[发明专利]深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下工程支护体系，尤其是一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系。

背景技术

目前，随着社会经济的发展，地下岩体工程进一步向深、广方向发展，围岩层位越来越深，工程地质条件越来越复杂。高地应力、软岩流变、断层等地质构造、地下水等因素造成地下工程面临前所未有的支护难度。国内外学者通过研究提出并发展了多种支护形式，如锚喷支护、锚网索喷、金属支架、高强度弧板等。从现有资料可以看出，现有支护技术不能很好的满足现场复杂条件下的围岩支护要求，尤其是更难满足千米深井软岩巷道的支护，严重影响了深部岩体工程的生产和安全。

深部软岩巷道围岩软弱，承载能力差，金属支架支护能够为围岩提供更大的支护阻力，是现在常用的软岩巷道支护方式。但从目前软岩巷道现场调研情况可以发现，金属支架与围岩之间的空间仍是制约软岩巷道金属支架充分发挥其承载能力的最重要的问题。金属支架虽然具有承载能力强的优点，但由于软岩的客观条件及目前所采用的巷道掘进和支护工艺上的限制，掘进过程中的泥岩等软岩巷道或因局部冒顶或片帮而形成不规则的空穴等都是不可避免的，掘进后的巷道周边和架设的支架之间会有一定空间，且一般极不规则，巨野、淮南等矿区典型深部矿井软岩巷道调研发现，该空间径向尺寸平均在0.5m以上，最大的地方达到1.2m甚至更大。

常用的处理支架和围岩两者之间空间的工艺是采用背板或手工填入的矸石等，这种处理方式使支架和围岩以点接触的形式接触，有的甚至完全没有和围岩接触。在这种情况下支架壁后空间不能有效地加以充填密实，支护结构与围岩将呈随机的点、线接触，从而使支护结构承受集中载荷或偏心载荷，恶化支护结构的受力状况，使支护结构受损或支撑能力得不到充分的发挥，严重降低了材料利用率，支护效果得不到保障。

针对该情况，支架的壁后充填可以在一定程度上缓解支架支护的上述问题。充填材料将壁后空间充满，使围岩-充填体-支护结构三者形成一个共同的力学承载体系，可较充分发挥支架和围岩本身的承载能力，有效地控制围岩变形，提高巷道的稳定性。在壁后密实充填的情况下，U型钢支架的承载能力可比不进行壁后充填时提高2.5~3倍。正是因为壁后充填改善了支护-围岩的相互作用关系，使得支护具有初撑力大，增阻速度快，工作阻力大的良好性能，能够有效地控制软岩巷道的大变形。

但通过调研和综合分析上述两种对支架与围岩之间空间的常用的处理方法，发现存在以下问题：

（1）壁后填充一般是利用泵送或灌浆的工艺，在背板的空隙中填充水泥类等材料，填充材料强度低、脆性、塑形变形能力及韧性低，导致壁后充填材料易出现开裂，从而使支护体系整体承载能力降低；

（2）壁后空间不规则，且背板只能手动堆砌，不可能做到均匀，堆砌质量难以定量控制，堆砌密实均一性得不到保证，同时，填充材料内部既有木材又有水泥类材料，且还有部分残留的空洞，填充层材料质地非常不均匀，导致支架受力依然有明显的不均匀现象，偏压情况明显，对其承载能力发挥仍有较大影响；

（3）水泥背板及木材等材料用量大，劳动强度高，工作效率低，且堆砌质量难以定量控制。普通断面尺寸的软岩巷道支架支护中，每排支架需要水泥背板数十根至上百根，木质背板需要数十根，材料用量大，尤其是对木材的消耗严重；水泥背板需要在地面预制、养护，木质背板需要地面截好，然后进过运输才能到达迎头附近，最后利用人工搬运的方式运送至迎头，且由于壁后空间不规则，尺寸多变，背板只能手动堆砌，背板量大且重，需人工堆砌，劳动强度大，工作效率很低，且堆砌质量无法合理的定量控制。

发明内容

本发明的目的是为克服上述软岩巷道支架支护的不足，提供一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系，该体系整体性好、支架受力状态好、材料利用率高、劳动强度低。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种深部软岩巷道三维预应力钢绞线壁后充填支架支护体系，包括支架、锚杆锚索和三维预应力钢绞线系统，支架形成支护体系的内承载结构层，锚杆锚索形成所述支护体系的外承载结构层，所述锚杆锚索伸入到围岩中，支架和围岩之间填充有填充材料形成中间承载结构层，支架和锚杆锚索之间通过三维预应力钢绞线系统做环向、径向和轴向的三维连接，并施加预紧力。支护体系有效解决了支架与巷道毛硐之间间隙过大、支架受力不均、偏压严重的问题，有效提高了体系的整体强度及刚度，提高了软岩巷道控制能力。

所述支架为各种形式和尺寸的U型钢支架、方钢管约束混凝土支架、U型钢约束混凝土支架或钢管混凝土支架；