深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构及其施工方法与流程

本发明属于煤矿巷道支护技术领域，具体涉及一种深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构及其施工方法。

背景技术：

我国煤矿绝大多数为井工煤矿，每年需要掘进大量的岩石巷道。随着煤矿开采深度的不断延深，岩石巷道围岩逐渐转化为深部软岩。由于深部软岩巷道围岩应力高，围岩岩性差、强度底，围岩变形量大，巷道两帮和顶板下沉、底板臌起，巷道变形破坏严重，甚至出现多次重复翻修现象。

深部巷道围岩毛断面掘出以后，首先对新暴露的围岩实施喷射混凝土支护，利用混凝土喷层加固和封闭巷道围岩。喷射混凝土是将一定配合比的水泥、沙子、石子，以及速凝剂的拌合料，以压缩空气为动力，利用混凝土喷射机，通过管道输送到喷枪出口处，与水混合后，以较高的速度分层喷射到岩石壁面而凝结硬化后形成的一种混凝土。这种传统的喷射混凝土支护具有充填裂隙、填补凹穴、加固岩层的作用，已经成为煤矿深部软岩巷道的基本支护。传统喷射混凝土是巷道基本支护的主要材料。当前深部软岩巷道掘出以后，首先对围岩打锚杆、挂金属网、喷射混凝土封闭围岩，最后对围岩实施注浆加固。目前深部软岩巷道原始设计断面越来越大，支护强度逐渐提高，支护费用也越来越高。采用常规的全封闭u型钢可缩性金属支架、高强锚杆（有时锚索）、金属网（有时钢筋网）和喷射混凝土组成的锚网喷支护，以及围岩注浆组成的锚杆金属网围岩注浆联合支护简称锚网注联合支护，有时也难以保证深部软岩巷道围岩的长期稳定，难以满足煤矿安全生产的需要。目前深部软岩巷道锚网注联合支护中存在的主要问题：

（1）现有锚网注联合支护中喷射混凝土绝大多数为普通喷射混凝土，普通喷射混凝土是将一定配合比的水泥、沙子、石子，以及速凝剂的拌合料，水泥、粗中沙、石子的重量比为1:2:2，其中水灰比0.4~0.5。普通喷射混凝土具有抗压强度高，抗拉强度低，脆性大等特点。当变形量超过50～100mm，锚网注联合支护中的混凝土喷层出现裂缝、破碎、松动和脱落等变形破坏现象，喷射混凝土支护失效。当混凝土喷层出现开裂松散以后，极易引起混凝土喷层内部金属网或钢筋网腐蚀导致混凝土劣化，这是造成锚网注支护失效破坏的主要原因。因此现有普通喷射混凝土支护已经难以适应深部软岩巷道围岩大变形和长期流变的工程地质条件。

与普通喷射混凝土相比，有时采用的钢纤维喷射混凝土，其抗拉、抗剪和抗弯强度力学性能都有不同程度的提高，同时增加了喷射混凝土的韧性性能，改变了混凝土脆性破坏特征，使其具有较高强度的同时富有一定的延性。但钢纤维喷射混凝土中钢纤维与混凝土基体共同承受外部荷载，钢纤维的存在对混凝土张力裂缝的发展起到了阻碍作用，但混凝土基体是外力的主要承担者。在外力的作用下混凝土微裂缝能够急剧扩张，但钢纤维混凝土开裂以后仍能保持较高的抗弯、抗剪强度，对混凝土张力裂缝的发展起到阻碍作用。但钢纤维混凝土仍然为脆性材料，在围岩变形大、自稳性差的深部软弱围岩、膨胀性围岩进行锚网注联合支护时，钢纤维喷射混凝土支护的应用受到限制。

（2）现有锚网注支护的金属网（钢筋网）难以与巷道围岩密贴，且金属网网孔偏小，混凝土喷层与巷道围岩不密实甚至离层，深部软岩锚网支护性能降低。受金属网阻挡作用，喷射混凝土回弹率高、喷层密实性差，甚至出现空洞和松散区。煤矿锚网注联合支护的金属网（钢筋网）通常采用低碳钢丝编织/焊接而成，金属网常规规格长宽为：1×2m、2×4m、1×3m，钢丝直径2.0~6.5mm，网孔一般为100×100mm、120×120mm正方孔。巷道掘出以后新暴露的围岩断面通常凹凸不平，利用锚杆将金属网挂上以后，金属网将围岩面的凹陷区域阻挡。当喷射压力较小或喷射距离较远时，喷射混凝土可能堆积在金属网的外面，在金属网的内面形成空洞或松散区。当围岩含水丰富时金属网极易发生锈蚀而失去护帮性能。当喷射压力较大或喷射距离较近时，受金属网孔小的阻挡作用，造成喷射混凝土大量回弹。

（3）现有的围岩注浆锚杆一般由普通镀锌无缝钢管加工而成，注浆锚杆没有预紧力和锚固力，仅仅对围岩起到注浆加固的作用，起不到锚杆锚固的性能，实际上为注浆钢管。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种锚网注支护性能好、长期稳定、支护成本低的深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构及其施工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构，包括布置在巷道底板两侧的两道卸压槽和喷射在巷道围岩表面的钢丝绳网橡胶混凝土喷层；钢丝绳网橡胶混凝土喷层包括依次喷射在深部巷道围岩表面的第一橡胶混凝土层和第二橡胶混凝土层，第一橡胶混凝土层和第二橡胶混凝土层均由橡胶颗粒均由掺入混凝土制成，以巷道的长度方向为其轴向方向，以巷道的周边方向为其环向方向，以垂直于巷道围岩表面的方向为其径向方向，巷道周边深部的岩层内设有若干排金属锚杆层，若干排金属锚杆层沿巷道的轴向方向并排设置，每排金属锚杆层包括若干根沿巷道的环向方向均匀布置的金属锚杆，每根金属锚杆沿巷道的径向方向设置，金属锚杆的锚尾端通过螺母固定有与第一橡胶混凝土层压紧压实的托盘；并排相邻的两根金属锚杆的锚尾端之间通过主钢丝绳连接，所有的主钢丝绳之间形成主钢丝绳网，并排相邻的两根主钢丝绳之间通过副钢丝绳连接，所有的副钢丝绳之间形成副钢丝绳网；

两道卸压槽对称设置在巷道底板的左右两侧。

第一橡胶混凝土层的厚度为80mm，第二橡胶混凝土层的厚度为120mm。

相邻的两根金属锚杆的锚尾端之间的间距为700mm，金属锚杆为螺纹钢，螺纹钢的直径为∅22mm，螺纹钢的长度为2400mm。

卸压槽的截面形状为矩形，卸压槽的矩形截面的宽度为800mm，深度为2000mm。

深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构的施工方法，包括以下步骤：

（1）采用光面爆破法进行巷道施工成巷，形成深部软岩巷道的毛断面；

（2）制备橡胶混凝土：将废旧轮胎制成直径∅0.9~2.0mm的橡胶颗粒，然后将橡胶颗粒掺入混凝土掺合料中，成为橡胶混凝土掺合料；

（3）对巷道围岩进行初次喷射橡胶混凝土，形成第一橡胶混凝土层，第一橡胶混凝土层的厚度为80mm；

（4）沿巷道的轴向方向依次施工金属锚杆层：沿巷道的径向方向打锚杆孔，然后将树脂锚固剂放入锚杆孔口，使用锚杆钻机将金属锚杆和前端的锚固剂一同送入锚杆孔底并旋转，利用树脂锚固剂锚固金属锚杆的杆体，通过托盘将金属锚杆的锚尾端安装压紧在第一橡胶混凝土层上；

（5）通过主钢丝绳将并排相邻的两根金属锚杆的锚尾端连接，通过副钢丝绳将将并排相邻的两根主钢丝绳连接，其中部分副钢丝绳沿巷道的环形方向设置，部分副钢丝绳沿巷道的轴向方向设置；

（6）在第一橡胶混凝土层的外表面喷射第二橡胶混凝土层，其中第二橡胶混凝土层的厚度为120mm；

（7）挖出两道卸压槽：沿巷道的轴向方向，在巷道的底板左右两侧利用风镐分别挖出一条长条形的卸压槽，卸压槽以巷道一侧帮的边界线为对称线，卸压槽的横截面为矩形，其中卸压槽的矩形横截面的深度为2000mm，宽度为800mm；

（8）卸压槽掘出后，巷道围岩发生变形，经过10-15天围岩卸压以后，利用普通喷射混凝土对两道卸压槽进行混凝土填充；

（9）巷道底板卸压以后，利用中空的注浆锚杆对巷道围岩以及底板进行注浆加固。

步骤（9）中，利用注浆锚杆对巷道围岩的注浆方法为：

a）沿巷道围岩的径向方向打浅注浆孔，浅注浆孔的孔深为2000~2500mm，并排相邻的两个浅注浆孔的间距为1500mm，将浅注浆锚杆插入在浅注浆孔内，浅注浆锚杆为中空结构，浅注浆锚杆的直径为∅22mm，长度为1800mm，通过浅注浆锚杆对浅注浆孔进行浅层围岩注浆；

b）沿巷道围岩的径向方向打深注浆孔，深注浆孔的孔深为2500~3500mm，并排相邻的两个深注浆孔的间距为1500mm，将深注浆锚杆插入在深注浆孔内，深注浆锚杆为中空结构，深注浆锚杆的直径为∅22mm，长度为2200mm，通过深注浆锚杆对深注浆孔进行深层围岩注浆。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

（1）将煤矿报废矿用钢丝绳间间经过无油化和加工处理以后，用来取代传统的锚网支护中的金属网（钢筋网）。当巷道喷射混凝土支护以后，钢丝绳网和喷射混凝土构成钢丝绳网喷射混凝土，喷射混凝土的整体性能提高。

报废的矿用钢丝绳经无油化处理以后，按照一定长度进行截割，之后对整根钢丝绳按照单、双股进行拆分。钢丝绳沿着巷道轴向和环向铺设，排距和间距各为200~800mm不等；钢丝绳网是由沿着巷道轴向、环向方向布置的单、双股钢丝绳编制而成的经纬网。其中与锚杆相连接直径φ8~20mm的钢丝绳称为主绳，通常由双股钢丝绳组成。不直接与锚杆相连接，起到护帮作用的钢丝绳称为副绳，副绳由单股钢丝绳组成。钢丝绳网主绳穿过锚杆杆体，并锚杆托盘压实。主副绳间的搭接长度不得小于400mm；巷道轴向方向主副绳长度不小于10m，巷道环向方向主副绳长度为巷道断面周长减去巷道底板宽度。

（2）在普通喷射混凝土中掺入适量的橡胶颗粒，降低喷射混凝土的抗压强度和弹性模量，增加极限变形量，将普通喷射混凝土改性为柔性喷射混凝土，以适应深部软岩巷道大变形的要求。

普通喷射混凝土是将一定配合比的水泥、沙子、石子，以及速凝剂的拌合料，水泥、粗中沙、石子的重量比为1:2:2，其中水灰比0.4~0.5。普通喷射混凝土具有抗压强度高，抗拉强度低，脆性大等特点。

将废旧轮胎制成直径∅0.9~2.0mm的橡胶颗粒（粉），然后以适宜的掺量（约150kg/m3）加入普通混凝土中，成为橡胶改性混凝土，具有较低的弹性模量和较大的极限拉应变，因此橡胶混凝土属于柔性混凝土，适应巷道围岩较大的变形而不发生开裂，所以橡胶混凝土将在我国深部巷道锚网喷支护中具有广阔的应用前景；

本发明利用橡胶混凝土具有较低的弹性模量和较大的极限拉应变量，能够适应较大变形而不发生开裂。所以将现有的普通混凝土改性为柔性混凝土，应用到煤矿深部软岩巷道锚网注联合支护中，既节约成本又实现环保，可以实现深部软岩巷道的绿色掘进施工。

（3）本发明利用普通中空注浆锚杆代替现有的注浆钢管，现场安装方便，实现压力注浆；该注浆锚杆的杆体居中性好，实现全长注浆以后将杆体全长包裹，避免了杆体锈蚀的可能性，达到长期锚固支护的目的。围岩注浆时采用普通中空注浆锚杆代替现有的围岩注浆钢管，具有注浆钢管和全长锚固锚杆的双重作用，进一步提高锚杆的锚固性能。

普通中空注浆锚杆主要有中空锚杆体、止浆塞、垫板、螺母和锚头（钻头）组成，可以实现围岩注浆和锚杆锚固一体化。巷道围岩注（压）浆液后不仅能够锚固杆体，注浆压力一定时部分浆液渗入锚孔周围裂隙中，起到加固围岩的作用。

综上所述，针对深部软岩巷道围岩应力高、围岩强度底、围岩变形量大、支护费用高等深部软岩巷道支护技术难题，从改善巷道围岩应力状态、提高岩围岩体强度和改变围岩体物理力学性质的角度出发，本发明提出了一种锚杆、钢丝绳网、橡胶喷射混凝土，以及围岩注浆的深部软岩巷道的施工方法，该施工方法对于深部软岩巷道特别是服务年限较长的岩石巷道和重要硐室，为提高深部软岩巷道围岩的自撑能力和锚网支护性能，减轻工人的劳动强度，降低巷道支护和维修费用等带来了很好的经济效益和社会效益，并可进一步规范深部软岩巷道的施工技术。

附图说明

图1是本发明位于深部软岩巷道内支护断面结构示意图；

图2是本发明中金属锚杆的安装结构示意图；

图3是本发明中主钢丝绳网和副钢丝绳网在第一橡胶混凝土层的结构断面图；

图4是本发明中注浆加固深部软岩巷道支护断面图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构，包括布置在巷道底板1两侧的两道卸压槽2和喷射在巷道围岩表面的钢丝绳网橡胶混凝土喷层；钢丝绳网橡胶混凝土喷层包括依次喷射在深部巷道围岩表面的第一橡胶混凝土层3和第二橡胶混凝土层4，第一橡胶混凝土层3和第二橡胶混凝土层4均由橡胶颗粒均由掺入混凝土制成，以巷道的长度方向为其轴向方向，以巷道的周边方向为其环向方向，以垂直于巷道围岩表面的方向为其径向方向，巷道周边深部的岩层内设有若干排金属锚杆层，若干排金属锚杆层沿巷道的轴向方向并排设置，每排金属锚杆层包括若干根沿巷道的环向方向均匀布置的金属锚杆5，每根金属锚杆5沿巷道的径向方向设置，金属锚杆5的锚尾端通过螺母固定有与第一橡胶混凝土层3压紧压实的托盘6，托盘6与第一橡胶混凝土层3压紧压实；并排相邻的两根金属锚杆5的锚尾端之间通过主钢丝绳7连接，所有的主钢丝绳7之间形成主钢丝绳网，并排相邻的两根主钢丝绳7之间通过副钢丝绳8连接，所有的副钢丝绳8之间形成副钢丝绳网；

两道卸压槽2对称设置在巷道底板1的左右两侧。

第一橡胶混凝土层3的厚度为80mm，第二橡胶混凝土层4的厚度为120mm。

相邻的两根金属锚杆5的锚尾端之间的间距为700mm，金属锚杆5为螺纹钢，螺纹钢的直径∅为22mm，螺纹钢的长度为2400mm。

卸压槽2的截面形状为矩形，卸压槽2的矩形截面的宽度为800mm，深度为2000mm。

深部巷道钢丝绳网橡胶喷射混凝土支护结构的施工方法，包括以下步骤：

（1）采用光面爆破法进行巷道施工成巷，形成深部软岩巷道的毛断面；

（2）制备橡胶混凝土：将废旧轮胎制成直径∅0.9~2.0mm的橡胶颗粒，然后将橡胶颗粒掺入混凝土掺合料中，成为橡胶混凝土掺合料；

（3）对巷道围岩进行初次喷射橡胶混凝土，形成第一橡胶混凝土层3，第一橡胶混凝土层3的厚度为80mm；

（4）沿巷道的轴向方向依次施工金属锚杆5层：沿巷道的径向方向打锚杆孔，然后将树脂锚固剂放入锚杆孔口，使用锚杆钻机将金属锚杆5和前端的锚固剂一同送入锚杆孔底并旋转，利用树脂锚固剂锚固金属锚杆5的杆体，通过托盘6将金属锚杆5的锚尾端安装压紧在第一橡胶混凝土层3上；

（5）通过主钢丝绳7将并排相邻的两根金属锚杆5的锚尾端连接，通过副钢丝绳8将将并排相邻的两根主钢丝绳7连接，其中部分副钢丝绳8沿巷道的环形方向设置，部分副钢丝绳8沿巷道的轴向方向设置；

（6）在第一橡胶混凝土层3的外表面喷射第二橡胶混凝土层4，其中第二橡胶混凝土层4的厚度为120mm；

（7）挖出两道卸压槽2：沿巷道的轴向方向，在巷道的底板1左右两侧利用风镐分别挖出一条长条形的卸压槽2，卸压槽2以巷道一侧帮的边界线为对称线，卸压槽2的横截面为矩形，其中卸压槽2的矩形横截面的深度为2000mm，宽度为800mm；

（8）卸压槽2掘出后，巷道围岩发生变形，经过10-15天围岩卸压以后，利用普通喷射混凝土对两道卸压槽2进行混凝土填充和填实；

（9）巷道底板1卸压以后，利用中空的注浆锚杆对巷道围岩以及底板1进行注浆加固。

步骤（9）中，利用注浆锚杆对巷道围岩的注浆方法为：

a）沿巷道围岩的径向方向打浅注浆孔，浅注浆孔的孔深为2000~2500mm，并排相邻的两个浅注浆孔的间距为1500mm，将浅注浆锚杆插入在浅注浆孔内，浅注浆锚杆为中空结构，浅注浆锚杆的直径为∅22mm，长度为1800mm，通过浅注浆锚杆对浅注浆孔进行浅层围岩注浆；

b）沿巷道围岩的径向方向打深注浆孔，深注浆孔的孔深为2500~3500mm，并排相邻的两个深注浆孔的间距为1500mm，将深注浆锚杆插入在深注浆孔内，深注浆锚杆为中空结构，深注浆锚杆的直径为∅22mm，长度为2200mm，通过深注浆锚杆对深注浆孔进行深层围岩注浆。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。