基于钢混组合支架及喷碹的复合支护系统及其施工工艺

1.本发明属于地下工程支护技术领域，具体是涉及基于钢混组合支架及喷碹的复合支护系统及其施工工艺。


背景技术：

2.随着我国对能源需求量的增加和开采强度逐步加大，深部巷道支护面临围岩变形量大、深部高地压、巷道底臌量大等问题。目前深部巷道支护主要采用混凝土系列支护、u型棚架支护、主被动耦合系列支护等，通过控制围岩变形来保证巷道稳定性。工程实践中，这些支护形式在深部“三高一扰动”的复杂力学环境下，因各向不等压的原岩应力引起岩石的延性破坏，导致支护结构和巷道严重变形破坏。
3.目前深部巷道普遍采用锚网喷支护，即先打锚杆，后挂网喷射混凝土，以锚网喷为基础，此后架设刚性支架或浇筑混凝土碹体。这种主被动耦合支护方式承载力低，喷射混凝土为脆性支护体，受压后容易开裂片帮，同时支护不防水，混凝土开裂后围岩容易渗漏水，造成巷道的支护系统腐蚀或巷道底板浸水软化破坏，降低巷道整体稳定性。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了基于钢混组合支架及喷碹的复合支护系统及其施工工艺，该系统适应深部巷道采掘扰动、高地压等多因素影响，不仅可以适应巷道一定程度上的不规则位移变形，不发生结构层破坏；还可以缓压和吸收由采掘扰动产生的能量。
5.本发明实施例提供了基于钢混组合支架及喷碹的复合支护系统，包括设置在巷道内壁上的锚网层，在所述锚网层的外侧设置柔性可缩层，柔性可缩层的外侧架设支架，在支架的内外侧均设有钢筋网，以支架和钢筋网为骨架构建碹体喷层，钢筋网和支架嵌入到碹体结构内部形成刚性层，刚性层与锚网层之间为柔性可缩层，锚网层受压之后先挤压柔性可缩层，实现让压，之后与刚性层接触形成耦合支护。
6.进一步地，在所述钢筋网上设有毛刺，增加喷射混凝土粘结强度，以便形成高强碹体结构。
7.进一步地，在所述柔性可缩层的外侧喷射防水涂料。
8.进一步地，所述支架由多个圆形钢管支架连接而成，每个圆形钢管支架由顶弧段、底弧段以及侧弧段拼接而成，相邻的弧段之间通过内扣式套管连接，且通过钢筋紧箍。
9.进一步地，所述柔性可缩层与支架之间设有间隙，用木背板插花式充填。进一步地，柔性可缩层的厚度要高出锚杆端头。
10.进一步地，所述刚性层为半圆拱形，且设置在巷道的上拱段，巷道的下拱段内柔性可缩层的外侧与支架之间设有支撑件，所述支架的外侧设置填充层形成工作面。
11.进一步地，所述锚网层包括若干根嵌入到巷道内部的锚杆，锚杆的端部穿过钢筋网，通过托盘压紧在钢筋网上。
12.本发明实施例还提供了如上述任一项所述的基于钢混组合支架及喷碹的复合支护系统的施工工艺，该施工工艺包括如下过程：巷道开挖成形，进行锚网层支护，在锚网层的外侧喷涂塑性材料形成柔性可缩层；架设支架，在支架的内外两侧铺设钢筋网，且在支架的外侧与柔性可缩层之间填充背板；在支架的内外两侧喷射高强度混凝土形成碹体结构，在支架的内外两侧喷射高强度混凝土形成碹体结构，同时通过背板支撑保证碹体结构与柔性可缩层之间设有预留变形空间。
13.进一步地，在实施碹体结构之前，在支架的内侧铺设一层毛刺钢筋网，然后进行第一次喷射高强度混凝土，间隔设定的时间，铺设第二层毛刺钢筋网，再进行第二次喷射高强度混凝土；整个喷射过程中注意喷射方向与围岩始终保持垂直，施工顺序为先喷巷道两帮的围岩，再喷巷道顶部围岩和底部反底拱。
14.本发明的有益效果如下：本发明提供的复合支护系统在巷道受到高采掘扰动时，设置在巷道壁面上的锚网层与柔性可缩层能够作为主动支护，适应巷道一定程度上的不规则位移变形，不发生结构层破坏；缓压和吸收由采掘扰动产生的能量，同时柔性可缩层受压变形之后，能够在柔性可缩层与碹体结构之间的空隙内让压、泄压变形，且通过变形之后能够与内部嵌入支架和钢筋的刚性层相接触并进行支撑，其中碹体内支架的内外侧设有钢筋网使得刚性层能够承强支撑压力，这样通过锚网层与柔性可缩层以及刚性层刚柔相融，主被结合，先让后抗，有效阻止深部巷道位移变形。
附图说明
15.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
16.图1为本发明实施例提供的用于巷道内的复合支护系统的整体结构图；图2为本发明实施例提供的毛刺钢筋网侧视图；图3为本发明实施例提供的碹体局部剖面图；图4为本发明实施例提供的巷道内底部的第一种支护结构图；图5为本发明实施例提供的巷道内底部的第二种支护结构图；图6为本发明实施例提供的巷道内底部的第三种支护结构图。
17.图中：1、锚杆，2、掘进断面，3、柔性可缩层，4、防水层，5、工字钢梁，6、接头套管，7、支架，8、弧形泄压空间，9、可塑性喷涂材料，10、矸石层，11、碹体结构，12、毛刺钢筋网，13、背板，14、预制弧板层，15、高强度混凝土层。
具体实施方式
18.参见图1所示，本发明实施例提供了一种基于喷碹+钢管混凝土支架的巷道复合支护系统，该支护系统主要包括在巷道圆周方向设置的若干根锚杆1，与钢筋网协同形成锚网层，作为临时支护。
19.进一步地，在所述锚网层的外侧使用专用的设备喷涂一层可塑性材料形成柔性可
缩层3用于柔性抵抗壁面所受到的高采掘扰动，然后在所述柔性可缩层3的外侧架设刚性支架7来辅助抵抗高采掘扰动。
20.所述支架7与柔性可缩层3之间设有预留变形空间，该预留变形空间形成一个弧形泄压空间8，所述弧形泄压空间8具有一定的厚度，当柔性可缩层3在受压之后，能够在弧形泄压空间8进行一定的让压、泄压、变形。
21.进一步地，在所述支架7的内外两侧喷射高强度混凝土形成圆拱形碹体结构11，其中支架的内外两侧铺设毛刺钢筋网12，所述圆拱形碹体结构11将所述支架7以及毛刺钢筋网12全部包裹住形成一个刚性层。
22.这样，本发明实施例提供的复合支护系统在巷道受到高采掘扰动时，设置在巷道壁面上的锚网层与柔性可缩层能够作为主动支护，适应巷道一定程度上的不规则位移变形，不发生结构层破坏；缓压和吸收由采掘扰动产生的能量，同时柔性可缩层受压变形之后，能够在柔性可缩层与刚性层之间的空隙内让压、泄压变形，且通过变形之后能够与内部嵌入支架和钢筋网的刚性层相接触并进行支撑，其中碹体内支架的内外侧设有钢筋网使得刚性层能够承强支撑压力，这样通过锚网层与柔性可缩层以及刚性层刚柔相融，主被结合，先让后抗，有效阻止深部巷道位移变形。
23.具体地，本实施例中的锚网层是在深部巷道掘进断面2架设永久支护之前，架设的维护巷道安全和工作空间的临时支护，以保护掘进施工人员的安全，也是永久支护的一部分，为巷道喷涂层做好准备工作。
24.为增强围岩稳定性且与柔性可缩层3相融性，所述锚杆1规格一般是φ20
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2400mm，所述锚杆通过托盘压紧在钢筋网上。
25.参见图1和图2所示，本实施例中的柔性可缩层3优选采用可塑性喷涂材料，施工效率高，且质量标准化，柔性可缩层3的外部可喷射防水涂料4，这样可以形成让压层兼防水层，适应围岩一定程度变形。
26.需要说明的就是，本实施中的柔性可缩层3的厚度可以根据锚杆1的端头长度来确定，通常柔性可缩层3的喷涂厚度应超过锚杆1端头20-40mm，这样可以保证缓压吸能和密闭防水的结构不发生破坏，同时在喷涂前应该确定好塑性材料层与锚网层的耦合控制机制，使其能够更好的融合在一起。
27.优选地，本实施例中的柔性可缩层3采用可塑性喷涂材料喷涂，是一种绿色的、微膨胀性、双组份、多用途的复合改性喷涂材料，能够使复合支护系统具有柔性让压、吸能的优势，当巷道来压过大时，围岩应力使柔性可缩层3压缩变形，厚度减小，同时柔性可缩层3因具有可塑性，不会导致结构层破坏，能及时泄压、缓压，再传递给碹体和支架共同承载，发挥支架先让后抗的工作性能。
28.进一步地，在本实施例中所述支架7主要由多段圆形钢管支架连接而成，相邻的两架圆形钢管支架通过钢管混凝土连杆或者其他机构相连接。
29.参见图1所示，本实施例中支架7中的每段圆形钢管支架由顶弧段，侧弧段以及底弧段拼接而成，相邻的两段之间通过内扣式接头套管6连接，并用23根直径不小于15mm的钢筋紧箍，防止套管滑脱和破坏。
30.所述支架的形状可以选用常用的圆形或椭圆形支架，规格一般是外径150-265mm，壁厚6-16mm，其中接头套管可以采用外径160-285mm。当然，本实施例中的支架也可以采用
gfrp管混凝土支架或其他高强支架替代。
31.进一步地，参见图2和图3所示，本实施例中支护架的内外两侧分别设有一层毛刺钢筋网12，所述毛刺钢筋网12主要由若干根横向钢筋和纵向钢筋组成的网状结构，然后在钢筋的表面上设置一些毛刺，此基础上，分层、分段喷射高强度混凝土形成一定厚度的碹体结构11将毛刺钢筋网12和支架连接在一起。
32.优选地，本实施例中的毛刺钢筋网12一般采用规格的是100
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100mm，编制时每根钢筋直径不小于8mm，每100毫米有1~3根毛刺，分别布置在钢管混凝土支架内外两侧，增大高强度混凝土附着面积，当开采扰动过大，引起各向不等的高压、高剪应力可以通过毛刺钢筋网12和碹体优化应力分布，使巷道均匀受力，共同承载，防止局部破坏，充分利用复合支护系统优势。
33.当然，在围岩断层破碎的巷道，可在支架7的内外两侧编制钢筋骨架，然后浇筑高强度混凝土做成碹体结构11。
34.优选地，要求喷射的高强度混凝土24h单轴抗压强度不低于8mpa，喷射混凝土用水必须是无杂质的洁净水，污水、ph值小于4的酸性水均不得使用，混凝土强度等级为c30~c40，一般是c40，碹体厚度一般是200mm，分段宽度800mm，覆盖整个巷道。
35.进一步地，本实施例中的碹体结构11与柔性可缩层3之间还设有一层弧形泄压空间，参见图1和图3所示，本实施例中在架设支架7的时候，支架7与柔性可缩层3之间会预留一定的空间，在所述空间内放置背板13，其中背板13的端面与碹体结构11像接触，通过背板13的厚度空间形成一层弧形泄压空间8，该弧形泄压空间8可以为中空或者内部填充一些柔性材料，这样就形成非完全密实泄压空间，当柔性可缩层3受压之后，可以在该弧形泄压空间8进行一定的变形，所以弧形泄压空间8能够辅助锚网层、柔性可缩层3柔性让压，形成缓压吸能—泄压系统，充分发挥主动支护各层间的协同作用。
36.需要说明的就是，巷道在满足安全和技术要求的前提下，根据围岩性质，作用在巷道上地压大小和方向等条件确定巷道断面形状和尺寸，进而确定支架的尺寸和形状，然后根据现场实际施工情况，要保证碹体的断面形状同巷道断面和支架形式适应，还需要确定的主要参数有：喷涂层厚度，高强度混凝土的材料配比及外加剂的种类和数量，碹体厚度，支架间距等。
37.进一步地，本发明实施例提供的复合支护系统还对巷道的底部提出了处理方式，因为深部巷道因底臌问题所引起围岩变形已成为阻碍矿井高效生产的主要难题，参见图4-图6所示，在巷道底部通过可塑性材料喷涂形成底拱之后，待其固化后，再在其上部布置2-3根钢梁，然后在钢梁上架设支架7，架设完支架7之后，再铺设填充层形成工作面。
38.如图4所示，在架设完支架7之后，喷射一定厚度混凝土覆盖，再回填矸石层10填平，使成为让压底拱。
39.作为另外的一个实施例，参见图5所示，在巷道底工开挖之后，可以先做密闭防水层4，其次布置2~3根工字钢梁5，安装支架7，支架在外侧铺设高强度预制弧板层14。
40.或者，参见图6所示，底拱开挖后，先布置2~3根工字钢梁5，然后安装钢管混凝土支架，喷射高强度混凝土层15并包裹钢管混凝土支架，使底拱两端压在墙下，与墙联为整体，复喷成巷。
41.下面详细说明一下基于上述实施例提供的基于喷碹+钢管混凝土支架的巷道复合
支护系统的施工工艺，该施工工艺包括如下过程：第一步，巷道开挖成形，进行锚网层支护，保证施工空间内短时间稳定和安全；第二步，使用喷涂设备，喷涂可塑性材料形成柔性可缩层3，同时在柔性可缩层3的外部设置一层防水层4形成让压兼防水层4；第三步，采用安装机完成空钢管支架组装，填充背板13材料，安装前须在反底拱段放置2~3根工字钢梁5，第一架支架和其后每隔10架支架，锚固一架。
42.第四步，安装10～15架空钢管支架灌注核心混凝土一次，为使钢管灌注混凝土充填密实，施工顺序是底弧段、两帮段、顶弧段。
43.第五步，在支架7内侧铺设一层毛刺钢筋网12，然后进行喷射高强度混凝土约100mm厚，间隔一定时间（5~10min），铺设第二层毛刺钢筋网12，再喷射第二层高强度混凝土（100mm）形成碹体结构。
44.整个喷射过程中注意喷射方向与围岩始终保持垂直，应分段、分部、分块、自下而上、先凹后凸的进行喷射，施工顺序为先喷巷道两帮的围岩，再喷巷道顶部围岩和底部反底拱，保证碹体施工质量，与钢管混凝土支架形成稳定被动支护系统。
45.重复以上步骤，完成所有支架7施工，最终形成主被结合，先让后抗，稳定支护的复合支护系统。
46.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
47.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。