一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术的制作方法

本发明涉及矿井支护技术领域，特别是指一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术。

背景技术：

经济高速持续发展与国家安全战略离不开矿产资源的开发，随着浅部资源的不断消耗，地下矿山陆续转入深部开采。深部开采工程岩体处于高应力、高岩温、高渗透水压力和开采扰动(即“三高一扰动”)的复杂地质与力学环境下，其巷道与硐室围岩呈现出明显区别于浅部弹性变形、脆性破坏的脆-延性大变形、及延性层裂、离层劈裂、脆性剥落、岩块弹射与区段岩爆等一系列新的动力灾害现象，致灾机理复杂，稳定性难以控制。刚柔耦合吸能支护技术可以有效地缓冲和吸收巷道围岩体破坏时所释放的巨大能量，提高巷道整体稳定性，对保护人员的生命安全和工程设施的生产安全具有十分重要的意义。

目前，我国地下开采巷道支护方式主要有锚杆(索)支护、锚网支护、注浆锚索和锚杆联合支护、棚式支护等。其中，锚杆支护主要是通过施加预紧力以达到阻止围岩裂隙扩展，提高围岩强度和巷道稳定性的目的；因其施工简便、价格低廉、应用范围广等特点而较为常用。

然而，深部岩体在长期的地质构造运动中积蓄了大量的能量，而爆破、开挖等工程活动则会引起局部区域高应变能突然集聚，并在巷道顶部、肩部及底部等形成高应力集中区域，从而造成巷道的失稳破坏；采用刚柔耦合吸能支护技术，可以有效地转移和扩散应力集中区域的高应力，使巷道塑性区围岩应力场和位移场得到均匀分布，从而提高了围岩体内部破裂及岩爆等冲击荷载作用下的巷道安全性能。

技术实现要素：

本发明针对巷道在深部岩体破裂及岩爆等冲击荷载作用下的能量与应力集中及位移变形等问题，提供一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术。

该技术具体为：在巷道开挖掘进过程中，将锚网和锚杆、锚索安装在巷道顶部及两帮，其中巷道顶部的锚网和锚杆、锚索之间通过预应力板加以连接；然后对锚杆和锚索施加高预紧力，预应力板使高预紧力分布趋向均匀，提高支护系统的整体性；随后喷射素或钢纤维混凝土，在巷道顶角和两帮分别用M型钢带固定锚杆。通过高强度锚网、预应力板、锚杆、锚索、混凝土及M型钢带共同作为吸能支护系统形成的综合钢筋混凝土结构来提高巷道顶部及两帮的抗拉强度、抗弯强度及刚度，并承受更大的围岩变形，抵抗岩体内部破裂与岩爆等冲击荷载作用。

其中，锚索为注浆锚索，锚网为菱形金属网，锚杆为螺纹吸能锚杆，当锚杆打入围岩之后，锚杆与围岩形成一个共同承载结构，其螺纹设计可以使岩体在受到冲击荷载时通过螺纹自身的拉伸变形吸收一部分能量。

预应力板由三段弧形板和水平板交替连接组成，水平板中间设有锚杆及锚索通孔，预应力板两端为端部平板，预应力板中间为中间平板，端部平板长度大于中间平板的长度。

预应力板为热轧钢板，三段弧形板两端圆弧的弧长根据现场情况可设计为350～450mm，中间圆弧的弧长可设计为700～1000mm；预应力板宽度可设计为200～300mm，端部平板与中间平板的长度分别为250mm和200mm。三段弧形板两端圆弧的弧长较短而半径较大，中间圆弧的弧长较大而半径较小。

锚网由8#铁丝轧制而成，网孔为35×35mm，具有良好的弹性张拉性能，当巷道发生垮塌、冒落或片帮等岩体失稳现象时，能起到一定的泄压缓冲和网兜吸能的作用。

M型钢带本身具有一定的刚度和良好的柔度，能在岩体内部破裂及岩爆等冲击荷载作用下吸收一部分冲击能量，从而起到一定的缓冲吸能作用。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明先通过吸能锚杆和注浆锚索向岩体内部空隙处注射水泥砂浆，从而将锚杆(锚索)钻孔周围碎裂岩体胶结在一起；然后沿内壁贴紧铺设高强度菱形金属网，之后喷射素(钢纤维)混凝土，当混凝土层恰好覆盖菱形金属网时停止喷射。在巷道顶部和两帮压入三段预应力钢板，然后向三段预应力钢板孔中的螺纹锚杆和注浆锚索施加预紧力，从而改善了围岩的应力分布状态，提高了围岩的整体性，以起到良好的吸能支护效果。与普通混凝土喷层相比，该方案大大提高了结构的抗拉强度、抗弯强度及刚度，能承受更大的围岩变形与开裂，并能吸收一定的冲击能量与荷载。巷道两帮的顶角处往往是应力集中的区域和裂纹裂隙的多发地带，在此处，先打入螺纹吸能锚杆，然后再铺设预应力钢板，再用横、纵向M型钢带进行顶角补强，由于钢带本身也具有一定的刚度和适当的柔度，从而使得螺纹吸能锚杆、预应力钢板和M型钢带形成了一个更好的吸能结构。当巷道顶板及两帮受到冲击荷载时，围岩本身吸收了一部分能量，同时由吸能锚杆、预应力板和M型钢带组成的刚柔耦合结构吸收一部分能量，最后由菱形金属网吸收剩余能量，以起到吸能缓冲的作用。本发明可以更大程度地提高围岩的稳定性，吸收岩体内部破裂及岩爆等冲击荷载作用，起到安全防护的效果。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的横截面结构示意图；

图3为本发明的预应力板俯视图；

图4为本发明的预应力板剖面图。

其中:1—锚索；2—锚网；3—锚杆；4—M型钢带；5—预应力板；6—端部平板；7—中间平板；8—三段弧形板；9—锚杆及锚索通孔。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的巷道在深部岩体破裂及岩爆等冲击荷载作用下的能量与应力集中及位移变形等问题，提供一种适于深部开采巷道的刚柔耦合吸能支护技术。

如图1～图4所示，本发明所述的预应力板5由依次间隔连接的三段弧形板8和水平板组成，个数可根据巷道或硐室大小进行调整；所述预应力板5的两端设有端部平板6，预应力板5中间为中间平板7，端部平板6与中间平板7设有锚索及锚杆通孔9。

本发明中所述预应力板5的宽度B为200～300mm，根据巷道尺寸选取，中间平板7的长度L4为200mm，端部平板6的长度L1为250mm。

如图4所示，根据现场情况，本发明中所述三段弧形板8具体尺寸可设计为：弧形板两端圆弧的弧长L2为350～450mm，圆弧半径R1为2200～2900mm，对应圆弧角度θ1为8～10°；中间圆弧的弧长L3为700～1000mm，圆弧半径R2为1300～1900mm，圆弧角度θ2为25～35°；并且1/2≤R2/R1≤2/3。锚杆及锚索通孔9位于端部平板6和中间平板7的正中间位置，直径根据实际锚杆、锚索选取。

锚索1为注浆锚索，锚网2为菱形金属网，由8#铁丝轧制而成，网孔为35×35mm。锚杆3为螺纹吸能锚杆。

本发明所述三段弧形板8和水平板由热轧钢板分五段弯压制成，采用热轧钢板便于提高预应力板的支撑强度。

水泥砂浆配制：将水和425#普通硅酸盐水泥按照重量0.3:1～0.7:1的比例进行混合配比，然后加入高效减水剂，重量约为水泥用量的1.2％～2.4％。

安装：以河南省三门峡市灵宝地区某金矿深部开采为例，巷道宽4m，预应力板5的宽度B选取为250mm，三段弧形板两端圆弧的弧长L2为400mm，圆弧半径R1为2600mm，对应圆弧角度θ1为9°；中间圆弧的弧长L3为840mm，R2为1600mm，对应圆弧角度θ2为30°。首先，根据巷道岩性和支护要求，确定适当的巷道布置位置。用架柱式钻机对巷道围岩进行钻孔施工，并将注浆锚索1沿钻孔打入，打入部位为巷道顶部，钻孔直径32mm，孔深度5600mm，出露长度180mm。锚杆3则主要安装在巷道的顶板、两帮和底脚处，钻孔直径32mm，其中顶部和两帮孔深2000mm，底脚孔深2400mm，出露长度120mm。为了防止锚杆锚索发生破裂漏浆现象，在安装过程中，锚杆3和锚索1均需注意保证锚杆锚索沿钻孔径直打入，不要发生明显弯曲。注浆时由下而上，左右对称注浆；其中在两帮与底板交界注浆处，需开挖250mm的沟槽，将多余浆体引出；采用锚杆注浆时，注浆压力不大于3MPa，采用注浆锚索时注浆压力不大于5MPa。注浆完成后，将菱形金属网(锚网2)沿巷道内壁贴紧布置，再对巷道围岩下的菱形金属网部分喷射素(或钢纤维)混凝土进行初步强化，喷射厚度以封闭金属网层为止。待混凝土凝结干燥后，在其下部安装预应力板5，在顶角安装横、纵向M型钢带4并在锚杆锚索上拧紧螺母压紧预应力板5，形成“预应力机制”(见图1)。

本发明在施工现场，对巷道塑性区围岩进行的是锚网的主动支护。菱形金属网先紧贴巷道围岩，再喷射一层混凝土层，此方案大大提高了上部结构的抗拉强度、抗弯强度及刚度。菱形金属网是由铁丝扎制而成，铺平张紧后不仅对巷道围岩具有很好的护表支撑作用，而且在岩体内部破裂及岩爆等动力冲击荷载作用时可随围岩鼓出产生“顺势”位移，起到一定的让压缓冲和网兜吸能作用。同时全封闭的护表金属网还可以防止围岩冒顶、片帮、崩落时岩块弹射伤人事故的发生。在将吸能锚杆(索)打入孔内的同时，预应力板对围岩施加了更强的挤压作用，使其可以承受更大的围岩变形和开裂，具有更强的变形适应能力。预应力板与M型钢带共同对锚网提供了更为均匀的约束，很大程度上提高了结构的稳定性，起到安全防护的效果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。