CN112324478A - 一种巷道u型支架装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巷道U型支架装置及方法。包括支架拱顶U型钢，支架拱顶U型钢两端通过连接卡缆固定连接有支架腿部U型钢，支架腿部U型钢底部设置有支架腿部膨胀装置；支架腿部膨胀装置包括下部内套筒、上部外套筒、束状复合膨胀材料药卷和填充河沙；上部外套筒套设于下部内套筒外部，下部内套筒内设置有束状复合膨胀材料药卷，束状复合膨胀材料药卷顶部及底部设置有填充河沙。本发明能够有效改善U型支架整体受力状态，并能够对围岩提供载荷可控初始支撑力，具有与围岩变形相适应功能，柱腿结构抗弯性能好、柱腿强度较高、结构简单、成本较低、施工工艺简单、不影响巷道断面利用率。

Description

一种巷道U型支架装置及方法

技术领域

本发明属于地下矿山巷道与岩土工程隧道支护技术领域，特别是涉及一种巷道U型支架装置及方法。

背景技术

随着我国越来越多的地下矿山进入深部开采，以及大量深部岩土工程的实施，深部的高应力环境对支护工艺提出了更高的要求。U型钢可缩性支架由于具有承载能力强、可缩让压支护等优点，目前在国内外矿山巷道、铁路隧道及其他地下岩土工程隧道的支护中得到了广泛应用，其适用范围也逐渐从软岩巷道扩展至硬岩巷道。由于工程情况的复杂多样性，在工程实际应用中，常常出现如下问题：

一、实际支护能力远远低于理论支护能力：支架所承受的载荷尚未达到其承载极限载荷时，就发生结构破坏进而导致支护失效。相关研究人员经大量工程案例统计和分析发现，引起这一现象的主要原因在于：由于超挖和欠挖的存在，巷道开挖后架设支架与围岩之间存在较多较大的空隙，接顶效果差，支架与围岩彼此间多呈现随机的点、线接触，使得支架整体在围岩变形来压后受力不均，在局部载荷与偏心载荷作用下造成支架结构中应力集中进而导致支架提前破坏。

二、被动支护限制其承载性能发挥：U型钢可缩性支架架设后与巷道围岩呈接触状态，但并未对围岩产生任何主动支撑力，而是被动等待围岩发生变形挤压支架后，才开始发挥其承载作用，属于典型的“被动支护”，无法有效控制围岩早期变形，限制了围岩自身承载性能的充分发挥。

三、支架腿部陷入底板：该问题在软岩巷道中较为明显，尤其是底板强度较低的工程中，由于支架架设后腿部与底板接触面积较小，当支架承受来自围岩变形产生的载荷时，其腿部与底板接触部位产生的应力大于底板强度，就会发生支架腿部陷入底板的现象，进而引起围岩变形过大导致支护失效。

对上述在工程应用中出现的问题，人们有针对性的提出了不同的解决方案：

如发明专利(CN102926766A)公开了一种能够壁后充填的U型棚，在巷道中架设支架后，首先对巷道表面进行喷浆，密封U型棚与围岩表面等缝隙，然后利用专门留设的注浆管对壁后空腔进行注浆充填，改善接触面积和结构受力，提高支护性能；如发明专利(CN105649657A)公开了一种具有柔性稳结支撑装置的U型钢支架，能够对巷道某一位置的小面积局部高应力来压进行横向转移和能量吸收，从而提高整体结构支撑能力和稳定性；这类方法在调节支架受力状态、改善载荷分布方面取得了一定效果，但未实现支架对围岩的主动支撑，仍属于被动支护。

如实用新型专利(CN202718680U)公开了一种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护***，利用带有螺杆调节功能的刚性围岩应力耦合器架设于支架和围岩之间，并施加一定大小的初撑力，将围岩与支架间不规则点接触转变为均布点接触，改善支架受力状态；如发明专利(CN107060806A)公开了一种可主动稳固围岩的U型钢支架，在支架与围岩间隙之间设置弹性充填体，利用穿过支架和弹性体的锚杆将支架和弹性体固定在巷道壁，并给围岩施加一定的初撑力，改善支架支护性能。这类方法在调节支架与围岩接触情况的同时，其产生的主动初撑力在一定程度上提高了支护***的整体性和围岩的自承能力，但存在初撑力较低、施工工艺复杂、成本较高等缺点。

如发明专利(CN103470279A)公开了一种可主动控制围岩变形的U型钢支架，在U型钢支架内部空间架设液压千斤顶和单体液压支柱，支撑支架对围岩施加较大的初撑力，改善支架受力状态并实现主动支护。但该方法采用的液压设备价格高使得支护成本大幅提高，架设在支架内部的液压设备占据大量空间，使得巷道可利用断面面积大幅缩小，不利于井下设备人员通过。

对于支架腿部陷入底板的问题，最有效的方法是在支架腿部焊接一块具有一定厚度的钢板，用于增大支架腿部与底板的接触面积，考虑到钢板应均匀受力，支架腿部通常焊接在钢板中央，势必造成支架腿部与巷道两帮围岩之间存在较大间隙，影响支架对两帮围岩变形的控制。

上述方案中，大多数采用改善支架受力状态的方法来提高U型钢支架的承载性能，仍然属于被动支护，未能发挥主动支护的优势；在具有主动支护特性的方案中，则以工艺复杂、成本高或者是牺牲巷道断面利用率为代价，从经济与可行性方面考虑，并不具有优势；上述方案在进行U型钢支架主动支护时，并未充分考虑围岩的基本力学性质，以及围岩、支架和主动支撑力之间的关系，无法达到良好的支护效果。

发明内容

针对现有U型钢支架在巷道支护工程中存在的问题，本发明提供一种以围岩基本力学性质和地应力分布规律为依据，能够有效改善U型支架整体受力状态，并能够对围岩提供载荷可控初始支撑力，具有与围岩变形相适应功能，柱腿结构抗弯性能好、柱腿强度较高、结构简单、成本较低、施工工艺简单、不影响巷道断面利用率的一种巷道U型支架装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种巷道U型支架装置及方法，包括支架拱顶U型钢，所述支架拱顶U型钢两端通过连接卡缆固定连接有支架腿部U型钢，所述支架腿部U型钢底部设置有支架腿部膨胀装置；所述支架腿部膨胀装置包括下部内套筒、上部外套筒、束状复合膨胀材料药卷和填充河沙；所述上部外套筒套设于下部内套筒外部，所述下部内套筒内设置有束状复合膨胀材料药卷，所述束状复合膨胀材料药卷顶部及底部设置有填充河沙。

所述下部内套筒由外径121mm、内径109mm、壁厚6mm的无缝钢管制成，钢管长度为500mm，一端开口，另一端焊接有尺寸为125mm×200mm、厚度6mm的钢板作为底座，使钢管一端封闭；钢板四角分别设有直径20mm的开孔，在支架安装过程中，采用膨胀螺栓将支架腿部膨胀装置牢牢固定在巷道底板上；在钢板与钢管焊接处上方20mm处，钢管外壁上均匀钻有直径3mm的4个泄水排气孔，用于束状复合膨胀材料药卷水化反应前泄水和反应中排气；钢管外壁套有宽度为10mm的弹性橡胶圈，当钢管内束状复合膨胀材料药卷浸泡吸水阶段时，将其套在泄水排气孔外侧进行封堵，浸泡吸水完成后，将其移至钢管其他部位便于泄水排气。

所述上部外套筒结构与下部内套筒类似，由外径133mm、内径122mm、壁厚5.5mm的无缝钢管制成，钢管长度为450mm，一端开口，另一端焊接有尺寸140mm×140mm、厚度6mm的钢板对钢管进行封闭；位于钢管内部区域的钢板上开有直径22mm的注水孔，钢板上朝向钢管内部空间一侧焊接有M22的螺母，螺母开口中心与注水孔中心位于同一轴线，注水完成后采用M22的螺栓拧入焊有螺母的注水孔中，实现对套筒内复合膨胀材料水化产物的密封。

所述上部外套筒内径大于下部内套筒外径1mm，使得两个套筒内外壁之间留有0.5mm的间隙，形成间隙配合；上部外套筒与下部内套筒开口端相对***，共同组成支架腿部膨胀装置主体结构。

所述束状复合膨胀材料药卷为7支呈圆筒状的复合膨胀材料药卷捆绑为一体的束状体，束状体长度为200mm，其外接圆直径约为105mm，可整体放入下部内套筒的内部空间中；复合膨胀材料药卷之间有一定空隙；所述复合膨胀材料药卷呈圆筒状，单体直径为35mm，长度200mm，由松散状的复合膨胀材料在特定的模具中经压缩成型、脱模和包装而成，包装采用韧性好、透水性佳的纸质材料；复合膨胀材料药卷吸收一定水分后与水反应体积膨胀，在下部内套筒与上部外套筒的约束下发生沿钢管方向的定向膨胀，是本发明中支架与围岩主动接顶并产生较大主动初始支撑力的动力来源。

所述填充河沙为常规建筑用河沙，其主要功能为填充束状复合膨胀材料药卷与下部内套筒之间的间隙，填充束状复合膨胀材料药卷内部空隙，提高复合膨胀材料的膨胀性能，增强本发明中支架与围岩变形的相适应能力和对围岩的初始支撑力。

所述束状复合膨胀材料药卷在支架腿部膨胀装置的套筒空间内，分为上、下两段放置，填充河沙在两段束状复合膨胀材料药卷之间进行分隔，有利于复合膨胀材料水化反应时体积充分膨胀，改善主动接顶效果，提高初始支撑力。

所述束状复合膨胀材料药卷吸水后反应体积膨胀，在钢管内约束条件下，与填充河沙混合并挤压为坚硬致密的硬化体填满钢管内部空间，使得支架腿部膨胀装置整体成为类似“钢管混凝土”的复合结构，极大的提高了该部件的抗压强度和抗弯性能，有利于支架整体支撑能力和抗两帮侧压性能的提高。

所述束状复合膨胀材料药卷水化反应后，在钢管约束条件下生成的硬化体在高压情况下，具有体积回缩的特性，当巷道围岩压力持续增大，压缩支架搭接部位发生让压回缩，当不再继续回缩并在达到连接卡缆极限强度破坏之前，膨胀装置内的硬化体产生的适量回缩，使得本发明具有“二次让压”支护的功能。

所述支架腿部U型钢为传统U型钢可缩性支架使用的U型钢材，包括腿部直线部分和拱形搭接弯曲部分，其参数和尺寸遵循传统U型钢可缩性支架设计原则，考虑巷道断面形状参数和支护要求进行设计选取；其腿部直线部分一端焊接在支架腿部膨胀装置中的上部外套筒钢板中央。

所述支架拱顶U型钢为传统U型钢可缩性支架使用的U型钢材，其参数和尺寸遵循传统U型钢可缩性支架设计原则，考虑巷道断面形状参数和支护要求进行设计选取，拱顶U型钢两端分别与位于巷道两帮的支架腿部U型钢的弯曲部分进行搭接；搭接部位采用所述连接卡缆进行连接和预紧。

本发明提供的一种巷道U型支架装置及方法，在对巷道围岩进行支护时，可根据巷道围岩的基本力学性能，提供与围岩力学性能匹配、大小可调节的主动支撑力，因此在具体工程应用中，应首先开展巷道围岩的基本力学性能测试，然后根据本发明中支架腿部膨胀装置在不同条件下的轴向膨胀力输出规律，设计与巷道围岩相匹配的膨胀装置参数，按照设计参数进行工程应用。

本发明在工程中的使用方法包括巷道围岩力学性能测试、支架结构及腿部膨胀装置参数设计和现场应用三部分：

一、巷道围岩力学性能测试：

对拟支护的巷道围岩进行现场钻取岩芯，开展室内岩石力学实验，测试岩石单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力与内摩擦角等基本力学参数；同时对巷道围岩所在区域进行结构面调查工作，基于岩体稳定性指标和方法，对拟支护巷道围岩体进行稳定性分级，以分级结果作为支架结构和膨胀装置参数设计的依据。

二、支架结构及腿部膨胀装置参数设计：

首先，根据需要进行支护的巷道断面尺寸、预计(或实测)巷道压力和巷道围岩稳定性分级结果等因素，确定U型钢型号、支架结构各部件尺寸、可缩部位搭接尺寸及连接卡缆型号等相关参数；

其次，根据需要进行支护巷道所在区域的地压显现特征，或者实测获取的应力场分布规律，进行支架腿部膨胀装置参数设计，当垂直应力较大而水平应力不显著时，腿部膨胀装置可选用直径略大于U型钢断面的钢管制作；当垂直应力较小而水平应力较大时，则应选择直径较大的钢管制作腿部膨胀装置，以提高腿部膨胀装置抵抗围岩水平变形的能力；

最后，根据所选U型钢型号、结构各部件尺寸、卡缆类型与预紧力等参数，确定腿部膨胀装置产生的轴向膨胀力大小，并根据束状复合膨胀材料药卷用量与其产生的轴向膨胀力之间的定量关系，计算其用量。由本发明提供的一种巷道U型支架装置结构可知，在该支护***中，腿部膨胀装置产生的轴向膨胀力、卡缆预紧作用在搭接处产生的摩擦力、膨胀装置内复合膨胀材料硬化体产生“二次让压”体积回缩时所承受的轴向力，以及达到支架整体极限强度时的所承受的载荷，是该支护***承载时的4个关键承载点，并且上述4个承载点的大小应与所述顺序一致，按由小到大排列。因此在计算束状复合膨胀材料药卷用量时，应确保腿部膨胀装置中产生的轴向膨胀力值以及硬化体回缩时承受的轴向力值满足上述要求。

上述4个关键承载点对应的承载力，可通过室内实验测得精确数据。

三、现场应用步骤：

1、在进行支护的巷道两帮底板处适当的位置钻凿深度为300mm、直径20mm-22mm的钻孔4个，钻孔的布置与下部内套筒底座钢板上的开孔一一对应；

2、在下部内套筒内铺设厚度约为25mm的填充河沙，将束状复合膨胀材料药卷放入套筒内，倒入适量填充河沙，轻微振捣使河沙充填至束状复合膨胀材料药卷内部及其与内部套筒之间的空隙中，待河沙完全覆盖束状复合膨胀材料药卷顶部后，继续倒入河沙使之在套筒内部形成厚度约为50mm的隔离垫层，然后将另一束状复合膨胀材料药卷放入套筒内剩余空间中，重复倒入河沙并振捣步骤，直到填充河沙完全与套筒边缘平齐；

3、将下部内套筒外壁的弹性橡胶圈整体移至位于套筒下方的泄水排气孔处，在橡胶张紧力的作用下，对套筒侧壁上的泄水排气孔进行封堵，然后将焊接有支架腿部U型钢的上部外套筒套入下部内套筒；

4、将组合完毕的部件分别置于巷道两帮底板钻孔的位置，利用膨胀螺栓穿过下部内套筒底板四角预留的开孔，并***巷道底板预先钻凿的钻孔中，拧紧膨胀螺栓，将其固定在巷道底板，转动支架腿部U型钢，使巷道两帮部件呈对齐状态；

5、在巷道两帮已对齐的支架腿部U型钢之间，架设支架拱形U型钢，保证搭接长度，并在搭接部位安装连接卡缆，安装过程中需对支架整体进行适当调整，尽可能增加支架拱部与巷道围岩的接触面积，调整完成后按照设计要求拧紧连接卡缆；

6、通过支架腿部膨胀装置中上部外套筒钢板上留设的注水孔，向其内部空间注水至溢出状态后停止注水，将与注水孔内焊接螺母配套的螺栓拧入注水孔，对套筒内部空间进行密封，由于下部内套筒底部留设的泄水排气孔被弹性橡胶圈临时堵塞，注水后套筒空间内的束状复合膨胀材料药卷与填充河沙均处于被水完全浸泡状态，此时卷内的复合膨胀材料通过透水性良好的纸质外壳吸水，10min以后将弹性橡胶圈移走，套筒内多余的水沿泄水排气孔排出；

7、20min至40min后，支架腿部膨胀装置内部束状复合膨胀材料药卷开始反应，体积膨胀使得上部外套筒沿套筒筒身方向作类似活塞运动，并推动其上方的支架腿部U型钢和支架拱形U型钢，向巷道拱顶方向移动，实现支架与巷道围岩的主动接顶。

由于安装时支架拱部与巷道围岩已经多处接触，故支架腿部膨胀装置产生的持续膨胀位移，在巷道围岩对支架的约束情况下，将以推力的形式继续输出作用于支架整体结构，使得支架各部位尤其是拱部与巷道围岩壁接触点和接触面积持续增加，支架整体处于较为均匀的受力状态，有助于提高支架整体支护能力；同时支架腿部膨胀装置中产生的主动推力均匀分布在支架整体结构中，使得支架各部分对巷道围岩产生较大载荷的初始支撑力，能够使围岩处于三向受力状态，提高了围岩的自稳能力，有效控制了围岩开挖后的早期变形，充分发挥了支架与围岩变形相适应支护的优点。

本发明的有益效果：

1、本发明与传统U型钢可缩性支架相比，在支架腿部增加了膨胀装置，利用复合膨胀材料体积膨胀推动装置产生的较大位移，推动支架整体扩展，实现了支架与巷道围岩变形的相适应，改善了支架与围岩的接触情况和受力状态，提高了支架的支护性能。

2、本发明与现有壁后充填等支护工艺相比，支架架设后，无需进行喷浆、养护、注浆等施工工序，仅需注水和短时等待即可有效改善支架整体结构受力状态，施工过程简单易操作。

3、本发明采用的膨胀装置具有较大推进行程，对于支架与巷道围岩壁之间有较大空间的情况也能很好的实现与围岩变形相适应的效果，对巷道断面要求不高，适用范围广。

4、本发明中膨胀装置推动支架整体与围岩实现良好接触后，在巷道围岩对支架的约束条件下，持续膨胀产生的主动推力均匀分布于支架整体，对巷道围岩产生较大载荷的主动支撑力，改变围岩的应力状态，提高围岩整体自稳能力，控制围岩早期变形，具有主动支护的特点，与传统的被动支护相比，支护效果得到了提高。

5、本发明中膨胀装置内复合膨胀材料反应膨胀后，在钢筒约束条件下生成坚硬致密的硬化体，其强度与混凝土接近，与钢质套筒共同组成具有类似“钢管混凝土”的复合结构，大幅提高了抗压与抗弯性能，与传统U型钢可缩性支架相比，其腿部抵抗来自于巷道两帮侧压的能力大大提高，尤其适用于侧压大的巷道支护。

6、本发明中膨胀装置内复合膨胀材料水化反应后，生成的硬化体在高压情况下，具有体积适量回缩的特性，因此当巷道围岩压力持续增大并作用于支架时，膨胀装置内的硬化体适量回缩，具有让压支护的特性，与支架搭接可缩性部分相结合，使得本发明具有“二次让压”支护的功能，提高了支架的支护能力。

7、本发明中腿部膨胀装置底部设有与钢管尺寸相匹配的钢板，在确保腿部膨胀装置结构与巷道两帮围岩充分接触的前提下，增大支架腿部与底板的接触面积，有效解决了支架在承载后腿部陷入软岩底板的问题。

8、本发明结构简单，主动支撑载荷较大且稳定，膨胀装置与支架整体结构一体化设计，实现主动接顶支护的同时不占用巷道断面空间，加工工艺简单，材料来源广泛低廉，整体成本较低。

附图说明

图1为本发明的一种巷道U型支架装置三维示意图

图2为本发明的支架腿部膨胀装置结构剖面示意图

其中，1—支架腿部膨胀装置，2—支架腿部U型钢，3—支架拱顶U型钢，4—连接卡缆，1-1—下部内套筒，1-2—上部外套筒，1-3—束状复合膨胀材料药卷，1-4—填充河沙，1-5—底板固定孔，1-6—泄水排气孔，1-7—弹性橡胶圈，1-8—注水孔，1-9—注水孔密封螺母，1-10—注水孔密封螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体使用方法对本发明做进一步的详细说明。

工作原理：在支架腿部膨胀装置1的下部内套筒1-1的内部空间中，按照一定顺序铺设填充河沙1-4和束状复合膨胀材料药卷，盖上焊接有支架腿部U型钢2的上部外套筒1-2，通过连接卡缆4将支架拱顶U型钢3和支架腿部U型钢2之间的搭接部位连接并施加设计预紧力，组成U型钢整体结构；利用弹性橡胶圈1-7对下部内套筒1-1筒身下方的泄水排气孔1-6进行封堵，通过注水孔1-8向支架腿部膨胀装置1内部包含有填充河沙1-4和束状复合膨胀材料药卷1-3的空间中注水至溢出，束状复合膨胀材料药卷1-3在浸泡状态下吸水一定时间，移开弹性橡胶圈1-7，使多余的水从支架腿部膨胀装置1的内部空间排出；束状复合膨胀材料药卷1-3与水发生反应体积膨胀，在下部内套筒1-1的约束下，沿轴向方向产生位移推动上部外套筒1-2及其上方的支架腿部U型钢2，进而推动支架拱顶U型钢3向巷道拱顶方向移动，促使支架各部位与巷道主动接顶，增大接触部位与接触面积，有效改善支架与围岩的接触状态；当支架整体在支架腿部膨胀装置1的轴向膨胀推动作用下与巷道围岩充分接顶后，受巷道围岩的约束作用，支架腿部膨胀装置1中持续产生的膨胀以较大推力的方式输出，使得支架整体对巷道围岩产生一个载荷较大、分布较均匀的主动初始支撑力，一方面改善了支架整体的受力状态，提高支架的支撑能力，另一方面对巷道围岩的初始支撑力，有效的控制了巷道开挖后围岩的早期变形，有利于充分发挥围岩的自承能力，使得支架的支护性能得到大幅度提高。

采用所述的一种巷道U型支架装置及方法，包括以下步骤：

步骤一：根据需要进行支护的巷道断面尺寸和预计(或实测)巷道压力确定支架整体尺寸，包括支架腿部膨胀装置1、支架腿部U型钢2、支架拱顶U型钢3参数、可缩部位搭接尺寸及连接卡缆4型号等相关参数，由室内实验测得本发明提供的支护***所需的4个关键承载点对应承载力，计算支架腿部膨胀装置1中所需束状复合膨胀材料药卷1-3的用量；

步骤二：在进行支护的巷道两帮底板处适当的位置钻凿深度为300mm、直径20mm-22mm的钻孔4个，钻孔的布置与下部内套筒1-1上底板固定孔1-5为一一对应关系；

步骤三：在下部内套筒1-1内部空间铺设厚度约为25mm的填充河沙1-4，将束状复合膨胀材料药卷1-3放入套筒内，倒入适量填充河沙1-4，轻微振捣使填充河沙1-4充填至束状复合膨胀材料药卷1-3内部及其与内部套筒之间的空隙中，待填充河沙1-4完全覆盖束状复合膨胀材料药卷1-3顶部后，继续倒入填充河沙1-4使之在套筒内部形成厚度约为50mm的隔离垫层，然后将另一束状复合膨胀材料药卷1-3放入套筒内剩余空间中，重复倒入填充河沙1-4并振捣，直到填充河沙1-4完全与套筒边缘平齐；

步骤四：将下部内套筒1-1外壁的弹性橡胶圈1-7整体移至位于套筒下方的泄水排气孔1-6处，在橡胶张紧力的作用下，对套筒侧壁上的泄水排气孔1-6进行封堵，然后将焊接有支架腿部U型钢2的上部外套筒1-2套入下部内套筒1-1；

步骤五：将组合完毕的支架腿部膨胀装置1分别置于巷道两帮底板钻孔的位置，利用膨胀螺栓穿过下部内套筒1-1上底板四角预留的底板固定孔1-5，并***巷道底板预先钻凿的钻孔中，拧紧膨胀螺栓，将其固定在巷道底板，转动支架腿部U型钢2，使巷道两帮的支架腿部U型钢2呈对齐状态；

步骤六：在巷道两帮已对齐的支架腿部U型钢2之间，架设支架拱形U型钢3，保证搭接长度，并在搭接部位安装连接卡缆4，安装过程中需对支架整体进行适当调整，尽可能增加支架拱部与巷道围岩的接触面积，调整完成后按照设计要求拧紧连接卡缆4对其搭接部位施加预紧力；

步骤七：通过支架腿部膨胀装置1中上部外套筒1-2钢板上留设的注水孔1-8，向其内部空间注水至溢出状态后停止注水，将注水孔密封螺栓1-10拧入注水孔1-8内焊接的注水孔密封螺母1-9中，对套筒内部空间进行密封，由于下部内套筒1-1底部留设的泄水排气孔1-6被弹性橡胶圈1-7临时堵塞，注水后套筒空间内的束状复合膨胀材料药卷1-3与填充河沙1-4均处于被水完全浸泡状态，此时卷内的复合膨胀材料通过透水性良好的纸质外壳吸水，10min以后将弹性橡胶圈1-7移走，套筒内多余的水沿泄水排气孔1-6排出；

步骤八：静置20min至40min后，支架腿部膨胀装置1内部束状复合膨胀材料药卷1-3开始反应，体积膨胀使得上部外套筒1-2沿套筒筒身方向作类似活塞运动，并推动其上方的支架腿部U型钢2和支架拱形U型钢3，向巷道拱顶方向移动，实现支架与巷道围岩的主动接顶，改善支架各部位与巷道围岩的接触状态；随后巷道围岩对支架整体产生约束，此时支架腿部膨胀装置1内的束状复合膨胀材料药卷1-3持续反应膨胀，以推力的方式继续输出，使得支架整体对巷道围岩产生一个载荷较大、分布较均匀的主动初始支撑力，改善支架整体受力状态，并通过支架对围岩产生的主动初始支撑力控制围岩开挖后的早期变形，充分发挥围岩自承能力，提高支架的支护性能。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种巷道U型支架装置，包括支架拱顶U型钢，所述支架拱顶U型钢两端通过连接卡缆固定连接有支架腿部U型钢，其特征在于，所述支架腿部U型钢底部设置有支架腿部膨胀装置；所述支架腿部膨胀装置包括下部内套筒、上部外套筒、束状复合膨胀材料药卷和填充河沙；所述上部外套筒套设于下部内套筒外部，所述下部内套筒内设置有束状复合膨胀材料药卷，所述束状复合膨胀材料药卷顶部及底部设置有填充河沙。

2.根据权利要求1所述的一种巷道U型支架装置，其特征在于，所述下部内套筒为无缝钢管，一端开口，另一端固定连接有内套筒钢板，所述内套筒钢板四角分别设有开孔；所述下部内套筒外壁上均匀设置有多个泄水排气孔；所述泄水排气孔处套有弹性橡胶圈，所述弹性橡胶圈宽度大于泄水排气孔直径。

3.根据权利要求1所述的一种巷道U型支架装置，其特征在于，所述上部外套筒为无缝钢管，一端开口，另一端固定连接有外套筒钢板，所述外套筒钢板上设置有注水孔，所述注水孔与上部外套筒内部相连通；所述外套筒钢板上朝向上部外套筒内部空间一侧固定连接有螺母，所述螺母开口中心与所述注水孔共轴。

4.根据权利要求1所述的一种巷道U型支架装置，其特征在于，所述束状复合膨胀材料药卷为多支呈圆筒状的复合膨胀材料药卷捆绑为一体的束状体；所述复合膨胀材料药卷内部为压缩筒状复合膨胀材料，外部包覆具有透水性的纸质材料。

5.根据权利要求4所述的一种巷道U型支架装置，其特征在于，所述束状复合膨胀材料药卷置于下部内套筒的内部，分为上、下两段放置，两段之间用填充河沙分隔。

6.根据权利要求1或5所述的一种巷道U型支架装置，其特征在于，所述填充河沙为常规建筑用河沙。

7.一种巷道U型支架装置使用方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、在进行支护的巷道两帮底板处分别钻孔，每处钻孔的布置与下部内套筒底座钢板上的开孔一一对应；

S2、在下部内套筒内铺设填充河沙，将束状复合膨胀材料药卷放入套筒内，倒入适量填充河沙，轻微振捣使河沙充填至束状复合膨胀材料药卷内部及其与内部套筒之间的空隙中，待河沙完全覆盖束状复合膨胀材料药卷顶部后，继续倒入河沙使之在套筒内部形成隔离垫层，然后将另一束状复合膨胀材料药卷放入套筒内剩余空间中，重复倒入河沙并振捣步骤，直到填充河沙完全与套筒边缘平齐；

S3、将下部内套筒外壁的弹性橡胶圈整体移至所述泄水排气孔处，在橡胶张紧力的作用下，对所述泄水排气孔进行封堵，然后将焊接有支架腿部U型钢的上部外套筒套入下部内套筒，组装成支架腿部U型钢；

S4、将两个组合完毕的支架腿部U型钢分别置于巷道两帮底板钻孔的位置，利用膨胀螺栓穿过所述内套筒钢板四角预留的开孔，***对应的所述钻孔中，拧紧膨胀螺栓，将其固定在巷道底板，转动支架腿部U型钢，使位于巷道两帮的两个支架腿部U型钢呈对齐状态；

S5、在巷道两帮已对齐的支架腿部U型钢之间，架设支架拱形U型钢，保证搭接长度，并在搭接部位安装连接卡缆，安装过程中需对支架整体进行适当调整，尽可能增加支架拱部与巷道围岩的接触面积，调整完成后按照设计要求拧紧连接卡缆；

S6、通过支架腿部膨胀装置中上部外套筒钢板上留设的注水孔，向其内部空间注水至溢出状态后停止注水，将与注水孔内焊接螺母配套的螺栓拧入注水孔，对套筒内部空间进行密封，由于下部内套筒底部留设的泄水排气孔被弹性橡胶圈临时堵塞，注水后套筒空间内的束状复合膨胀材料药卷与填充河沙均处于被水完全浸泡状态，此时卷内的复合膨胀材料通过透水性良好的纸质外壳吸水，10min以后将弹性橡胶圈移走，套筒内多余的水沿泄水排气孔排出；

S7、20min至40min后，支架腿部膨胀装置内部束状复合膨胀材料药卷开始反应，体积膨胀使得上部外套筒沿套筒筒身方向作类似活塞运动，并推动其上方的支架腿部U型钢和支架拱形U型钢，向巷道拱顶方向移动，实现支架与巷道围岩的主动接顶。

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