用于掘进巷道的支护框架、支护结构及巷道掘进方法与流程

本发明涉及煤炭开采技术领域，更具体地，涉及一种用于掘进巷道的支护框架、支护结构及巷道掘进方法。

背景技术：

近年来，随着煤炭开采技术的进步，综采工作面设备趋于重型化、大型化，无轨胶轮运输车整装搬运大型设备升入井已成现代化矿井的发展趋势，因此，对煤矿井下巷道断面尺寸、结构安全和服务年限要求也在不断的提升。对巷道掘进施工装备、技术、工艺以及安全提出了新的要求和挑战。

现有煤矿井下巷道挖掘采用连续掘进机、掘锚机或炮掘施工，通常一次掘进成巷，以顺槽为例，顺槽尺寸宽×高：6.0×4.3m，断面积为25.8m²，采用大采高液压支架(7.0m)支护，施工难度相对较大。随着巷道断面尺寸的不断加大，掘进难度大幅度增加，例如对围岩稳定造成更大破坏，并导致失去稳定性，使巷道两帮片帮加剧；另外，巷道宽度大、跨度长，造成巷道顶板更容易断裂和垮落失稳，造成井下施工风险高。当上述巷道断面相对扩大5倍～7倍形成超大断面时，目前的支护方式以及施工方法无法满足超大断面的施工要求，尤其是面临掘进坡度大、穿越地质层多、地质变化复杂的斜井掘进。

因此，需要一种用于掘进巷道的支护框架、支护结构及巷道掘进方法，来解决上述问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于掘进巷道的支护框架、支护结构及巷道掘进方法，支护效果好，支护速度快，满足超大断面所需支护要求，以便能够实现快速、安全、环保施工，巷道掘进方法的掘进速度快，成型效果好，施工安全性能好，而且巷道的服务年限长。

基于上述目的本发明提供的一种用于掘进巷道的支护框架，包括：

两个相对设置的侧部支架，所述侧部支架包括顶端和底端；

第一弧形支架，所述第一弧形支架设置在所述侧部支架上方，所述第一弧形支架向远离所述侧部支架的所述顶端一侧凸出；

第二弧形支架，所述第二弧形支架设置在所述侧部支架下方，所述第二弧形支架向远离所述侧部支架的所述底端一侧凸出；

其中，两个所述侧部支架、第一弧形支架和第二弧形支架围合成所述支护框架。

优选地，所述第一弧形支架包括多个依次连接的第一支撑段，多个所述第一支撑段之间为可拆卸连接。

另外，优选地，所述第二弧形支架包括多个依次连接的第二支撑段，多个所述第二支撑段之间为可拆卸连接。

基于上述目的本发明还提供一种支护结构，包括：

多个依次间隔排列的上述的用于掘进巷道的支护框架；

至少一个连接筋，所述连接筋与多个所述支护框架依次连接，将所述多个所述支护框架连接为一体结构。

优选地，多个所述连接筋沿着所述支护框架的所述侧部支架的延伸方向间隔分布。

另外，优选地，所述连接筋包括多个用于连接相邻的所述支护框架的连接杆，多个所述连接杆依次首尾连接，相邻的所述连接杆之间设置有夹角。

基于上述目的本发明还提供一种巷道掘进方法，包括：

(1)根据巷道断面起始位置，建立分别布置有掘进设备的上部挖掘平台、中部挖掘平台和下部挖掘平台；

(2)在所述上部挖掘平台使用所述掘进设备对所述巷道断面上部开挖，形成上硐室，并对所述上硐室进行支护；

(3)在所述上硐室内安装上述的用于掘进巷道的支护框架的所述第一弧形支架；

(4)在所述中部挖掘平台使用所述掘进设备对所述巷道断面中部开挖，形成中硐室，并对所述中硐室进行支护；

(5)在所述下部挖掘平台使用所述掘进设备对所述巷道断面下部开挖，形成下硐室，并对所述下硐室进行支护，至此所述上硐室、所述中硐室和所述下硐室三者贯通形成硐室；

(6)在所述中硐室和所述下硐室内安装上述的用于掘进巷道的支护框架的所述侧部支架，在所述下硐室的底部安装上述的用于掘进巷道的支护框架的所述第二弧形支架；

(7)将处于同一竖直平面的所述第一弧形支架、两个所述侧部支架以及所述第二弧形支架焊接固定为所述支护框架。

优选地，在步骤(3)中还包括：根据所述第一弧形支架的预设位置，依次安装多个第一支撑段，多个所述第一支撑段之间为可拆卸连接。

优选地，在步骤(6)中还包括：根据所述第二弧形支架的预设位置，依次安装多个第二支撑段，多个所述第二支撑段之间为可拆卸连接。

另外，优选地，在步骤(7)中还包括：在所述硐室内安装多个依次间隔排列的所述支护框架，将至少一个连接筋与多个所述支护框架依次连接，将所述多个所述支护框架连接为一体结构。

从上面所述可以看出，本发明提供的用于掘进巷道的支护框架、支护结构及巷道掘进方法，与现有技术相比，具有以下优点：在开挖大断面或超大端面巷道时，支护框架提供更好的承载效果，提供更好的围岩稳定性，支护效果好，还能满足超大断面所需支护要求。采用支护结构对巷道进行支护，支护速度快，满足超大断面所需支护要求，以便能够实现快速、安全、环保施工。煤矿巷道掘进原传统支护工艺不能满足如此大断面巷道施工和后续tbm拆解期间在顶部安装起吊锚索进行顶帮承重，采用巷道施工方法开挖巷道，能保证巷道施工期间安全和后续使用安全，掘进速度快，成型效果好，施工安全性能好，而且巷道的服务年限长。

附图说明

通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明具体实施例中采用的用于掘进巷道的支护框架的示意图。

图2为本发明具体实施例中采用的包括多个图1所示的用于掘进巷道的支护框架的支护结构局部示意图。

图3为本发明具体实施例中采用的使用巷道掘进方法开挖的硐室的平面示意图。

图4为图3所示的硐室的a-a剖视图。

其中附图标记：

100：支护框架；

1：侧部支架；2：第一弧形支架；3：第二弧形支架；

11：顶端；12：底端；21：第一支撑段；31：第二支撑段；

110：连接筋；111：连接杆；

200：硐室；

201：第一预埋件；202：第二预埋件；203：开口；

204：螺纹钢螺杆；205：玻璃钢螺杆；206：封堵墙；207：锚索；

300：tbm盾构机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为本发明具体实施例中采用的用于掘进巷道的支护框架的示意图。如图1所示，用于掘进巷道的支护框架包括：侧部支架1、第一弧形支架2和第二弧形支架3。

两个侧部支架1相对设置，侧部支架1包括顶端11和底端12。

第一弧形支架2设置在侧部支架1上方，第一弧形支架2向远离侧部支架1的顶端11一侧凸出。

第二弧形支架3设置在侧部支架1下方，第二弧形支架3向远离侧部支架1的底端13一侧凸出。

其中，两个侧部支架1、第一弧形支架2和第二弧形支架3围合成支护框架100。

在开挖大断面或超大端面巷道时，支护框架100提供更好的承载效果，提供更好的围岩稳定性，支护效果好，还能满足超大断面所需支护要求。侧部支架1能够加强对巷道侧部支护，避免片帮加剧；第一弧形支架2为巷道顶部提供拱形支撑，降低其发生断裂和垮落失稳的可能性，为井下提供安全的施工环境；第二弧形支架3对巷道底部支护，有效预防巷道因断面大、受围岩应力集中而形成的底鼓。

优选地，第一弧形支架2包括多个依次连接的第一支撑段21，多个第一支撑段21之间为可拆卸连接。将第一弧形支架2分割为多个第一支撑段21，可以降低运输和安装难度。第一支撑段21之间可拆卸连接，可以增加使用灵活性。

在本实施例中，使用hw200型钢钢架制作第一弧形支架2，对hw200型钢钢架进行冲击压弯，第一弧形支架2的横截面呈半圆状，第一弧形支架2的半径为5.37m，弧长为16.8m，将第一弧形支架2平均分割成3个第一支撑段21，每个第一支撑段21的弧长为5.6m。第一支撑段21之间通过螺栓连接。

另外，优选地，第二弧形支架3包括多个依次连接的第二支撑段31，多个第二支撑段31之间为可拆卸连接。将第二弧形支架3分割为多个第二支撑段31，可以降低运输和安装难度。第二支撑段31之间可拆卸连接，可以增加使用灵活性。

在本实施例中，使用hw200型钢钢架制作第二弧形支架3，对hw200型钢钢架进行冲击压弯，第二弧形支架3也平均分割成3个第二支撑段31，第二支撑段31之间通过螺栓连接。

在本实施例中，侧部支架1与第一弧形支架2、侧部支架1与第二弧形支架3之间的接头处设置有锁脚钢管，数量为2根，每个锁脚钢管的直径为42mm，壁厚3.5mm，长度3.5m。

侧部支架1与第一弧形支架2、侧部支架1与第二弧形支架3之间采用φ25螺纹钢焊接加固。

在本实施例中，侧部支架1、第一弧形支架2和第二弧形支架3均采用hw200型钢架制作而成。

下面进一步介绍用于掘进巷道的支护框架安装过程和使用过程。

用于掘进巷道的支护框架安装过程如下：

首先，安装第一弧形支架2，例如从左到右依次安装第一支撑段21，第一支撑段21之间通过螺栓连接；

其次，安装侧部支架1，将侧部支架1垂直固定到预设位置，将两个侧部支架1的顶端11分别与第一弧形支架2的两个端部焊接固定；

最后，安装第二弧形支架3，例如从左到右依次安装第二支撑段31，第二支撑段31之间通过螺栓连接；将两个侧部支架1的底端12分别与第二弧形支架3的两个端部焊接固定。

在掘进巷道时，在硐室200(如图3所示)内依次安装多个支护框架100，以便提供支护作用。

图2为本发明具体实施例中采用的包括多个图1所示的用于掘进巷道的支护框架的支护结构局部示意图。如图2所示，本发明还提供一种支护结构，包括：支护框架100和连接筋110。

多个依次间隔排列的上述的用于掘进巷道的支护框架100。

支护结构包括至少一个连接筋110，连接筋110与多个支护框架100依次连接，将多个支护框架100连接为一体结构。

通过增加连接筋110可以增加支护框架100之间的一体性，有助于增加支护结构的整体强度，进一步提高对巷道的支护强度。

在本实施例中，两个相邻的支护框架100之间的距离为400mm～600mm。

为进一步增加支护框架100之间的连接强度，优选地，多个连接筋110沿着支护框架100的侧部支架1的延伸方向间隔分布。

在本实施例中，相邻的两个连接筋之间的距离为654mm～1346mm。

另外，优选地，连接筋110包括多个用于连接相邻的支护框架100的连接杆111，多个连接杆111依次首尾连接，相邻的连接杆111之间设置有夹角。

在本实施例中，多个连接杆111呈锯齿状延伸，两个相邻的连接杆111之间的夹角为120°。夹角可根据具体强度要求进行设置。

下面进一步介绍支护结构安装过程和使用过程。

支护结构安装过程如下：

首先，依次间隔安装多个用于掘进巷道的支护框架100；然后，在支护框架100的侧部支架1上焊接连接杆111，相邻的连接杆111之间倾斜焊接，两个连接杆111的转角处焊接在侧部支架1的翼缘内侧，多个连接杆111依次连接形成连接筋110。

在掘进巷道时，在硐室200(如图3所示)内依次安装多个支护框架100，然后将多个支护框架通过连接筋110连接为一体，以便提供支护作用。

图3为本发明具体实施例中采用的使用巷道掘进方法开挖的硐室的平面示意图。图4为图3所示的硐室的a-a剖视图。如图3和图4所示，基于上述目的本发明还提供一种巷道掘进方法，包括：

(1)根据巷道断面起始位置，建立分别布置有掘进设备的上部挖掘平台、中部挖掘平台和下部挖掘平台；

(2)在上部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面上部开挖，形成上硐室，并对上硐室进行支护；

(3)在上硐室内安装上述的用于掘进巷道的支护框架的第一弧形支架2；

(4)在中部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面中部开挖，形成中硐室，并对中硐室进行支护；

(5)在下部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面下部开挖，形成下硐室，并对下硐室进行支护，至此上硐室、中硐室和下硐室三者贯通形成硐室200；

(6)在中硐室和下硐室内安装上述的用于掘进巷道的支护框架的侧部支架1，在下硐室的底部安装上述的用于掘进巷道的支护框架的第二弧形支架3；

(7)将处于同一竖直平面的第一弧形支架2、两个侧部支架1以及第二弧形支架3焊接固定为支护框架100。

通过对巷道断面在高度上分步开挖，来降低掘进难度以及对支护强度的要求，保证围岩稳定性，保证成型，以便安全施工，同时提高开挖速度。

在本实施例中，在步骤(1)中，根据巷道高度设置每个挖掘平台的设置位置以及每个挖掘平台的挖掘高度。例如巷道断面的高度为13m，上部挖掘平台的挖掘高度为5.6m，中部挖掘平台的挖掘高度为4.3m，下部挖掘平台的挖掘高度为3.1m。

在本实施例中，对硐室进行支护的步骤包括：采用锚网喷岩支护、锚索锚杆支护、钢带以及型钢支护联合的支护方式。网片尺寸φ4mm×120mm×120mm，网片采用冷拔丝网，多次喷射砼c20，累积喷砼厚度370mm，第一次锚喷50mm。锚索207的规格φ21.6mm×8000mm，锚索207采用梅花形布置，环纵间距为1.0m×1.0m或1.0m×1.2m，其中上硐室顶部用于辅助吊装的锚索的规格φ21.6mm×9000mm。锚杆的规格φ22mm×2200mm，采用双臂锚杆机支护，锚杆包括螺纹钢锚杆204和玻璃钢螺杆205，其中，在封堵墙206上采用玻璃钢螺杆205，其余位置采用螺纹钢锚杆204，螺纹钢锚杆204采用梅花形布置，环纵间距为1.0m×1.0m或1.0m×1.2m。型钢钢架采用h400钢材。

在步骤(2)中，对上硐室的支护采用锚网支护，然后进行第一次锚喷，喷射厚度为50mm。

为进一步降低安装难度，优选地，在步骤(3)中还包括：根据第一弧形支架2的预设位置，依次安装多个第一支撑段21，多个第一支撑段21之间为可拆卸连接。

在步骤(4)和步骤(5)中，中硐室和下硐室两者的断面形状接近长方形，在掘进的过程中，随掘随支。其中，中硐室的掘进高度略大于下硐室的掘进高度。

为进一步降低安装难度，优选地，在步骤(6)中还包括：根据第二弧形支架3的预设位置，依次安装多个第二支撑段31，多个第二支撑段31之间为可拆卸连接。

为增加支护结构的一体性，进一步提高支护强度，优选地，在步骤(7)中还包括：在硐室200内安装多个依次间隔排列的支护框架100，将至少一个连接筋110与多个支护框架100依次连接，将多个支护框架100连接为一体结构。

在步骤(7)中还包括：进行喷射砼c20，喷砼厚度320mm。

下面进一步结合具体实施例介绍的巷道掘进方法。

硐室的埋深为278m，其中长×宽×高为24.8m×12.7m×12.4m，断面面积为157.5m²，在开挖时，上硐室的横截面呈半圆形，中硐室的横截面呈长方形，下硐室的横截面呈接近长方形；上部挖掘平台的挖掘深度为5.37m，中部挖掘平台的挖掘深度为4.3m，下部挖掘平台的挖掘深度为3.03m。采用tbm盾构机300进行挖掘。

(1)鉴于硐室开挖会造成掘进期间底板坡度较大，根据掘进设备最大爬坡角度为8°，另外，未避免顶帮裸露片帮、顶板失稳垮落造成人员伤害，根据巷道断面起始位置，建立分别布置有掘进设备的上部挖掘平台、中部挖掘平台和下部挖掘平台；tbm拆卸段起点一侧设置有封堵墙206，tbm拆卸段终点一侧设置有开口203；在tbm拆卸段内设置第一预埋件201和第二预埋件202，第一预埋件201用于作为tbm接收滑行轨道，tbm盾构机300在第一预埋件201上滑动；在tbm拆卸段靠近开口203一侧设置有6个第二预埋件202，第一预埋件201的上部和下部各设置一个第二预埋件202，第二预埋件202用于后期支撑tbm刀盘，第二预埋件202为20mm厚钢板，底部设置有直径为25mm锚筋。

(2)在上部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面上部开挖，形成上硐室，并对上硐室进行掘进期间顶帮初次支护，采用锚网喷岩支护、锚索锚杆支护、钢带以及型钢支护联合的支护方式，为防止煤岩风化，喷砼是在巷道掘进完成后1天开始施工，喷射厚度50mm。

(3)在上硐室内安装上述的用于掘进巷道的支护框架的第一弧形支架2；第一弧形支架2为喷砼后开始加设支护，第一弧形支架2为整个巷道强化支护。第一弧形支架2由顶部、帮部的锚索固定，防止其变形和移位。

(4)在中部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面中部开挖，形成中硐室，并对中硐室进行采用锚网喷岩支护、锚索锚杆支护、钢带以及型钢支护联合的支护方式。中部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面中部开挖，是使巷道沿水平方向掘进，为矩形断面，支护为巷道两帮；例如，在上硐室的半圆拱型巷道掘进、支护完毕后，采用综掘机水平方向实施矩形断面巷道掘进，双臂锚杆机后续两帮支护。

(5)在下部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面下部开挖，形成下硐室，并对下硐室进行支护，至此上硐室、中硐室和下硐室三者贯通形成硐室200；下部挖掘平台使用掘进设备对巷道断面下部开挖是以负坡度向下掘进，使巷道形成拱形，支护为巷道两帮，其中，下硐室开挖支护量小于中硐室开挖支护量。

(6)在中硐室和下硐室内安装上述的用于掘进巷道的支护框架的侧部支架1，侧部支架1为整个巷道强化支护。在下硐室的底部安装上述的用于掘进巷道的支护框架的第二弧形支架3；第二弧形支架3为整个巷道强化支护。侧部支架1为垂直安装，底部安装在巷道底板上；下硐室开挖时，两帮预留0.5m宽台阶，以支撑整个支护框架100。然后进行c20喷砼，喷射厚度320mm。

(7)将处于同一竖直平面的第一弧形支架2、两个侧部支架1以及第二弧形支架3焊接固定为支护框架100。

从上面的描述和实践可知，本发明提供的用于掘进巷道的支护框架、支护结构及巷道掘进方法，与现有技术相比，具有以下优点：在开挖大断面或超大端面巷道时，支护框架提供更好的承载效果，提供更好的围岩稳定性，支护效果好，还能满足超大断面所需支护要求。采用支护结构对巷道进行支护，支护速度快，满足超大断面所需支护要求，以便能够实现快速、安全、环保施工。煤矿巷道掘进原传统支护工艺不能满足如此大断面巷道施工和后续tbm拆解期间在顶部安装起吊锚索进行顶帮承重，采用巷道施工方法开挖巷道，能保证巷道施工期间安全和后续使用安全，掘进速度快，成型效果好，施工安全性能好，而且巷道的服务年限长。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。