一种巷道底板支护结构及施工方法与流程

本发明属于矿用矩形巷道底板支护技术领域，具体涉及一种巷道底板支护结构及施工方法。

背景技术：

矿山回采巷道由于围岩条件和应力状况复杂，加上较软弱的底板岩层及工作面超前支承压力的影响，底鼓现象十分普遍，对底鼓的有效控制成为急待解决的技术难题。通常巷道底鼓主要发生在巷道底板为软弱破碎岩体的岩层内，在垂直地应力作用下，以巷道底板为沿空自由面，底板软弱破碎岩体受应力作用形成巷道底鼓。现有的底鼓控制措施大多采用工程类比法和施工人员的经验法，具有相当大的盲目性和对经验的依赖性，底鼓治理效果并不理想；加之巷道底板施工困难，因而回采巷道底鼓控制效果并不理想，返修工作量大，维护费用高，严重制约了煤矿的正常生产。

目前对底鼓的治理多采用在巷道底板设置锚管锚索的方法，施工的时候需要在巷道底板采用钻机打孔，然后清空钻眼，再下锚管锚索，施工过程复杂，施工进度相对较慢；现有的技术还采用在巷道底板打底拱的方法，也存在着支护材料缺乏一定的刚度，并且结构设计上不能有效地发挥作用。

因此，现如今缺少一种结构简单、结构设计合理且施工简便、使用效果好、施工进度快，能够采用斜向锚管桩和竖向锚管桩的相互配合，提高了巷道底板支护结构的性能，采用自旋锚管桩进行施工简化了钻孔并清空钻孔的过程，加快了施工进程，通过浇筑承压板将自旋锚管桩的外露端连接为一体，改善了巷道底板支护结构的力学性能，同时降低了施工难度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种巷道底板支护结构及施工方法，其结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好，能够采用斜向锚管桩和竖向锚管桩的相互配合，提高了巷道底板支护结构的性能，通过浇筑承压板将自旋锚管桩的外露端连接为一体，改善了巷道底板支护结构的力学性能，同时降低了施工难度，实用性强，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种巷道底板支护结构，其特征在于：包括沿巷道纵向延伸方向由后向前等间距布设的多个锚管桩支护结构，所述锚管桩支护结构包括多个沿巷道横向布设在巷道底板上的自旋锚管桩和用于固定连接多个所述自旋锚管桩外露端的承压板，多个所述自旋锚管桩的结构相同，所述自旋锚管桩包括两个设置在巷道底板两端且靠近巷帮的斜向锚管桩和多个设置在巷道底板中部的竖向锚管桩，所述竖向锚管桩和所述斜向锚管桩结构和长度均相同，所述斜向锚管桩自上而下逐渐向靠近巷帮方向设置；

所述自旋锚管桩包括锚管桩体、设置在所述锚管桩体的一端的钻头和套装在所述锚管桩体另一端的承托板，所述承托板的下侧面与巷道底板的上侧面紧密接触；

所述锚管桩体由多个锚管桩基础段拼装组成，所述锚管桩基础段的一端设置有公丝扣，且所述锚管桩基础段的另一端设置有能与公丝扣螺纹配合连接的母丝扣。

上述的一种巷道底板支护结构，其特征是：相邻所述锚管桩支护结构之间的水平距离为800mm～2000mm，相邻两个所述竖向锚管桩的距离为600mm～1000mm，所述斜向锚管桩距离巷帮的间距为200mm～500mm，所述斜向锚管桩与垂直方向的夹角为5°～20°。

上述的一种巷道底板支护结构，其特征是：所述锚管桩基础段为外表面设置有螺旋结构的中空管状体，所述钻头为双翼钻头。

上述的一种巷道底板支护结构，其特征是：所述承压板的断截面为扇环形，承压板的下部弧度玄高和承压板的上部弧度玄高相同；所述承压板的厚度是100mm～300mm。

上述的一种巷道底板支护结构，其特征是：所述自旋锚管桩的截面模量不小于11cm³，所述锚管桩基础段的长度为1m～1.5m。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且施工简便、使用效果好的巷道底板支护结构施工方法，其特征在于：沿巷道纵向延伸方向分多个节段对巷道底板进行锚管桩支护结构的施工，多个所述锚管桩支护结构的施工方法均相同；其中，对任一个所述锚管桩支护结构进行施工时，包括以下步骤：

步骤一、自旋锚管桩的施工：在巷道底板安装多根自旋锚管桩，其中，多根所述自旋锚管桩均布设在巷道底板的同一个巷道横断面上，多根所述自旋锚管桩的锚管桩支护施工方法均相同：

对任一个所述自旋锚管桩进行锚管桩支护施工时，过程如下：

步骤101、自旋锚管桩钻进前准备：先采用钻机在巷道底板上预先钻安装孔，在当前所施工锚管桩基础段的母丝扣上安装钻头，并将所述锚管桩基础段的公丝扣与钻机连接；

步骤102、锚管桩基础段的钻进施工：将步骤101中所述锚管桩基础段的母丝扣上安装的钻头插入步骤101中预先钻好的安装孔中之后，启动所述钻机并通过所述钻机带动锚管桩基础段由上向下进行钻进，直至锚管桩基础段的公丝扣外露在巷道底板上侧；

步骤103、锚管桩基础段接续：在当前已完成钻进且位于锚管桩基础段的公丝扣上安装下一个锚管桩基础段，并将下一个锚管桩基础段的公丝扣与所述钻机连接，

步骤104、锚管桩基础段持续钻进：启动所述钻机并通过所述钻机由上向下进行持续钻进；

步骤105、多次重复步骤103至步骤104，直至完成当前所施工锚管桩体的钻进过程，完成所述锚管桩体的施工，并获得当前所施工锚管桩体所处的钻孔；

步骤106、钻孔注浆并安装承托板：将水泥浆注入步骤105中所述钻孔内，直至水泥浆溢出所述钻孔后停止注浆，所述钻孔注浆完成后，并在所述锚管桩体的外露端安装承托板，其中，所述承托板的下侧面与巷道底板的上侧面紧密接触；

步骤107、多次重复步骤101至步骤106，直至完成所有自旋锚管桩的锚管桩支护施工过程；

步骤二、浇筑承压板：步骤107中完成对所述自旋锚管桩的施工后，并在巷道底板上现浇混凝土形成承压板，其中，承压板的断截面为扇环形，承压板的下部弧度玄高和承压板的上部弧度玄高相同；

步骤三、多次重复步骤一和步骤二，直至完成整个巷道的支护施工过程。

上述的一种巷道底板支护结构的施工方法，其特征是：步骤二中所述承压板的厚度是100mm～300mm，所述承压板的下部弧度玄高其中，W₀为巷道的宽度，σ₂为底板岩石的抗拉强度，p₀为巷道底板标高处垂直地应力。

上述的一种巷道底板支护结构的施工方法，其特征是：步骤一进行自旋锚管桩施工之前，先获取所述锚管桩体的长度其中，W₀为巷道的宽度，σ₂为底板岩石的抗拉强度，p₀为巷道底板标高处垂直地应力，C_m为稳定锚固常数，C_m的取值为1.5m～2m；然后再获取所述锚管桩基础段的根数为ceil(y/x),其中，x为所述锚管桩基础段长度，且x的取值范围为1m～1.5m。

上述的一种巷道底板支护结构的施工方法，其特征是：步骤106中所述水泥浆中各组分的质量百分比为：水泥70％～85％，硫酸钠5％～10％，石膏5％～10％，生石灰5％～10％。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的巷道底板支护结构设计合理且施工简便、对巷道底板发生底鼓的控制效果好，投入施工成本较低。

2、本发明采用自旋锚管桩进行施工，简化了传统进行锚管锚索施工时需要钻孔并清空钻孔的过程，加快了施工进程。

3、本发明中锚管桩体由多个锚管桩基础段连接而成，可以满足在巷道中比较狭小空间对所述锚管桩体进行分段施工的需要，螺旋结构可以实现锚管桩基础段的自主旋进，减少了传统施工时需要先打孔后设置锚管的复杂施工，在锚管桩基础段的两端分别设置相互配合的公丝扣和母丝扣，可以方便的把多个锚管桩基础段连接为整体结构，满足施工对所述锚管桩体的长度需求。

4、本发明中在巷道两侧旋入斜向锚管桩，在巷道中心位置旋入多根竖向锚管桩，结构布局合理，提高了巷道底板的力学性能，可以更好的防止巷道底板出现底鼓的问题。

5、本发明中采用承压板将多个自旋锚管桩外露端固定连接在一起，可以将旋入巷道底部的自旋锚管桩连接为整体，多个自旋锚管桩作为整体对巷道底板进行支护，可以使巷道底板的稳定性更高，施工效果更好。

6、所采用的巷道底板支护结构的施工方法步骤简单、设计合理且投入施工成本较低，巷道底板支护结构的质量易于保证，并且施工进度快，采用斜向锚管桩和竖向锚管桩相组合进行施工，使巷道底板支护结构的抗拉效果更好，增大了锚管桩对巷道底板的拉力，能够有效预防底鼓的发生；将锚管桩体分成多个锚管桩基础段进行分段施工，满足了在巷道狭小空间内的施工需要，施工过程更加方便高效；锚管桩体的长度按照自稳隐形拱方程确定，具有支护可靠性，保证了所述巷道底板支护结构的强度和性能；同时用混凝土浇筑承压板将锚管桩体的外露端连接为一体，改善了巷道底板支护结构的力学性能，并且有效地提高了巷道底板支护结构的施工质量，降低了施工难度。

综上所述，本发明结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好，能够采用斜向锚管桩和竖向锚管桩的相互配合，提高了巷道底板支护结构的性能，通过浇筑承压板将自旋锚管桩的外露端连接为一体，改善了巷道底板支护结构的力学性能，同时降低了施工难度，实用性强，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明巷道底板支护结构的结构示意图。

图2为本发明巷道底板支护结构中自旋锚管桩的结构示意图。

图3为本发明巷道底板支护结构的施工方法流程框图。

附图标记说明:

1—巷道； 2—锚管桩基础段； 2-1—公丝扣；

2-2—母丝扣； 3—钻头； 4—承托板；

5—钻孔； 6—水泥浆； 7—承压板；

8—巷道底板； 9—巷帮。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明巷道底板支护结构包括沿巷道1纵向延伸方向由后向前等间距布设的多个锚管桩支护结构，所述锚管桩支护结构包括多个沿巷道1横向布设在巷道底板8上的自旋锚管桩和用于固定连接多个所述自旋锚管桩外露端的承压板7，多个所述自旋锚管桩的结构相同，所述自旋锚管桩包括两个设置在巷道底板8两端且靠近巷帮9的斜向锚管桩和多个设置在巷道底板8中部的竖向锚管桩，所述竖向锚管桩和所述斜向锚管桩结构和长度均相同，所述斜向锚管桩自上而下逐渐向靠近巷帮9方向设置；

所述自旋锚管桩包括锚管桩体、设置在所述锚管桩体的一端的钻头3和套装在所述锚管桩体另一端的承托板4，所述承托板4的下侧面与巷道底板8的上侧面紧密接触；

所述锚管桩体由多个锚管桩基础段2拼装组成，所述锚管桩基础段2的一端设置有公丝扣2-1，且所述锚管桩基础段2的另一端设置有能与公丝扣2-1螺纹配合连接的母丝扣2-2。

本实施例中，采用所述锚管桩支护结构，其结构力学合理，施工简单，对巷道底板发生底鼓的防控效果好，可广泛应用到地下工程巷道底板8支护施工中；在巷道1两侧旋入所述斜向锚管桩，在巷道1中心位置旋入多根所述竖向锚管桩，结构设计合理，可以更好的防止巷道底板8出现底鼓的问题；采用所述承压板7将多个所述自旋锚管桩外露端固定连接在一起，可以将旋入巷道1底部的所述自旋锚管桩连接为整体，多个所述自旋锚管桩作为整体对巷道底板进行支护，可以使巷道底板8的稳定性更高，施工效果更好；实际施工中，所述钻头3为双翼钻头，所述钻头3在所述自旋锚管桩旋入巷道1底部的过程中进行钻眼扩孔的操作，可以把所述自旋锚管桩顺利的旋入巷道底板8中，所述承托板4通过所述自旋锚管桩的外露端旋进并紧贴在巷道底板8上，可以在注浆完成后，用来密封所述自旋锚管桩和钻孔5的出口；所述锚管桩体由多个锚管桩基础段2连接而成，可以满足在巷道1中比较狭小空间对所述锚管桩体进行分段施工的需要，所述螺旋结构可以实现所述锚管桩基础段2的自主旋进，减少了传统施工时需要先打孔后设置锚管的复杂施工，在锚管桩基础段2的两端分别设置相互配合的公丝扣2-1和母丝扣2-2，可以方便的把多个锚管桩基础段2连接为整体结构，满足施工对所述锚管桩体的长度需求。

本实施例中，相邻所述锚管桩支护结构之间的水平距离为800mm～2000mm，相邻两个所述竖向锚管桩2的距离为600mm～1000mm，所述斜向锚管桩距离巷帮9的间距为200mm～500mm，所述斜向锚管桩与垂直方向的夹角为5°～20°。

实际使用过程中，相邻所述锚管桩支护结构之间的距离为800mm～2000mm，间距设计合理，在保证较好支护效果的前提下还节约了资源，避免了过余支护造成的资源浪费。

如图2所示，本实施例中，所述锚管桩基础段2为外表面设置有螺旋结构的中空管状体，所述钻头3为双翼钻头。

如图1所示，本实施例中，所述承压板7的断截面为扇环形，承压板7的下部弧度玄高和承压板7的上部弧度玄高相同；所述承压板7的厚度是100mm～300mm。

如图2所示，本实施例中，所述自旋锚管桩的截面模量不小于11cm³，所述锚管桩基础段2的长度为1m～1.5m。

如图3所示，本发明巷道底板支护结构施工方法，过程如下：

沿巷道1纵向延伸方向分多个节段对巷道底板8进行锚管桩支护结构的施工，多个所述锚管桩支护结构的施工方法均相同；其中，对任一个所述锚管桩支护结构进行施工时，包括以下步骤：

步骤一、自旋锚管桩的施工：在巷道底板8安装多根自旋锚管桩，其中，多根所述自旋锚管桩均布设在巷道底板8的同一个巷道横断面上，多根所述自旋锚管桩的锚管桩支护施工方法均相同：

对任一个所述自旋锚管桩进行锚管桩支护施工时，过程如下：

步骤101、自旋锚管桩钻进前准备：先采用钻机在巷道底板8上预先钻安装孔，在当前所施工锚管桩基础段2的母丝扣2-2上安装钻头3，并将所述锚管桩基础段2的公丝扣2-1与钻机连接；

步骤102、锚管桩基础段的钻进施工：将步骤101中所述锚管桩基础段2的母丝扣2-2上安装的钻头3插入步骤101中预先钻好的安装孔中之后，启动所述钻机并通过所述钻机带动锚管桩基础段2由上向下进行钻进，直至锚管桩基础段2的公丝扣2-1外露在巷道底板8上侧；

步骤103、锚管桩基础段接续：在当前已完成钻进且位于锚管桩基础段2的公丝扣2-1上安装下一个锚管桩基础段2，并将下一个锚管桩基础段2的公丝扣2-1与所述钻机连接，

步骤104、锚管桩基础段持续钻进：启动所述钻机并通过所述钻机由上向下进行持续钻进；

步骤105、多次重复步骤103至步骤104，直至完成当前所施工锚管桩体的钻进过程，完成所述锚管桩体的施工，并获得当前所施工锚管桩体所处的钻孔5；

步骤106、钻孔注浆并安装承托板：将水泥浆6注入步骤105中所述钻孔5内，直至水泥浆6溢出所述钻孔5后停止注浆，所述钻孔5注浆完成后，并在所述锚管桩体的外露端安装承托板4，其中，所述承托板4的下侧面与巷道底板8的上侧面紧密接触；

步骤107、多次重复步骤101至步骤106，直至完成所有自旋锚管桩的锚管桩支护施工过程；

步骤二、浇筑承压板：步骤107中完成对所述自旋锚管桩的施工后，并在巷道底板8上现浇混凝土形成承压板7，其中，承压板7的断截面为扇环形，承压板7的下部弧度玄高和承压板7的上部弧度玄高相同；

步骤三、多次重复步骤一和步骤二，直至完成整个巷道1的支护施工过程。

具体施工时，所述自旋锚管桩的锚管桩支护施工包括竖向锚管的支护施工和斜向锚管桩的支护施工，其中，所述竖向锚管桩经巷道底板8由上至下竖直钻进巷道1岩体内，所述斜向锚管桩分别经巷道底板8由上至下逐渐向靠近巷帮9方向倾斜钻进巷道1岩体内。

本实施例中，通过在所述锚管桩体的外露端安装承托板4，是为了对钻孔5注浆完成后，进一步对所述钻孔5和所述锚管桩体的外露端的连接处进行密封,同时所述承托板4和承压板7配合作用，能把所述锚管桩体有效的紧固在钻孔5中，从而达到高效锚固巷道底板8的效果。

本实施例中，通过在钻孔5内注入水泥浆6，从而使得所述锚管桩体能被稳定地锚固在巷道1岩体内，提高所述锚管桩支护结构的强度。

本实施例中，通过在巷道底板8上配合安装所述斜向锚管桩和所述竖向锚管桩，提高了巷道底板8支护结构的性能，然后现浇混凝土形成承压板7，所述承压板7将多个所述自旋锚管桩的外露端固定连接为一体，从而使得所述锚管桩支护结构能对巷道底板8起到较好的支护作用，避免巷道底板8发生底鼓等变形，从而避免对巷道底板8进行返修而造成工作量大维护费用高。

如图1所示，本实施例中，在步骤二中所述承压板7的厚度是100mm～300mm，所述承压板7的下部弧度玄高其中，W₀为巷道1的宽度，σ₂为底板岩石的抗拉强度，p₀为巷道底板8标高处垂直地应力。

本实施例中，所述承压板7的断截面为扇环形，通过巷道1宽度、底板岩石抗拉强度和巷道底板8标高处垂直地应力获取承压板7的下部弧度玄高，且所述承压板7的下部弧度玄高和上部弧度玄高相同，从而保证承压板7能对多个所述自旋锚管桩外露端固定连接，且满足施工需求，保证所述自旋锚管桩外露端被承压板7固定，且由于承压板7的底部与巷道底板8的上侧面精密接触，限定了巷道底板8产生底鼓变形，改善了巷道底板支护结构的力学性能。

如图1和图2所示，本实施例中，步骤一进行自旋锚管桩施工之前，先获取所述锚管桩体的长度其中，W₀为巷道1的宽度，σ₂为底板岩石的抗拉强度，p₀为巷道底板8标高处垂直地应力，C_m为稳定锚固常数，C_m的取值为1.5m～2m,然后再获取所述锚管桩基础段的根数为ceil(y/x),其中，x为所述锚管桩基础段长度，且x的取值范围为1m～1.5m。

本实施例中，步骤一进行自旋锚管桩施工之前，先获取所述锚管桩体的长度，因为所述锚管桩体的长度按照自稳隐形拱方程确定，具有支护可靠性，保证了所述巷道底板支护结构的强度和性能。

需要说明的是，ceil(y/x)表示锚管桩基础段2的根数取不小于y/x的最小整数，符合巷道支护施工需求。

本实施例中，具体实施时，所述锚管桩基础段2的长度为1.5m，既能便于施工人员的钻进施工，满足了在巷道狭小空间内的施工需要，又能减少锚管桩基础段2的续接，提高自旋锚管桩的施工效率，施工过程更加方便高效。

本实施例中，步骤106中所述水泥浆6中各组分的质量百分比为：水泥70％～85％，硫酸钠5％～10％，石膏5％～10％，生石灰5％～10％。

具体实施时，步骤106中所述水泥浆6中各组分的优选方案为：

优选方案1：水泥浆6中各组分的质量百分比为：水泥76％，硫酸钠8％，石膏8％，生石灰8％。

优选方案2：水泥浆6中各组分的质量百分比为：水泥85％，硫酸钠5％，石膏5％，生石灰5％。

优选方案3：水泥浆6中各组分的质量百分比为：水泥70％，硫酸钠10％，石膏10％，生石灰10％。

综上所述，本发明中所述巷道底板支护结构的施工方法步骤简单、设计合理且投入施工成本较低，所述巷道底板支护结构的质量易于保证，并且施工进度快，采用所述斜向锚管桩和所述竖向锚管桩相组合进行施工，使所述巷道底板支护结构的抗拉效果更好，增大了锚管桩对巷道底板的拉力，能够有效预防底鼓的发生；将所述锚管桩体分成多个锚管桩基础段2进行分段施工，满足了在巷道1狭小空间内的施工需要，施工过程更加方便高效；所述锚管桩体的长度按照自稳隐形拱方程确定，保证了所述巷道底板支护结构的强度和性能；同时用混凝土浇筑承压板7将所述锚管桩体的外露端连接为一体，改善了所述巷道底板支护结构的力学性能，并且有效地提高了所述巷道底板支护结构的施工质量，降低了施工难度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。