钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种无煤柱开采巷旁充填支护技术，尤其是一种钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法，用于沿空留巷巷旁充填支护技术中。

背景技术：

钢管混凝土墩柱沿空留巷以其突出的技术经济优势在煤矿沿空留巷巷旁充填支护技术中得到越来越多的应用。与传统的混凝土墙体巷旁支护相比，钢管混凝土墩柱的外部钢管不仅在浇筑混凝土过程中充当模板的作用，同时给内部混凝土提供约束，使内部混凝土处于三向应力状态，在一定程度上提高内部混凝土的强度和延性。外部钢管在内部核心混凝土的约束作用下，由原来的单向应力状态变为双向应力状态，其力学特征也得到有效地发挥。因此，基于钢管和混凝土组合结构优势的钢管混凝土墩柱沿空留巷技术应运而生。然而，由于井下巷道高度的不一致性，标准尺寸的钢管混凝土柱在使用过程中与巷道顶板的接触性问题一直没有得到有效解决。为实现充分接顶，通常在钢管混凝土墩柱上方架设不同厚度的枕木以适应不同的巷道高度变化。枕木的强度和延性与钢管混凝土墩柱相比存在较大的差异性，对于充分发挥钢管混凝土墩柱结构高强、高延展性的技术优势产生不利影响。具体表现为顶板来压过程中枕木产生较大变形，但是承载力始终处于较低水平，最终导致在留巷初期出现较大范围的顶板下沉，甚至会引起上覆岩层的离层，继而影响整个留巷系统的稳定性。另一方面，钢管混凝土墩柱本身隶属于被动支护体系，无法在架设初期提供有效的初撑力用以抵抗上覆岩层的移动，特别是在留巷初期无法提供足够的初撑力切断工作面采空区侧顶板以形成弧形三角板结构。为解决钢管混凝土墩柱的充分接顶问题和初撑力问题，本发明提出一种钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法，最大限度地实现钢管混凝土墩柱的充分接顶，并提供有效的可控的初撑力。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种能够充分接顶并提供可控初撑力的钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法，解决传统钢管混凝土墩柱沿空留巷支护技术中无法充分接顶的技术问题，同时改变现有钢管混凝土墩柱沿空留巷的被动支护形式为主动支护，提供可以根据实际需要调节的初撑力。

一种钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构，包括钢管混凝土墩柱和液压千斤顶，所述的钢管混凝土墩柱由外部钢管和内部充填的混凝土组成，所述的液压千斤顶的直径比钢管混凝土墩柱中钢管的内径小5cm。

所述的钢管混凝土墩柱的外部钢管通过在上下两端焊接圆形钢板的方式实现空间密闭。其中，上端头钢板焊接在距离外部钢管上部边缘3cm的位置，空出的位置作为限位槽用以安放液压千斤顶。钢管顶部位置留设有注浆孔和排气孔，其中排气孔位置高于注浆孔，注浆孔通过空心螺丝与带有单向阀的橡胶软管连接。

所述的带有单向注液阀的橡胶软管另一端通过快速接头与混凝土注浆管连通，注浆过程中钢管内的空气在混凝土浆液压力作用下通过排气孔排出，当排气孔出现连续性混凝土浆液溢出时，表明钢管已经被混凝土完全充满，此时可以停止注浆作业。

所述的液压千斤顶装置为配套有压力表的圆柱形液压千斤顶，所述的圆柱形液压千斤顶可以直接放置在钢管上端头留设的高度为3cm的限位槽里。

所述的液压千斤顶通过乳化液输送管与布置在巷道底板上的乳化液泵站连通，通过乳化液泵站为液压千斤顶的活塞运动提供动力。

一种实现上述钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构的施工方法，具体方法步骤如下：

（1）按照设计要求施工钢管混凝土墩柱；

（2）将液压千斤顶放置在已经施工完成的钢管混凝土墩柱顶部预留的限位槽里，调整位置，使液压千斤顶尽可能的与巷道顶板保持水平。

（3）启动乳化液泵站开始供液。乳化液通过乳化液输送管注入液压千斤顶的过程中需要随时观察安设在液压千斤顶上的压力表，当压力表读数达到1mpa时，停止加压，第一次施加初撑力过程结束。

（4）循环上述步骤，直至所有钢管混凝土墩柱主动支护结构具有1mpa的初撑力。

（5）间隔一天后，对所有液压千斤顶进行二次施压，当压力表读数达到2mpa时停止加压。至此，整个钢管混凝土墩柱主动支护结构施工完成，此时压力表显示的读数为最终提供的初撑力。此时，可以拆掉与注浆孔连接的橡胶软管，留做下一轮混凝土墩柱施工过程中使用。

所述步骤（1）中施工钢管混凝土墩柱的方法如下：

a、对预先选定的施工位置的巷道底板进行找平处理，通过空心螺丝将钢管上的注浆孔与橡胶软管（1连接。将连接好橡胶软管的钢管按照注浆孔、排气孔朝上的位置沿巷道高度方向竖立后，紧贴钢管外壁沿钢管环向均匀布置3根单体液压支柱，所述的单体液压支柱应避开注浆孔和排气孔，以免影响正常的注浆作业；

b、检查混凝土注浆泵和混凝土注浆管是否正常。一切正常后通过快速接头将混凝土注浆管与橡胶软管另一端连接，完成准备工作。

c、启动混凝土注浆泵，将混凝土注入钢管中。随着混凝土浆液的注入，钢管中的空气通过排气孔排出，当留设在钢管上部的排气口出现连续性混凝土浆液溢出时，停止注浆。

d、拆掉与混凝土注浆管一端连接的快速接头，钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构中单个钢管混凝土墩柱的施工结束。

所述的步骤（2）中液压千斤顶的安装顺序可以根据实际施工环节的技术要求进行适当调整，具体为：若巷道高度过高或顶板条件复杂，为避免液压千斤顶施工过程中对施工人员造成的潜在威胁，可以在步骤（1）架设钢管之前，提前将液压千斤顶安设至预留在钢管顶部的限位槽中。

所述的步骤（5）中提到二次施压最终初撑力的大小可以根据实际工程条件进行调整，但是必须保证施加的最终初撑力不高于钢管混凝土墩柱中混凝土的同期强度，以避免对钢管混凝土墩柱结构产生人为损坏。同时，若使用快凝早强混凝土，二次施压可在混凝土墩柱施工结束后8小时开始进行。

本发明的有益效果在于能够改变传统的钢管混凝土沿空留巷的被动支护形式为主动支护，可以根据工程需要提供合适的初撑力，对于及时切断沿空留巷采空区侧上覆岩层，形成弧形三角板结构具有重要的意义。同时，通过在钢管上部限位槽中安设的液压千斤顶在提供合适初撑力的前提下实现钢管混凝土墩柱与巷道顶板良好的接触，可以有效避免顶板离层对沿空留巷整体稳定性造成的影响。此外，液压千斤顶配套的压力表可以实时监测钢管混凝土墩柱的承载力变化特征，减少了专门设置压力监测装置产生的额外经济成本。

附图说明

图1是本发明钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法的整体布置示意图；

图2是本发明钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法的钢管混凝土墩柱整体结构示意图；

图3是本发明钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法的钢管和液压千斤顶连接示意图；

图4是本发明钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法的注浆孔与混凝土注浆管快速连接方式示意图；

图5是本发明钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构及其施工方法的单体液压支柱架设示意图；

图中：1-巷道顶板，2-压力表，3-注浆孔，4-快速接头，5-乳化液输送管，6-混凝土注浆管，7-钢管，8-混凝土，9-乳化液泵站，10-工作面采空区，11-液压千斤顶，12-排气孔，13-橡胶软管，14-混凝土注浆泵，15-巷道底板，17-圆形钢板，18-空心螺丝，19-单向注液阀，20-限位槽，21-单体液压支柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作以描述，但要求保护的范围并不局限于所述。

图1所示，本发明所述的钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构，包括钢管混凝土墩柱和液压千斤顶（11）、混凝土注浆泵（14）和乳化液泵站（9）。其中位于工作面采空区（10）一侧的钢管混凝土墩柱由钢管（7）和混凝土（8）组合而成。巷道底板（15）上布置有乳化液泵站（9）和混凝土注浆泵（14）。乳化液泵站（9）通过乳化液输送管（5）给安设有压力表（2）的液压千斤顶（11）提供动力。所述的液压千斤顶（11）安设在钢管（7）的顶部，一端与巷道顶板（1）连接。混凝土注浆泵（14）通过混凝土注浆管（6）给钢管（7）中注入混凝土（8）。混凝土注浆管（6）通过快速接头（4）与橡胶软管（13）连接，橡胶软管（13）另一端与注浆孔（3）连接。当混凝土浆液从排气孔（12）连续性溢出时，表明钢管（7）内已经完全充满混凝土（8）。

图2所示，本发明所述的钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构的液压千斤顶（11）直径比钢管（7）的内径小5cm。所述的钢管（7）上下两端焊接有大小相同的两个圆形钢板（17），其中上端头圆形钢板（17）焊接在距离钢管（7）上部边缘3cm的位置，空出的位置用来安放液压千斤顶（11）。钢管（7）上端留设有注浆孔（3）和排气孔（12），排气孔（12）的位置高于注浆孔（3）。钢管混凝土墩柱施工过程中，钢管（7）中的空气通过排气孔（12）排出。实际操作过程中可以将安设有压力表（2）的液压千斤顶（11）直接放置在钢管（7）上端头的圆形钢板（17）上。

图3所示，配套有压力表（2）的液压千斤顶（11）放置在钢管（7）顶部预留的高度为3cm的限位槽（20）中，下端与焊接在钢管（7）上端头的圆形钢板（17）接触。其中液压千斤顶（11）的直径比钢管（7）的内径小5cm。

图4所示，本发明所述的钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构的注浆孔（3）与混凝土注浆管（6）快速连接方式具体为：注浆孔（3）外侧焊接有可以通过混凝土浆液的空心螺丝（18），内置有螺纹的橡胶软管（13）一端与空心螺丝（18）连接，另一端通过快速接头（4）与混凝土注浆管（6）连接。所述的橡胶软管（13）中部位置安设有单向注液阀（19），可以防止混凝土浆液回流。

图5所示，本发明所述的钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构的单体液压支柱（21）紧贴钢管（7）外壁沿钢管（7）环向均匀布置3根。

如图1至图5所示，本发明所述的钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构的施工方法主要包括：（1）按照设计要求施工钢管混凝土墩柱，首先对巷道底板（15）进行找平处理，通过焊接在钢管（7）注浆孔（3）上的空心螺丝（18）将注浆孔（3）与橡胶软管（13）连接。之后，将钢管（7）沿垂直于巷道顶板（1）和巷道底板（15）连线的方向竖立起来，紧贴钢管（7）外侧沿钢管（7）环向均匀支设3根单体液压支柱（21）。检查混凝土注浆泵（14）和混凝土注浆管（6）是否正常。一切正常后，通过快速接头（4）将混凝土注浆管（6）与橡胶软管（13）连接，完成准备工作。启动混凝土泵（14）开始注浆。当留设在钢管（7）上部的排气孔（12）出现连续性混凝土浆液溢出时，停止注浆。拆掉与混凝土注浆管（6）一端连接的快速接头（4），钢管混凝土墩柱沿空留巷主动支护结构中钢管混凝土墩柱的施工结束；（2）将带压力表（2）的液压千斤顶（11）放置在已经施工完成的钢管混凝土墩柱中钢管（7）顶部的限位槽（20）中，调整位置，使液压千斤顶（11）尽可能的与巷道顶板（1）保持水平；（3）启动乳化液泵站（9）开始供液。乳化液通过乳化液输送管（5）注入液压千斤顶（11）的过程中随时观察安设在液压千斤顶（11）上的压力表（2），当压力表（2）读数达到1mpa时，停止加压，第一次施加初撑力过程结束；（5）循环上述步骤，直至所有钢管混凝土墩柱主动支护结构具有1mpa的初撑力。（7）间隔一天后，对液压千斤顶（11）进行二次施压，当压力表（2）读数达到2mpa时停止加压。至此，整个钢管混凝土墩柱主动支护结构施工完成，此时为最终提供的初撑力。所述的步骤（2）中液压千斤顶的安装顺序可以根据实际施工环节的技术要求进行适当调整，具体为：若巷道高度过高或顶板条件复杂，为避免液压千斤顶（11）施工过程中对施工人员造成的潜在威胁，可以在步骤（1）架设钢管（7）之前，提前将液压千斤顶（11）安设至预留在钢管（7）顶部的限位槽（20）中。所述的步骤（5）中提到二次施压最终初撑力的大小可以根据实际工程条件进行调整，但是必须保证施加的最终初撑力不高于钢管混凝土墩柱中混凝土（8）的同期强度，以避免对钢管混凝土墩柱结构产生人为损坏。同时，若使用快凝早强混凝土，二次施压可在混凝土墩柱施工结束后8小时开始进行。