一种基于钢管混凝土支架的全断面让压支护系统及工艺

本发明属于地下工程支护领域，具体涉及全断面让压支护系统及施工工艺。

背景技术：

1、近年来，随着能源供应量的增加和采掘强度的逐渐增加，深层巷道支护遭遇围岩变形量大、深层高地压、巷道底臌量大等诸多问题，导致巷道的变形和破坏风险增加，且深部围岩巷道受“三高一扰动”影响易发生变形破坏，支护结构的承载力和可缩量是支护结构能否承受得住软岩巷道围岩动压的关键；在现有技术中也公开了一些支护系统，例如在专利公布号为cn 111425216 a的专利中公开的一种复合式支护结构、施工系统及方法；但是由于各向不等压过程中的原岩应力引起岩层的延性破坏，造成支护结构与巷道严重变型毁坏，不能提供足够的支护力来满足巷道的稳定性。这些支护问题成为深部开采及隧道工程建设的重要任务。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于钢管混凝土支架的全断面让压支护系统及工艺，旨在解决深部支护难题，尤其是在高地应力、高地温、高岩溶水压的深部开采支护问题。通过让压技术使得在矿山开采过程中通过调控围岩的适度变形，达到减小围岩应力、控制变形和破坏以及调整围岩应力分布的效果，既有较大的承载能力，又有较大的可缩量，不仅能够适应巷道一定程度上的不规则位移和变形，而且能够避免发生结构层破坏，提高矿区的稳定性和安全性。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明的提供了一种基于钢管混凝土支架的全断面让压支护系统，从围岩到巷道空间依次包括围岩内部卸压层、锚喷层、柔性填充层、壁后让压层、钢管混凝土支架；所述的围岩内部卸压层采用液压钻杆和高压水枪切割成一定大小的卸压空间；所述的锚喷层锚固段为锥形囊袋式扩大头，囊袋空间靠扩孔钻头成孔；所述的柔性填充层采用可塑性喷涂材料喷涂而成；所述的壁后让压层分为限制性让压层和开放性让压层；限制性让压层包括设置在巷道顶底和两帮位置的让压块以及与让压块等厚的混凝土层；在限制性让压层的内圈设置第一钢筋网，在钢管混凝土支架的外圈设置第二钢筋网；开放性让压层为第一钢筋网与第二钢筋网之间形成的预留变形空间；所述的预留变形空间内设置有填充物；所述的钢管混凝土支架为可缩式钢管混凝土支架。

4、本发明的各层结构有机的组合在一起，形成高承载、可缩、柔性、全断面让压的复合支护系统。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。

5、作为进一步的技术方案，所述的围岩内部卸压层采用液压钻杆进行岩石钻孔，然后用高压水枪切割逐渐形成所需的空间，再用水流冲刷出碎岩屑，最后将钻孔路径填充塑性材料，成空后定期冲刷卸压空间。

6、作为进一步的技术方案，所述的锚喷层锚固段为锥形扩大头，锥形囊袋，囊袋空间靠扩孔钻头成孔，锥形囊袋注浆凝固后实现自锁。

7、作为进一步的技术方案，所述的柔性填充层采用可塑性喷涂材料喷涂而成。

8、作为进一步的技术方案，所述的柔性填充层的厚度根据锚杆端头长度确定，覆盖整个巷道。

9、作为进一步的技术方案，所述的限制性让压层包括设置在巷道顶底和两帮位置的让压块以及与让压块等厚的混凝土层；所述的限制性让压层覆盖整个巷道。

10、作为进一步的技术方案，所述的预留变形空间层在巷道顶部填充木背板，其余范围内填充矸石袋。

11、作为进一步的技术方案，所述的钢管混凝土支架结构包括多段，相邻两段之间的端口处的连接方式是：在其中一段支架内部布置连接引导筋，另一段支架内部布置接驳管，引导筋插入到接驳管内，然后在接驳管和引导筋的外圈套装接头套管，且接头套管与两段支架之间密封连接；所述的密封连接法兰连接，一端设置在套管上，另一端设置在钢管上，两个法兰盘之间设置有大垫圈，再喷涂一圈密封材料确保液压油不外溢；使用注液枪将固体液压油通过三用阀注入内扣式接头套管中；三用阀门在液压系统在承受外部荷载超过其设计承载能力时自动打开，以实现快速卸油，一旦液压系统的承载能力恢复到正常水平，阀门将自动关闭。

12、第二方面，本发明实施例还提供了一种基于钢管混凝土支架的全断面让压支护系统的施工工艺，具体如下：

13、巷道掘进面，打注锚杆，锚杆的锚固段为锥形囊袋式扩大头，囊袋空间靠扩孔钻头成孔，锥形囊袋注浆凝固后实现自锁，铺设钢筋网；

14、在钢筋网的内圈喷涂可塑性材料形成柔性填充层；

15、在巷道顶底和两帮位置布置四个让压块，按照让压块的厚度喷涂同等厚度的混凝土作为限制性让压层；

16、在让压层内圈铺设第一钢筋网；

17、在围岩内部采用液压钻杆和高压水枪切割成一定大小的围岩内部卸压空间并定期水力冲刷钻孔；

18、安装钢管混凝土支架，钢管混凝土支架的外圈设置第二钢筋网；

19、在第一钢筋网和第二钢筋网之间预留的变形空间形成开放式让压层，空间内有填充物。

20、作为进一步的技术方案，所述的钢管混凝土支架结构包括多段，相邻两段之间的端口处的连接方式是：在其中一段支架内部布置连接引导筋，另一段支架内部布置接驳管，引导筋插入到接驳管内，然后在接驳管和引导筋的外圈套装接头套管，且接头套管与两段支架之间密封连接；所述的密封连接为法兰连接，一端设置在套管上，另一端设置在钢管上，两个法兰盘之间有大垫圈，再喷涂一圈密封材料确保液压油不外溢；使用注液枪将固体液压油通过三用阀注入内扣式接头套管中；三用阀门在液压系统在承受外部荷载超过其设计承载能力时自动打开，以实现快速卸油，一旦液压系统的承载能力恢复到正常水平，阀门将自动关闭。

21、作为进一步的技术方案，所述的柔性填充层，采用可塑性喷涂材料，厚度根据锚杆端头长度确定，覆盖整个巷道。

22、作为进一步的技术方案，所述的填充物为巷道顶部填充木背板，其余范围内填充矸石袋，覆盖整个巷道。

23、作为进一步的技术方案，选择适当直径的液压钻杆和高压水枪形成围岩内部卸压空间，再用水流冲刷出碎岩屑，最后将钻孔路径填充塑性材料，成孔后定期冲刷卸压空间。

24、本发明的支护结构的柔性可缩通过围岩内部卸压层、锚喷层、柔性填充层、壁后让压层和可缩式钢管混凝土支架实现。在围岩压力作用下，首先通过卸压钻孔的形变来释放聚集在巷道围岩内部的弹性变性能，实现应力的释放或转移，消除或减缓冲击地压危险性，维持巷道稳定；在锚杆尾部和锚杆头部之间的围岩碎胀导致扩大头自锁力超限时，锚杆尾部托盘系统不破坏，扩大头发生滑动位移，此时锚杆结构稳定，实现锚杆整体让压；当围岩应力使柔性填充层压缩变形时，柔性填充层厚度减小，但因其具有可塑性，不会导致结构层破坏；限制性让压层以压缩木块被压缩实现巷道竖向可缩和径向可缩让压，同时喷涂有混凝土结构，压缩木块和混凝土结合在一起，通过混凝土的喷涂限制形变过大和压缩木块厚度可缩调整，实现了对结构的有效压缩，又确保了整体的完整性和稳定性；开放性让压层的木背板通常比较密实而坚固，能够有效地分散顶板压力，降低结构局部受力过大的风险，同时矸石袋的可塑性使结构能够根据外部力的变化而调整形状，这两种材料的组合使得该层结构在承受外部压力时能够维持平衡，并能够适应压力的变化，从而提高了结构的可靠性和适应性；当围岩压力通过层层结构传递到可缩式钢管混凝土支架时，通过支架的液压系统和连接处的大垫圈使得钢管整体可缩来吸收并减缓来自围岩的力量，液压系统在承受外部荷载超过其设计承载能力时阀门自动打开，以实现快速卸油，一旦液压系统的承载能力恢复到正常水平，阀门将自动关闭；大垫圈具有一定弹性，使得两个法兰盘能在螺栓方向上进行一定的伸缩，且伸缩时大垫圈和钢管表面也保持接触，保证密封性，在变形到设计范围内后，转为由钢管混凝土支架提供高强度承载力以抵抗继续的外部压力。

25、本发明与目前现有技术相比具有以下有益效果：

26、1.本发明通过引入卸压钻孔的形变机制，释放巷道围岩内聚积的弹性变形能，以实现应力的释放或转移，从而减轻或消除冲击地压的危险，维护巷道的稳定性。

27、2.本发明通过锚杆锚固段的锥形囊袋注浆凝固后实现自锁，自锁力小于锚杆托盘极限承载力，因锚杆尾部和锚杆头部之间的围岩碎胀导致扩大头自锁力超限时，锚杆尾部托盘系统不破坏，扩大头发生滑动位移，此时锚杆结构稳定，实现锚杆整体让压。

28、3.通过钢筋网和柔性填充层作为主动支护，有效阻止围岩变形离层并在封闭条件下柔性让压；通过设置多层钢筋网，实现了对锚杆之间围岩的维护，有效防止小块松散岩石的掉落；同时，这种设计不仅提高了高强度混凝土的附着能力，还使喷层中的应力得到均匀分布，强化了喷层的抗震、抗剪、抗拉能力。

29、4.由压缩木块和混凝土组成的限制性让压层，使得巷道在竖向和径向上具备灵活的可缩性，压缩木块可缩和混凝土的喷涂覆盖限制变形相互协作，不仅为结构提供了足够的柔性，而且确保了结构的完整性和稳定性，以适应不同的外部压力和环境变化。

30、5.由木背板和矸石袋组成的开放式让压层，在顶部填充的木背板能够分散顶板压力，提供了均匀的重量分布，两帮和底板的矸石袋作为填充材料不仅较为经济，而且具有较大的可塑性，两种材料的组合使得结构适应性更强，能够更好地应对各种压力变化，有助于提高结构的稳定性。

31、6.钢管混凝土支架作为被动支护，提供高强承载力，但支架刚性过大，因此通过在连接套管处设置液压系统和法兰盘之间的大垫圈使得钢管整体可缩来吸收并减缓来自围岩的力量；在液压系统承受外部荷载超过其设计承载能力时阀门自动打开，以实现快速卸油，一旦液压系统的承载能力恢复到正常水平，阀门将自动关闭；大垫圈具有一定弹性，使得两个法兰盘能在螺栓方向上进行一定的伸缩，且伸缩时大垫圈和钢管表面也保持接触，保证密封性。在钢管混凝土支架之间设置柔性连接，形成可缩式钢管混凝土支架，成功地实现了支护结构体的大幅度收缩，在变形到设计范围内后，转为由钢管混凝土支架提供高强度承载力以抵抗继续的外部压力。主被结合，刚柔并济，实现“前期恒阻让压、后期增阻可缩”的效果，符合联合支护理论。