一种巷道壳拱组合强力承载结构及其施工方法与流程

本发明属于矿山工程巷道围岩控制技术领域，具体涉及一种巷道壳拱组合强力承载结构及其施工方法。

背景技术：

随着煤矿巷道支护技术的发展，锚杆支护、锚索支护以及注浆加固技术成为煤矿巷道经济有效的支护形式。在深部高应力和复杂采动应力条件下，近年来推广发展了高强锚杆高预紧力支护技术，在现场应用中取得了良好的支护效果，但在软弱围岩条件下，仍然出现了大面积喷层开裂、支护结构破断撕裂、围岩持续流变等巷道失稳现象，究其原因，主要存在以下问题：①混凝土喷层较薄，刚性和柔性均不足，不能抵抗围岩的较大变形，致使出现喷层开裂、金属网撕裂等现象；②巷道支护强度严重不足，围岩承载能力损失严重，致使松动圈向围岩深部扩展，直至锚固承载结构失效而出现巷道失稳；③受传统支护理念的影响，锚杆强度、预紧力、支护密度等均未达到相应要求，致使初期变形得不到有效控制，增加了后期维护难度。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种巷道壳拱组合强力承载结构及其施工方法，旨在针对拱形巷道通过支护形成“强韧混凝土壳”和“高强锚固承载拱”，两者结合形成“壳拱组合强力承载结构”，有效解决现有技术中存在的“混凝土喷层开裂、锚固承载结构失效、巷道变形难以控制”等技术难题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种巷道壳拱组合强力承载结构,包括巷道，巷道上部的断面为半圆拱或圆弧拱，巷道外部的围岩自内向外依次为松动圈范围内的围岩和松动圈外部1m范围内的围岩，松动圈范围内的围岩的内壁设置有支护壳，松动圈范围内的围岩和松动圈外部1m范围内的围岩的内部设置有支护拱；

所述支护壳是通过三层高强高预紧力的锚网喷支护形成的具有一定韧性的强韧混凝土壳，支护壳包括三层混凝土喷层以及预埋在三层混凝土喷层内部的三批第一高强锚杆的螺母紧固段、三层金属网、压紧金属网并连接第一高强锚杆的钢梁和第一注浆锚杆的外端部，三批第一高强锚杆的螺母紧固段、三层金属网以及钢梁对应配套设置并分别浇筑预埋在三层混凝土喷层内部，每层混凝土喷层厚度为80~120mm，强韧混凝土壳的总厚度为240~360mm；

所述支护拱是通过三层高强高预紧力的锚网喷而在松动圈范围内及其外部1m范围内围岩中的形成的高强锚固承载拱，支护拱包括通过第一高强锚杆锚固的围岩和第一注浆锚杆加固的围岩，三批第一高强锚杆的锚固剂锚固段和自由段以及注浆锚杆的注浆段设置在支护拱的围岩内。

拱形巷道的底板采用若干条第二高强锚杆和第二注浆锚杆注浆加固进行主动支护，形成针对巷道两帮、顶部半圆拱和底板的封闭的主动支护结构。

第一高强锚杆和第二高强锚杆均采用直径22mm以上、屈服强度大于500mpa的高强左旋螺纹钢锚杆以及与其强度相配套的附件；第一高强锚杆和第二高强锚杆采用高预紧力安装，预紧扭矩要求达到300~500n.m，预紧力要求达到50~100kn；所述金属网为菱形铁丝网，所述钢梁为钢筋梯子梁，所述混凝土喷层采用的是强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥；所述第一注浆锚杆和第二注浆锚杆采用的注浆材料是强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比1：2，同时掺加减水剂以提高浆液的渗透性。

所述的壳拱组合强力承载结构采用的是高强度、高密度锚杆及注浆加固形成的拱形承载结构，三层高强高预紧力的锚网喷支护中每层第一高强锚杆的间距×排距均为900×900mm，三层锚网喷支护全部施工完成后，第一高强锚杆的间距×排距为300×300mm；第一高强锚杆采用锚固长度为1000~1500mm的加长锚固，其中锚固在松动圈以外相对稳定围岩内的长度不低于1000mm；第一高强锚杆满足“三径匹配”锚固原则：锚杆直径、钻孔直径和树脂锚固剂直径分别为22mm、28mm和23mm。

第一注浆锚杆的注浆应滞后第三层混凝土喷层一段时间，第一注浆锚杆的注浆孔间排距的布置应根据注浆材料性质、围岩物理力学特征及裂隙发育状况、注浆压力以及现场测试的浆液扩散情况综合确定。

一种巷道壳拱组合强力承载结构的施工方法，包括以下步骤，

（1）依据巷道工程的生产地质条件，巷道断面选取稳定性较好的直墙半圆拱形，并采用理论分析和数值模拟方法，合理确定拱形巷道的断面尺寸；

（2）基于地应力、采动应力以及巷道围岩结构及其岩石力学参数，采用数值模拟方法，确定巷道四周围岩松动圈的形态及尺寸；

（3）基于巷道断面形状与尺寸、围岩应力条件、围岩松动圈形态与尺寸，确定合理的巷道支护强度和支护参数，在巷道掘出后及时进行“壳拱组合强力承载”围岩控制施工：对巷道两帮和顶部半圆拱，采用“第一高强锚杆、金属网、钢梁、喷射混凝土”进行三层高强高预紧力的锚网喷支护，三批第一高强锚杆的长度应锚固至松动圈以外的稳定区1m以上；

（4）对巷道两帮和顶部半圆拱施工完成后，采用第二高强锚杆和第二注浆锚杆对巷道底板进行主动支护，并对底板进行混凝土硬化处理；

步骤（3）的具体施工过程为，

巷道掘出后及时进行第一层组合支护，施工顺序为：在巷道两帮和顶部半圆拱铺第一层金属网、挂第一层钢梁——安装第一批第一高强锚杆并实施高预紧力——喷射第一层混凝土喷层；

待第一层混凝土喷层完成并凝固后，实施第二层组合支护，施工顺序为：在第一层混凝土喷层外侧壁铺第二层金属网、挂第二层钢梁——安装第二批第一高强锚杆并实施高预紧力——喷射第二层混凝土喷层；

待第二层混凝土喷层完成并凝固后，实施第三层组合支护，施工顺序为：在第二层混凝土喷层外侧壁铺第三层金属网、挂第三层钢梁——安装第三批第一高强锚杆并实施高预紧力——喷射第三层混凝土喷层，第三层混凝土喷射完成并凝固后即完成了第三层组合支护；

在完成第三层组合支护后，滞后一定时间，待围岩裂隙较发育时，采用第一注浆锚杆对巷道两帮和顶部半圆拱松动圈内的围岩进行注浆加固。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：①“壳拱组合承载结构”包括拱形巷道、支护壳和支护拱，通过实施本技术，有效阻止了松动圈内围岩的强度损失，并在松动圈及其外部1m范围内形成了强力锚固承载结构，显著提高巷道围岩稳定性，有效抑制了松动圈向深部扩展；②通过本发明技术方案的实施，形成了具有一定厚度和一定韧性的强韧混凝土壳，刚性和柔性的提显著高，有效避免了混凝土喷层的开裂和破坏；③通过本发明技术方案的实施，显著提高了巷道的支护强度、初始预紧力和工作阻力，显著提高了“壳拱组合承载结构”抵抗巷道初期变形和长期流变的能力，为巷道围岩的长期稳定提供了保障。

附图说明

图1为巷道壳拱组合强力承载结构示意图；

图2为巷道壳拱组合强力承载结构局部放大图；

图中，1为巷道，2为支护壳，3为支护拱，4为第一层混凝土喷层，5为第二层混凝土喷层，6为第三层混凝土喷层，7为第一批第一高强锚杆，8为第二批第一高强锚杆，9为第三批第一高强锚杆，10为第一高强锚杆的螺母紧固段，11为第一层混凝土喷层内的第一层金属网，12为第二层混凝土喷层内的第二层金属网，13为第三层混凝土喷层内的第三层金属网，14为第一层混凝土喷层内的第一层钢梁，15为第二层混凝土喷层内的第二层钢梁，16为第三层混凝土喷层内的第三层钢梁，17为第一注浆锚杆，18为第一注浆锚杆的外端部，19为松动圈，20为松动圈范围内的围岩，21为松动圈外部1m范围内的围岩，22为第一高强锚杆的锚固剂锚固段，23为第一高强锚杆的自由段，24为第一注浆锚杆的注浆段，25为第二高强锚杆，26为第二注浆锚杆。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种巷道壳拱组合强力承载结构,包括巷道1，巷道1上部的断面为半圆拱或圆弧拱，巷道1外部的围岩自内向外依次为松动圈范围内的围岩20、松动圈和松动圈外部1m范围内的围岩21，松动圈范围内的围岩20的内壁设置有支护壳2，松动圈范围内的围岩20和松动圈外部1m范围内的围岩21的内部设置有支护拱3；

所述支护壳2是通过三层高强高预紧力的锚网喷支护形成的具有一定韧性的强韧混凝土壳，支护壳2包括三层混凝土喷层以及预埋在三层混凝土喷层内部的三批第一高强锚杆的螺母紧固段10、三层金属网、压紧金属网并连接第一高强锚杆的钢梁和第一注浆锚杆17的外端部，三批第一高强锚杆的螺母紧固段、三层金属网以及钢梁对应配套设置并分别浇筑预埋在三层混凝土喷层内部，每层混凝土喷层厚度为80~120mm，强韧混凝土壳的总厚度为240~360mm；

所述支护拱3是通过三层高强高预紧力的锚网喷而在松动圈范围内及其外部1m范围内围岩中的形成的高强锚固承载拱，支护拱3包括通过三批第一高强锚杆锚固的围岩和第一注浆锚杆17加固的围岩，三批第一高强锚杆的锚固剂锚固段和自由段以及注浆锚杆的注浆段设置在支护拱3的围岩内。

拱形巷道1的底板采用若干条第二高强锚杆25和第二注浆锚杆26注浆加固进行主动支护，形成针对巷道1两帮、顶部半圆拱和底板的封闭的主动支护结构。

第一高强锚杆和第二高强锚杆25均采用直径22mm以上、屈服强度大于500mpa的高强左旋螺纹钢锚杆以及与其强度相配套的附件；第一高强锚杆和第二高强锚杆25采用高预紧力安装，预紧扭矩要求达到300~500n.m，预紧力要求达到50~100kn；所述金属网为菱形铁丝网，所述钢梁为钢筋梯子梁，所述混凝土喷层采用的是强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥；所述第一注浆锚杆17和第二注浆锚杆26采用的注浆材料是强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比1：2，同时掺加减水剂以提高浆液的渗透性。

所述的壳拱组合强力承载结构采用的是高强度、高密度锚杆及注浆加固形成的拱形承载结构，三层高强高预紧力的锚网喷支护中每层第一高强锚杆的间距×排距均为900×900mm，三层锚网喷支护全部施工完成后，第一高强锚杆的间距×排距为300×300mm；第一高强锚杆采用锚固长度为1000~1500mm的加长锚固，其中锚固在松动圈以外相对稳定围岩内的长度不低于1000mm；第一高强锚杆满足“三径匹配”锚固原则：锚杆直径、钻孔直径和树脂锚固剂直径分别为22mm、28mm和23mm。

第一注浆锚杆17的注浆应滞后第三层混凝土喷层一段时间，第一注浆锚杆17的注浆孔间排距的布置应根据注浆材料性质、围岩物理力学特征及裂隙发育状况、注浆压力以及现场测试的浆液扩散情况综合确定。

一种巷道壳拱组合强力承载结构的施工方法，包括以下步骤，

（1）依据巷道1工程的生产地质条件，巷道1断面选取稳定性较好的直墙半圆拱形，并采用理论分析和数值模拟方法，合理确定拱形巷道1的断面尺寸；

（2）基于地应力、采动应力以及巷道1围岩结构及其岩石力学参数，采用数值模拟方法，确定巷道1四周围岩松动圈的形态及尺寸；

（3）基于巷道1断面形状与尺寸、围岩应力条件、围岩松动圈形态与尺寸，确定合理的巷道1支护强度和支护参数，在巷道1掘出后及时进行“壳拱组合强力承载”围岩控制施工：对巷道1两帮和顶部半圆拱，采用“第一高强锚杆、金属网、钢梁、喷射混凝土”进行三层高强高预紧力的锚网喷支护，三批第一高强锚杆的长度应锚固至松动圈以外的稳定区1m以上；

（4）对巷道1两帮和顶部半圆拱施工完成后，采用第二高强锚杆25和第二注浆锚杆26对巷道1底板进行主动支护，并对底板进行混凝土硬化处理；

步骤（3）的具体施工过程为，

巷道1掘出后及时进行第一层组合支护，施工顺序为：在巷道1两帮和顶部半圆拱铺第一层金属网11、挂第一层钢梁14——安装第一批第一高强锚杆7并实施高预紧力——喷射第一层混凝土喷层4；

待第一层混凝土喷层4完成并凝固后，实施第二层组合支护，施工顺序为：在第一层混凝土喷层4外侧壁上铺第二层金属网12、挂第二层钢梁15——安装第二批第一高强锚杆8并实施高预紧力——喷射第二混凝土喷层5；

待第二层混凝土喷层5完成并凝固后，实施第三层组合支护，施工顺序为：在第二层混凝土喷层5外侧壁铺第三层金属网13、挂第三层钢梁16——安装第三批第一高强锚杆8并实施高预紧力——喷射第三层混凝土喷层6，第三层混凝土喷层6喷射完成并凝固后即完成了第三层组合支护；

在完成第三层组合支护后，滞后一定时间，待围岩裂隙较发育时，采用第一注浆锚杆17对巷道1两帮和顶部半圆拱松动圈内的围岩进行注浆加固。

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。