监测巷道围岩的变形量；D)待均匀卸压层产生一定的变形，达到预留变形量的70％，巷道围岩趋于稳定后，喷射混凝土喷层覆盖所述U型钢支架以封闭整个巷道，完成支护，以起到封闭围岩，保护U型钢支架的作用；E)若巷道所处围岩较为破碎，可增加采用围岩注浆设备，在步骤B)中增加布置多根所述中空注浆锚杆和中空注浆锚索，并在巷道开挖后即进行注浆施工，注入的浆材为水泥浆或黏土水泥浆，以充填密实围岩裂隙，形成围岩加固圈，发挥围岩自主承载力；F)若巷道出现底臌现象，可增加采用所述反底拱，首先由巷道地坪向下超挖500-600mm，随后向巷道底板打锚杆并通过托盘和螺帽固定，铺设格构式钢筋网反底拱，设置所述缓冲层，最后浇筑混凝土地坪；G)若巷道拱顶和两帮的地压强烈并伴有较大变形，可增加采用所述支撑立柱。本专利技术与现有技术相比，具有的优点和效果为：(1)本专利技术符合“先让后抗”的支护思想，首先，通过锚杆、锚索、均匀卸压层等主动支护，完成围岩让压，释放围岩压力和变形，待稳定后，依靠U型钢支架和喷射混凝土，形成永久支护，符合深井巷道围岩的变形规律。(2)本专利技术基于常用的U型钢支护，即锚杆、锚索、U型钢和钢筋网支护措施，增加了均匀卸压层，能够将围岩地压很好地、均匀地分布于整个支护体系，避免强烈的应力集中而造成支护结构的局部损坏。聚酯纤维网的作用：其重量轻、柔软、不易老化、埋压后性能不变，网片为互相垂直的筋和肋，在纵横两个方向上都有较高的承载力，具有柔性和卸压作用，将围压均匀卸荷于充填体之上；充填体的作用：①连接U型钢支架与围岩，在支护初期产生初衬力；②使U型钢支架承受均匀围压；③强度低，在来压后可产生较大的变形，为U型钢支架提供一定的缓冲空间；④有效利本文档来自技高网...

【技术保护点】
深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，其特征在于，包括锚杆(31)、锚索(32)、U型钢支架(5)、均匀卸压层、反底拱和支撑立柱，所述锚杆(31)和锚索(32)首先打入围岩内部，随后架设所述U型钢支架(5)，在所述U型钢支架(5)和巷道(1)围岩中间设置所述均匀卸压层，若巷道(1)所处围岩较为破碎，可增加采用围岩注浆设备，若巷道(1)出现底臌现象，可增加采用反底拱，若巷道(1)拱顶和两帮的地压强烈并伴有较大变形，可增加采用支撑立柱。

【技术特征摘要】
1.深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，其特征在于，包括锚杆(31)、锚索(32)、U型钢支架(5)、均匀卸压层、反底拱和支撑立柱，所述锚杆(31)和锚索(32)首先打入围岩内部，随后架设所述U型钢支架(5)，在所述U型钢支架(5)和巷道(1)围岩中间设置所述均匀卸压层，若巷道(1)所处围岩较为破碎，可增加采用围岩注浆设备，若巷道(1)出现底臌现象，可增加采用反底拱，若巷道(1)拱顶和两帮的地压强烈并伴有较大变形，可增加采用支撑立柱。2.根据权利要求1所述的深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，其特征在于，所述U型钢支架(5)为直墙半圆拱形，由多个U型钢(51)通过卡缆(52)连接而成，每两架所述U型钢支架(5)通过钢杆(53)和螺栓(54)连接加固，所述U型钢(51)的型号为U21、U25，U29、U36或U44型。3.根据权利要求1所述的深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，其特征在于，所述均匀卸压层包括聚酯纤维网(41)、充填体(42)和钢筋网(43)，所述聚酯纤维网(41)由聚酯纤维丝编织而成，所述充填体(42)为装有矸石、煤矸石或低强度废旧混凝土块的编织袋，厚度为100-800mm，所述矸石、煤矸石或低强度废旧混凝土块的直径R≤50mm，所述低强度废旧混凝土块的强度低于C15。4.根据权利要求1所述的深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，其特征在于，若巷道(1)所处围岩较为破碎，可增加采用围岩注浆设备，所述围岩注浆设备包括多根中空注浆锚杆(35)和中空注浆锚索(36)，注入的浆材为水泥浆材或黏土水泥浆。5.根据权利要求1所述的深部动压软岩巷道U型钢复合支护结构及其施工方法，其特征在于，若巷道(1)出现底臌现象，可增加采用反底拱，所述反底拱包括格构式钢筋网反底拱(71)、缓冲层(72)和锚杆(31)，所述格构式钢筋网反底拱(71)是由钢筋焊接而成的三维格构式网架，所述缓冲层...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚韦靖，庞建勇，徐敏，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34