CN113803092A - 基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置及方法，涉及地矿技术领域。其方法包括：首先将多根中空注浆锚杆置入巷道围岩内，进行超前注浆加固支护；然后向巷道围岩上喷射混凝土，使其形成混凝土层，通过混凝土层将巷道表面破碎岩石形成一个整体；接着在距塑料板一定距离架设抗弯早强型钢管混凝土支架结构；对支架灌注早强型混凝土，在支架的外侧巷道圆周方向设置抗弯钢筋，在塑料板与抗弯钢筋之间构筑具有一定厚度的抗弯早强型钢筋混凝土碹体；最后，在巷道围岩与抗弯早强型钢筋混凝土碹体之间设置塑料板让压层。本发明通过超强注浆加固技术与抗弯型钢管混凝土支架结构相结合，能够有效的控制围岩变形，且支护效果好。

Description

基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置及方法

技术领域

本发明涉及地矿技术领域，具体涉及一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置及方法。

背景技术

随着现代煤矿的开采向深部延伸，矿井的地质条件变得愈发复杂。软岩便是其中之一，软岩巷道的支护问题也受到了重视。研究表明，受地应力场方向、岩层产状、岩体结构的不对称、关键部位差异性变形等因素影响，造成深部软岩巷道由于结构效应而产生非对称变形，使得常规对称支护无法控制，导致其巷道围岩的自承能力弱，巷道变形速度和变形量都很大，对矿井生产造成很大影响。而现有技术在软岩巷道支护方面，因技术和资金投入等原因，尚未达到矿井生产的需要。

软岩巷道的特征主要有：

(1)由于岩体结构和岩层所处的环境，导致岩层松软、破碎严重、地应力较高；(2)对于岩体的物理和力学性能，有低强度、流变、风化、膨胀等特点；(3)对于围岩的工程特征，具有巷道来压显现强烈，围岩变形具有四周来压特点和显著的时间效应；(4)初期来压快，变形量大，稳定后围岩仍以一定速度长时间持续大变形，围岩的稳定难以控制。即：软弱岩层巷道具有松、散、软、弱的特征。已有研究表明，岩体及岩层结构面是引起巷道围岩强度降低、产生非对称大变性破坏的主要原因，对于结构面的控制是非对称支护设计的关键，这也为软岩巷道的控制提供了依据。

由于软岩巷道存在的上述特征，使其在支护方面也存在一定的困难。目前，现有技术在软岩巷道支护方面，形成了“锚喷+锚网喷+锚喷网架+预应力锚索支护”系列技术、钢架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、料石碹支护系列技术、“注浆加固和卸压支护”系列技术。现有技术的相关研究报道主要有：

申请号202011539713.7公开了一种软岩巷道的支护方法，其利用数值模拟软件建立模型分析并开展实时巷道围岩深部位移监测及其松动圈分析，分析非对称围岩巷道两帮的应力分布与收敛位移；利用基于“先让后抗”支护原则的“两掘两锚网一喷钢带”的支护工艺进行对高应力区和低应力区进行分区支护。该支护工艺包括短锚杆、长锚杆、一次锚网、二次锚网、双层钢筋、喷射混凝土等。

申请号202021246768.4公开了一种高地压软岩巷道支护的钢棚，在钢棚顶的两个底端分别通过U型卡缆连接有钢棚腿，钢棚腿的底端固定连接垫铁，钢棚腿在巷道地坪连接处固定设置有U型钢挡块，U型钢底梁固定于巷道两侧的垫铁和U型钢挡块之间，构成一个U型钢棚支护整体。

上述现有技术虽然对软岩巷道的支护做了诸多研究，但其支护效果还有待于进一步提高，如U型钢可缩性支架、锚喷网支护、具有可缩性或让压装置的全封闭支护***、针对关键部位的复合支护是煤矿软岩破碎动压巷道支护的主要方法。但软岩巷道支护效果如何，不仅取决于支护方式的选择，还与巷道所处的地质条件、围岩应力状态等有关。所以，要找到行之有效的支护方式，还需要多方面的研究。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其通过超强注浆加固技术与抗弯型钢管混凝土支架结构相结合，能够有效的控制围岩变形，且支护效果好。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，依次包括以下步骤：

a、进行超前注浆加固支护

将多根中空注浆锚杆置入巷道围岩内，并将每根中空注浆锚杆作为注浆管，通过所述的注浆管向巷道围岩内注入注浆液，对所述的巷道围岩进行加固支护；

所述的注浆液为硅酸盐水泥、水玻璃和减水剂的混合液，所述的硅酸盐水泥中的水、灰质量比为0.7：1～1:1，所述的减水剂的质量为所述硅酸盐水泥质量的0.8％～1.0％，所述的水玻璃的体积为所述硅酸盐水泥体积的0.4％～0.6％；

b、向巷道围岩上喷射混凝土，使其形成混凝土层，通过所述的混凝土层将巷道表面破碎岩石形成一个整体；

在所述的混凝土层的表面覆盖塑料板，所述的塑料板的抗压强度≥250kPa；

c、构建抗弯早强型钢管混凝土支架结构

在距所述的塑料板一定距离架设抗弯早强型钢管混凝土支架结构，所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构是由若干个单独的支架连接在一起形成的，其中相邻的支架的间距为0.6～1.0m，支架包括直墙段、圆弧段、顶弧段及反底拱形段，所述的直墙段、圆弧段均设置有两段，所述的圆弧段对应连接在所述的直墙段的顶端，所述的直墙段、圆弧段及顶弧段构成一倒U型结构；所述的反底拱形段布置在底板岩层中，在所述的反底拱形段的右侧设置有注浆孔，所述的注浆孔的外部设置有作为注浆嘴的注浆短管；

d、对所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构灌注早强型混凝土；

e、在所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构的外侧巷道圆周方向设置抗弯钢筋，在所述的塑料板与所述的抗弯钢筋之间喷射采用硫酸盐水泥制成的早强型混凝土，形成具有一定厚度的抗弯早强型钢筋混凝土碹体；通过所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构和所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体对巷道围岩共同支护；

f、在巷道围岩与抗弯早强型钢筋混凝土碹体之间设置塑料板让压层，在抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置木块让压并预留“让压窗口”，形成早强-抗弯-让压型混凝土碹体。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

针对软岩巷道围岩存在极为破碎的特征，首先对巷道进行超前注浆加固支护，防止了巷道开挖后出现冒落和大变形，采用多孔超前注浆技术，提高了围岩的自身强度，控制巷道的前期稳定性。同时，注浆液为硅酸盐水泥、水玻璃和减水剂的混合液，在控制极破碎的围岩的同时还可以起到良好的支护效果。

进一步向巷道围岩上喷射混凝土层，使得巷道表面破碎岩石形成一个整体，并在混凝土层上覆盖一层较高强度的塑料板，在塑料板的外侧构建抗弯早强型钢管混凝土支架结构。通过对抗弯早强型钢管混凝土支架结构进行设计，涉及到其中的支架结构、支架连接设计及支架之间的连接，具体的，支架结构分为四段，分别为直墙段、圆弧段、顶弧段及反底拱形段，配合椭圆形的断面的巷道，可以在巷道四周压力很大且分布不均匀的情况下运用，采用早强钢管混凝土支架结构支护时可以将巷道围岩应力分散到支架其他受压程度较小的位置，类似让压的形式释放围岩应力，缓解钢管混凝土支架的集中受力。

进一步通过构筑抗弯早强型钢筋混凝土碹体，通过抗弯早强钢管混凝土支架结构和所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体对巷道围岩共同支护。

作为本发明的一个优选方案，步骤a中，所述的中空注浆锚杆从端头起间隔20米设置有出浆孔，在所述的出浆孔处配置有与其相配合的橡胶塞。

作为本发明的另一个优选方案，步骤a中，巷道的断面呈扁椭圆形或圆形；所述的中空注浆锚杆沿巷道轴线呈30度倾斜角度打入。

进一步优选，步骤b中，塑料板的厚度为100mm。

进一步优选，步骤c中，支架的各段之间用套管连接，所述的套管包括上端钢管和下端钢管，在位于所述的下端钢管的周长方向上设置有用于防止套管向下滑动的挡环；在所述的抗弯早强钢管混凝土支架结构的顶部中心附近设置有排气孔。

进一步的，步骤c中，直墙段与所述的反底拱形段之间用底脚板法兰连接，所述的底脚板法兰用四根螺栓连接，四根螺栓所对应的螺栓孔对称分布在钢板底座的四个角上；所述的底脚板法兰一片焊接在直墙段上，另一片焊接在反底拱形段上；相邻的支架间采用20mm厚的卡揽钢带连接。

进一步的，步骤e中，所述的早强型混凝土是采用质量百分比为8％的硫铝酸盐水泥掺量配制而成的。

本发明的另一目的在于提供一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，其包括超强注浆加固结构、混凝土结构、抗弯早强型钢管混凝土支架结构、抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构及塑料板让压层，所述的超强注浆加固结构包括多根中空注浆锚杆，其中将每根中空注浆锚杆置入巷道围岩内，通过向中空注浆锚杆内注入注浆液，形成超强注浆加固结构；

所述的混凝土结构包括混凝土层，所述的混凝土层是通过向巷道围岩上喷射混凝土形成的，在所述的混凝土层的表面覆盖有一定强度的塑料板；

所述的抗弯早强钢管混凝土支架结构位于所述的塑料板的外侧，其是由若干个单独的抗弯早强钢管混凝土支架连接在一起形成的，其中相邻的支架的间距为0.6～1.0m，支架包括直墙段、圆弧段、顶弧段及反底拱形段，所述的直墙段、圆弧段均设置有两段，所述的圆弧段对应连接在所述的直墙段的顶端，所述的直墙段、圆弧段及顶弧段构成一倒U型结构；所述的反底拱形段布置在底板岩层中，在所述的反底拱形段的右侧设置有注浆孔，所述的注浆孔的外部设置有作为注浆嘴的注浆短管，所述的注浆短管位于所述的反底拱形段上；

在所述的抗弯早强钢管混凝土支架结构灌注有早强型混凝土；在所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构的外侧巷道圆周方向设置抗弯钢筋；

所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体是在所述的塑料板与所述的抗弯钢筋之间喷射采用硫酸盐水泥制成的早强型混凝土形成的，所述的抗弯早强钢管混凝土支架结构和所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体形成一个共同支护体，通过所述的共同支护体对巷道围岩进行支护；

所述的塑料板让压层位于巷道围岩与抗弯早强型钢筋混凝土碹体之间，在抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置木块让压并预留“让压窗口”，形成早强-抗弯-让压型混凝土碹体结构。

进一步的，所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体的厚度为400mm，在所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置有钢筋网壳，所述的钢筋网壳用于增加混凝土碹体的抗弯性。

进一步的，所述的钢筋网壳绑扎在混凝土外侧巷道的圆周方向，其包括若干根抗弯钢筋，抗弯钢筋的间排距为300×300mm，抗弯钢筋搭接长度为700mm，抗弯钢筋采用扎丝搭接绑扎。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)本发明提成了一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其首先采用超前注浆加固技术，将多根中空的注浆锚杆置入巷道围岩内，向围岩中注入带有压力的注浆液，并采用扁椭圆形巷道断面形状；在巷道围岩上喷射混凝土层，在混凝土层上覆盖一层较高强度的塑料板；距塑料板一定距离架设抗弯早强型钢管混凝土支架，并在支架外侧巷道圆周方向布置高强度抗弯钢筋，喷射早强型混凝土，形成抗弯早强型钢筋混凝土碹体，在混凝土碹体内设置木块让压并预留“让压窗口”。本发明解决了在破碎极软弱围岩中，由于巷道围岩破碎、松软难支护的情况，取代传统的相关的巷道支护技术，并利用这一技术革新，实现支架的高支护阻力、围岩平稳让压、密封加固的效果。

(2)为防止巷道开挖后出现冒落和大变形，本发明采用超前注浆加固技术，来提高围岩的自身的强度，控制巷道的前期稳定性。同时，在注浆液中加入能够增加结实程度的水玻璃，在控制极破碎的围岩时可以起到良好的支护效果。

(3)本发明通过设计的抗弯早强钢管混凝土支架结构结合断面为扁椭圆形的巷道，可以将巷道围岩应力分散到支架其他受压程度较小的位置，类似让压的形式释放围岩应力，缓解了钢管混凝土支架的集中受力。

(4)为适用巷道变形挤压作用产生的弯矩过大，考虑到钢管混凝土受拉区易产生破坏的特点，本发明采用了抗弯早强型钢管混凝土支架结构，对钢管混凝土支架受拉区进行抗弯强化；采用圆钢作为抗弯强化的技术手段；钢管混凝土内核心混凝土采用早强混凝土，增加混凝土硬化速度，防止因巷道围岩变形速度过快，造成钢管内凹失稳破坏。

(5)本发明采用了抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构，防止因巷道围岩变形挤压作用使混凝土碹体外侧弯曲拉破坏，在混凝土碹体外侧增加钢筋网壳，以增加混凝土碹体的抗弯性；采用早强混凝土，提高混凝土硬化速度，有利于巷道支护和围岩变形控制；为应对巷道围岩变形大的特点，减少围岩大变形对抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构的破坏，增加抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构的环形变形能力，即在抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构的环向方向上增加混凝土碹体的变形能力。

(6)本发明还提出了一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，其通过超强注浆加固结构、混凝土结构、抗弯早强钢管混凝土支架结构、抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构及塑料板让压层相互配合，利于巷道支护和围岩变形控制。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明巷道围岩注浆横断面图；

图2是本发明中巷道围岩注浆纵向剖面图；

图3是本发明中钢管混凝土支架的支护整体结构图；

图4是本发明中注浆孔的结构示意图；

图5是本发明中接头套管的结构示意图；

图6是本发明中挡环位置的结构示意图；

图7是本发明中支架钢板底座的示意图；

图8是本发明中反底拱支架接头的结构示意图；

图9是本发明中混凝土输送泵注浆管路的操作示意图；

图10是本发明中抗弯早强型钢管混凝土支架与碹体的支护方案；

图11是本发明中混凝土碹体纵向剖面图；

图12是本发明中混凝土碹体水平切面图；

图13是本发明中可缩性木板结构图；

图14是本发明中巷道底板“让压窗口”立体示意图；

图15是本发明中底板“让压窗口”巷道铅垂剖面图；

图16是本发明中巷道底板“让压窗口”俯视图。

其中，1、抗弯早强型钢管混凝土支架结构；2、抗弯早强型钢筋混凝土碹体；3、让压木块；4、塑料板；5、巷道；6、中空的注浆锚杆；7、套管；8、顶弧段；9、直墙段；10、反底拱形段；11、注浆孔；12、注浆短管；13、挡环；14、钢管；15、钢板底座；16、螺栓孔；17、混凝土输送泵；18、高压胶管；19、底板岩层；20、抗弯钢筋；21、钢筋网壳。

具体实施方式

本发明提成了一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置及方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，其包括超强注浆加固结构、混凝土结构、抗弯早强型钢管混凝土支架结构、抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构及塑料板让压层；

超强注浆加固结构包括多根中空的注浆锚杆，其中将每根中空注浆锚杆置入巷道围岩内，通过向中空注浆锚杆内注入带有压力的注浆液，形成超强注浆加固结构；

混凝土结构包括混凝土层混凝土层是通过向巷道围岩上喷射混凝土形成的，在混凝土层的表面覆盖有一定强度的塑料板；

抗弯早强型钢管混凝土支架结构位于塑料板的外侧，其是由若干个单独的抗弯早强钢管混凝土支架连接在一起形成的，其中相邻的支架的间距为0.6～1.0m，支架包括直墙段、圆弧段、顶弧段及反底拱形段，所述的直墙段、圆弧段均设置有两段，两段圆弧段对应连接在对应的直墙段的顶端，直墙段、圆弧段及顶弧段构成一倒U型结构；反底拱形段布置在底板岩层中，在反底拱形段的右侧设置有注浆孔，注浆孔的外部设置有作为注浆嘴的注浆短管，注浆短管位于反底拱形段上；

在抗弯早强型钢管混凝土支架结构灌注有早强型混凝土；在抗弯早强型钢管混凝土支架结构的外侧巷道圆周方向设置抗弯钢筋20；

抗弯早强型钢筋混凝土碹体是在塑料板与抗弯钢筋之间喷射采用硫酸盐水泥制成的早强型混凝土形成的，抗弯早强型钢管混凝土支架结构和抗弯早强型钢筋混凝土碹体形成一个共同支护体，通过共同支护体对巷道围岩进行支护；

塑料板让压层位于巷道围岩与抗弯早强型钢筋混凝土碹体之间，在抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置木块让压并预留“让压窗口”，形成早强-抗弯-让压型混凝土碹体结构。

抗弯早强型钢筋混凝土碹体的厚度为400mm，在所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置有钢筋网壳，所述的钢筋网壳用于增加混凝土碹体的抗弯性。

钢筋网壳绑扎在混凝土外侧巷道的圆周方向，其包括若干根抗弯钢筋，抗弯钢筋的间排距为300×300mm，抗弯钢筋搭接长度为700mm，抗弯钢筋采用扎丝搭接绑扎。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，置入巷道围岩内的多根中空的注浆锚杆6，利用该注浆锚杆向围岩中注入带有压力的注浆液。巷道5断面形状采用圆形或者扁椭圆形。

在巷道围岩上喷射混凝土层(此处喷射混凝土是为了将巷道表面破碎岩石形成一个整体)，并在混凝土层上覆盖一层较高强度的塑料板4(抗压强度250kPa以上)，塑料板4厚度为100mm。

在距塑料板4一定距离(距离通常为50-60mm)架设抗弯早强型钢管混凝土支架结构1。抗弯早强型钢管混凝土支架结构包括多个单独的支架，每个单独的支架选用Φ194×10mm，45.4kg/m钢管型号并采用Φ40高强圆钢进行抗弯强化，抗拉强度为600MPa，采用外侧焊接方式，相邻的支架间距0.6m，支架间连接方式为采用20mm厚的卡揽钢带连接。

在混凝土支架外侧巷道圆周方向布置Φ25高强度抗弯钢筋20，并采用硫铝酸盐水泥制成早强混凝土，配制成C30早强型混凝土。并在所述塑料板和所述抗弯钢筋之间喷射早强型混凝土，形成抗弯早强型钢筋混凝土碹体2。所述抗弯早强型钢筋混凝土碹体2的厚度为400mm。

在混凝土碹体内设置让压木块3，木块厚度160mm；并预留“让压窗口”，每隔一架支架在巷道底板与两帮预留“让压窗口”，即仅支护巷道断面周长的三分之一，底板和两帮的下半截留作“让压窗口”。

本发明基于钢管混凝土支架的破碎型软弱围岩巷道支护方法，具体包括以下步骤：

第一步、超前注浆加固支护

超前注浆加固步骤包括：注浆液的选择、注浆钻孔的布置与注浆方法。

(1)制备注浆液

所述注浆液选择价格低廉的硅酸盐水泥-水玻璃双浆液(425#525#硅酸盐水泥)，考虑到水泥浆易沉降析水率高和结石率低且强度低的缺点，可在水灰比为(0.7～1):1的硅酸盐水泥中添加适量水玻璃和减水剂，以形成硅酸盐水泥-水玻璃双浆液(注浆液)。

减水剂掺加量为：减水剂和水泥的重量比为0.8％～1.0％，高效萘系减水剂能显著提高水泥浆液的流动性，改善水泥浆液的稳定性，对凝结时间影响不大，可以有效提高水泥浆液结石体的抗压强度，尤其是后期强度。

水玻璃掺加量为：水玻璃与水泥的体积比0.4％～0.6％，水玻璃可以显著增大水泥浆液的结石率，缩短凝结时间(包括初凝和终凝)，对水泥浆液结石体的早期强度影响较大，提高明显。

(2)布置注浆钻孔

超前注浆采用中空的注浆锚杆6，为使注浆效果更好，需在中空注浆锚杆6从端头起每20cm增加一个钻孔。钻孔加工好之后用橡胶塞紧，保证钻孔时水压力不致流失，注浆时压力较大可以顶出橡胶正常注浆，塞紧程度在加工厂试验确定。超前注浆锚杆沿巷道轴线成30o方向打入。超前支护的巷道围岩注浆横断面图如图1所示，超前支护的巷道围岩注浆纵向剖面图如图2所示。

(3)注浆方法

超前注浆加固支护技术采用中空注浆锚杆6作为注浆管，进行超前支护和对围岩的加固。在巷道开掘后围岩变形尚未稳定时，利用注浆液来充填和固结围岩，使破裂围岩胶结成连续体加固圈，并为锚杆提供可靠的着力基础，同时注浆锚杆又能起到悬吊和挤压作用。

超前注浆技术的目的在于减小与控制巷道开挖后的收敛变形速率。

第二步、搭建抗弯早强型钢管混凝土支架结构

在围岩上喷射混凝土层(此处喷射混凝土是为了将巷道表面破碎岩石形成一个整体)，并在混凝土层上覆盖一层较高强度的塑料板4(抗压强度250kPa以上)，塑料板4厚度100mm，并在塑料板4外侧架设抗弯早强型钢管混凝土支架结构1。

为适用巷道变形挤压作用产生的弯矩过大，考虑到钢管混凝土受拉区易产生破坏的特点，对钢管混凝土支架受拉区进行抗弯强化；采用圆钢作为抗弯强化的技术手段；钢管混凝土内核心混凝土采用早强混凝土，增加混凝土硬化速度，防止因巷道围岩变形速度过快，造成钢管内凹失稳破坏。

(1)支架结构

抗弯早强型钢管1选用Φ194×10mm，45.4kg/m钢管型号并采用Φ40高强圆钢进行抗弯强化，抗拉强度为600MPa，采用外侧焊接方式。钢管混凝土支架结构分为四段：直墙段9、顶弧段8、反底拱形段10及位于两段直墙段顶部的两段圆弧段；其中反底拱形段10布置在底板岩层19中，各段之间用套管7连接，支架整体结构如图3所示。

在反底拱形段10右侧设置注浆孔11，注浆孔11外部焊置注浆短管12(即注浆嘴)，注意设置注浆短管侧与水沟布置侧分开，避免冲突。由注浆孔11灌注混凝土，并用振动器振捣钢管以使混凝土密实，待注浆稳定后，卸下注浆管路，用圆木塞封堵注浆短管12。为保证钢管内部混凝土密实和实时监测混凝土的充填情况，特留设排气孔，排气孔位于支架顶部中心左右10mm处。如图4所示。

(2)支架连接设计

a、支架顶部圆弧段与下部的连接

支架各段圆弧段之间用接头套管7连接，首先将两端钢管断面对齐，然后在外部用相同弧度的钢管14套接，以保证两端钢管同心连接；同时，为防止接头套管7的滑动，在下端钢管上沿周长焊置挡环13。接头套管7如图5所示，挡环13形状位置如图6。

b、支架直墙段与反底拱形段的连接

直墙段9与反底拱形段10间用底脚板法兰连接，底脚板法兰用四根螺栓连接，螺栓孔16对称分布于钢板底座15四角，距长边与短边均为40mm。底脚板法兰一片焊置在直墙段9，如图；另一片焊置在反底拱形段10，如图7、图8所示。

考虑到注浆过程中底角法兰处可能会因密封性不好而影响注浆压力，所以在上下钢板底座之间需加10mm厚的橡胶垫。橡胶垫加工成与钢板底座15一样形式，尺寸相同。

c、钢管混凝土支架间的连接

相邻的支架间连接方式为采用20mm厚的卡揽钢带连接，其支架间距0.6m。

第三步、钢筋混凝土支架的混凝土灌注施工

钢筋混凝土支架安装完毕即可进行钢筋混凝土支架内的混凝土灌注。混凝土输送泵17平放在巷道5，通过高压胶管18与支架注浆短管12连接，混凝土输送泵17注浆管布置如图9。需要注意的是注浆短管12位于反底拱形段10上，因此在反底拱形段10在底板岩层19中回埋需要预留出注浆短管12位置。

支架灌注混凝土采用早强型混凝土，采用8％硫铝酸盐水泥掺量配制混凝土，早强混凝土配比如表1所示。实验测试结果显示，混凝土初凝时间120分钟左右，早强混凝土试块8小时龄期的抗压强度可达24.7MPa，24小时强度可达42.8MPa。

及时灌注：每安装4架支架灌注一次，采用短距离注浆，缩短注浆泵和支架的距离。

表1早强混凝土设计配比及材料用量

第四步、制备抗弯早强型钢筋混凝土碹体

在钢筋混凝土支架外侧巷道圆周方向布置Φ25高强度抗弯筋20，采用硫铝酸盐水泥制成早强混凝土，配制成C30早强型混凝土，喷射早强型混凝土，形成抗弯早强型钢筋混凝土碹体，组成抗弯早强型钢管混凝土支架与碹体共同支护，如图10所示。抗弯早强型钢筋混凝土碹体设计碹体厚度为400mm，如图11、12所示。

抗弯早强型钢筋混凝土碹体可以防止因巷道围岩变形挤压作用使混凝土碹体外侧弯曲拉破坏，在混凝土碹体内设有钢筋网壳，增加混凝土碹体的抗弯性；采用早强混凝土，提高混凝土硬化速度，有利于巷道支护和围岩变形控制；为应对巷道围岩变形大的特点，减少围岩大变形对混凝土碹体的破坏，增加混凝土碹体的环形变形能力，即在混凝土碹体环向方向上增加混凝土碹体的变形能力。

(1)绑扎钢筋网壳

在混凝土外侧巷道圆周方向，布置Φ25抗弯钢筋20，如图10、11，间排距为300×300mm，钢筋搭接长度为700mm，联系筋采用φ10盘圆加工制作，间距为600mm。钢筋采用扎丝搭接绑扎，在绑扎钢筋时，钢筋间排距必须控制在设计范围内，钢筋保护层也要符合设计和规范要求。

(2)稳立模板作业

根据施工图纸设计要求及测量人员给出的巷道中、腰线，放出巷道拱基线及巷道两边边线，依据拱基线及边线由内向外同时稳立巷道墙部模板，首先将墙部模板连成一体置于边线外侧、拱基线下方，再将墙立柱立在墙板接缝处并利用钯钉固定连成一体，然后在每道墙立柱固定木楔上架设上、下两道木撑杆并固定牢靠，最后在墙板与巷帮之间，对每根墙立柱打设上、中、下三层斜木撑以加固牢固墙板，对上、下两道木撑杆之间打设顶柱。将溜灰管和浇筑过程中不发生位移。确保模板规格尺寸符合设计要求，各部件连接牢固可靠后，将巷道拱部浇筑并封严密实。拉入巷道浇注模板内，利用压风式混凝土输送罐浇筑巷道墙部，并对称振捣密实。

待巷道墙部混凝土浇筑完毕，砼经初凝后，在两侧墙立柱上各固定一根150×150mm的抬梁。根据巷道中、腰线及施工图纸设计要求，由内向外逐步稳立拱部碹胎及模板，使用钯钉将每架碹胎固定牢固在抬梁上，利用三道沙木杆将三架碹胎连成一体并一端抵触掌子面，在每架碹胎和岩帮之间至少打设5根斜撑，在靠近掌子面一侧的碹胎与掌子面之间至少均匀地打设4根斜撑，并将胎板覆在碹胎上。

在稳立碹胎和模板时，必须保证各部件的形状、尺寸和相互之间的位置关系，装拆方便，接缝严密，不易漏浆。碹胎尺寸必须符合设计要求，各个部位要支撑牢固。

(3)现浇混凝土支护采用硫铝酸盐水泥制成早强混凝土，配制成C30早强型混凝土

由副井井口附近设置一套混凝土搅拌站及一个储料场，自搅拌机出料口下方铺设一趟轻轨与空车道接轨，搅拌好的混凝土利用1.5吨矿车通过罐笼送至井下工作面。采用压风式混凝土输送罐，经溜灰管溜至巷道砌碹模板内，采用两台风动***式高频振动棒对称分层振捣，振捣实行固定专人。在施工中应保持砼塌落度控制在设计的范围之内，砼搅拌严格按C30砼配合比执行。

砼料入模采用人工进行输送，砼料入模要均匀、入模后要加强振捣，采用定位、定人、定量进行振捣，防止出现蜂窝、麻面及狗洞现象，砌墙时，每次立模高度为500-600mm，模板与支腿之间应固定牢固，以便于振捣。砌拱由里向外砌，立模时应两边对立，模板应放平，模板宽度不应超过200mm，封拱应先把模板封实。固定在模板上的预埋件，预留孔均不得遗漏，且应安装牢固，高空作业时、支撑架铺满大板，操作人员必须系好安全带。振捣采用机械振捣(风动震动棒)，入模后，随浇随捣。振捣每400mm位置***振动棒一次，每层不大于300mm。

在进行合拢门时，随合随振，确保合的密实，确保振捣密实，无孔洞现象。当施工两段砼接茬处，用清水冲洗后将杂物和浮矸清理干净后，再进行浇筑混凝土。

拆除模板后，及时进行洒水养护。模板拆除时的砼强度应能保证其表面及棱角不受损伤；拆拱模时砼强应符合设计要求；浇筑完毕后一周后拆除模板。

第五步、让压

(1)设置塑料板让压，在巷道围岩与混凝土碹体之间放置塑料板让压层，如图10所示。可以在巷道围岩产生变形时，使围岩释放部分压力，缓解钢杆混凝土支架在围岩应力作用下所承受的压力，减小所需支护阻力，增强巷道稳定性。

(2)在混凝土碹体内设置让压木块，木块厚度160mm，如图13所示；预留“让压窗口”，每隔一架支架在巷道底板与两帮预留“让压窗口”，即仅支护巷道断面周长的三分之一，底板和两帮的下半截留作“让压窗口”，如图14～图16所示。

(3)碹体让压性：混凝土碹体与围岩之间设置变形缝让压，混凝土碹体内设置变形缝让压。

本发明采用超强注浆技术，且在注浆液中注入能够增加结实程度的水玻璃，在控制极易破碎围岩的同时，可以起到良好的支护效果。

结合超强注浆技术，本发明将巷道设计为断面为变椭圆形，是综合考虑了巷道上地压的大小和方向等诸多因素，鉴于软岩巷道围岩松散破碎，围岩强度较低，容易发生非对称大变形的情况，椭圆形断面可以在巷道四周压力很大且分布不均匀的的情况下运用，采用抗弯早强型钢管混凝土支架结构支护时，可以将巷道应力分散到支架其他受压程度较小的位置，类似让压的形式释放围岩应力，缓解钢管混凝土支架的集中受力。

本发明支护装置和支护方法特别适用于破碎型围岩巷道的支护中，其可以对破碎的围岩起到良好的支护效果。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、进行超前注浆加固支护

将多根中空注浆锚杆置入巷道围岩内，并将每根中空注浆锚杆作为注浆管，通过所述的注浆管向巷道围岩内注入注浆液，对所述的巷道围岩进行加固支护；

所述的注浆液为硅酸盐水泥、水玻璃和减水剂的混合液，所述的硅酸盐水泥中的水、灰质量比为0.7:1～1:1，所述的减水剂的质量为所述硅酸盐水泥质量的0.8％～1.0％，所述的水玻璃的体积为所述硅酸盐水泥体积的0.4％～0.6％；

b、向巷道围岩上喷射混凝土，使其形成混凝土层，通过所述的混凝土层将巷道表面破碎岩石形成一个整体；

在所述的混凝土层的表面覆盖塑料板，所述的塑料板的抗压强度≥250kPa；

c、构建抗弯早强型钢管混凝土支架结构

在距所述的塑料板一定距离架设抗弯早强型钢管混凝土支架结构，所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构是由若干个单独的支架连接在一起形成的，其中相邻的支架的间距为0.6～1.0m，支架包括直墙段、圆弧段、顶弧段及反底拱形段，所述的直墙段、圆弧段均设置有两段，所述的圆弧段对应连接在所述的直墙段的顶端，所述的直墙段、圆弧段及顶弧段构成一倒U型结构；所述的反底拱形段布置在底板岩层中，在所述的反底拱形段的右侧设置有注浆孔，所述的注浆孔的外部设置有作为注浆嘴的注浆短管；

d、对所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构灌注早强型混凝土；

e、在所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构的外侧巷道圆周方向设置抗弯钢筋，在所述的塑料板与所述的抗弯钢筋之间喷射采用硫酸盐水泥制成的早强型混凝土，形成具有一定厚度的抗弯早强型钢筋混凝土碹体；通过所述的抗弯早强钢管混凝土支架结构和所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体对巷道围岩共同支护；

f、在巷道围岩与抗弯早强型钢筋混凝土碹体之间设置塑料板让压层，在抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置木块让压并预留“让压窗口”，形成早强-抗弯-让压型混凝土碹体。

2.根据权利要求1所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于：步骤a中，所述的中空注浆锚杆从端头起间隔20米设置有出浆孔，在所述的出浆孔处配置有与其相配合的橡胶塞。

3.根据权利要求1所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于：步骤a中，巷道的断面呈扁椭圆形或圆形；所述的中空注浆锚杆沿巷道轴线呈30度倾斜角度打入。

4.根据权利要求1所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于：步骤b中，塑料板的厚度为100mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于：步骤c中，支架的各段之间用套管连接，所述的套管包括上端钢管和下端钢管，在位于所述的下端钢管的周长方向上设置有用于防止套管向下滑动的挡环；在所述的抗弯早强钢管混凝土支架结构的顶部中心附近设置有排气孔。

6.根据权利要求1所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于：步骤c中，直墙段与所述的反底拱形段之间用底脚板法兰连接，所述的底脚板法兰用四根螺栓连接，四根螺栓所对应的螺栓孔对称分布在钢板底座的四个角上；所述的底脚板法兰一片焊接在直墙段上，另一片焊接在反底拱形段上；相邻的支架间采用20mm厚的卡揽钢带连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护方法，其特征在于：步骤e中，所述的早强型混凝土是采用质量百分比为8％的硫铝酸盐水泥掺量配制而成的。

8.一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，其包括超强注浆加固结构、混凝土结构、抗弯早强型钢管混凝土支架结构、抗弯早强型钢筋混凝土碹体结构及塑料板让压层，其特征在于：

所述的超强注浆加固结构包括多根中空注浆锚杆，其中将每根中空注浆锚杆置入巷道围岩内，通过向中空注浆锚杆内注入注浆液，形成超强注浆加固结构；

所述的混凝土结构包括混凝土层，所述的混凝土层是通过向巷道围岩上喷射混凝土形成的，在所述的混凝土层的表面覆盖有一定强度的塑料板；

所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构位于所述的塑料板的外侧，其是由若干个单独的抗弯早强钢管混凝土支架连接在一起形成的，其中相邻的支架的间距为0.6～1.0m，支架包括直墙段、圆弧段、顶弧段及反底拱形段，所述的直墙段、圆弧段均设置有两段，所述的圆弧段对应连接在所述的直墙段的顶端，所述的直墙段、圆弧段及顶弧段构成一倒U型结构；所述的反底拱形段布置在底板岩层中，在所述的反底拱形段的右侧设置有注浆孔，所述的注浆孔的外部设置有作为注浆嘴的注浆短管，所述的注浆短管位于所述的反底拱形段上；

在所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构灌注有早强型混凝土；在所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构的外侧巷道圆周方向设置抗弯钢筋；

所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体是在所述的塑料板与所述的抗弯钢筋之间喷射采用硫酸盐水泥制成的早强型混凝土形成的，所述的抗弯早强型钢管混凝土支架结构和所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体形成一个共同支护体，通过所述的共同支护体对巷道围岩进行支护；

所述的塑料板让压层位于巷道围岩与抗弯早强型钢筋混凝土碹体之间，在抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置木块让压并预留“让压窗口”，形成早强-抗弯-让压型混凝土碹体结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，其特征在于：所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体的厚度为400mm，在所述的抗弯早强型钢筋混凝土碹体内设置有钢筋网壳，所述的钢筋网壳用于增加混凝土碹体的抗弯性。

10.根据权利要求9所述的一种基于钢管混凝土支架的破碎型软岩巷道的支护装置，其特征在于：所述的钢筋网壳绑扎在混凝土外侧巷道的圆周方向，其包括若干根抗弯钢筋，抗弯钢筋的间排距为300×300mm，抗弯钢筋搭接长度为700mm，抗弯钢筋采用扎丝搭接绑扎。

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