馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，屬于采礦建井【技術(shù)領(lǐng)域】。該支護(hù)結(jié)構(gòu)依次包括高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層(主要的吸能減震層)和錨索注漿加固層，高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層和錨索注漿加固層組合形成了“強(qiáng)-弱-強(qiáng)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)，復(fù)合泡沫金屬墊層緊固在錨索注漿加固層外側(cè)的混凝土噴層上形成了主要的吸能減震金屬墊層。本發(fā)明將剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)耦合在一起，發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形作用，有效地吸收和減弱沖擊震動(dòng)波的破壞作用，解決了馬頭門高度集中的靜應(yīng)力大變形和動(dòng)態(tài)沖擊荷載的破壞而導(dǎo)致圍巖損傷破裂和支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等災(zāi)害。
【專利說明】馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于采礦建井【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，適用于深部復(fù)雜地質(zhì)條件下的馬頭門支護(hù)和施工設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著對(duì)煤炭需求量的增加和開采深度的不斷加大，淺部資源日益枯竭，我國礦山相繼進(jìn)入了深部開采，地質(zhì)力學(xué)環(huán)境更加復(fù)雜。隨著開采的增加，工程災(zāi)害日趨增多，如礦井沖擊地壓、礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等，對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅。馬頭門是井筒與井底車場巷道相連接的部分，處于礦井的咽喉地位，其位置非常特殊，設(shè)計(jì)斷面比較大，服務(wù)年限也較長，在馬頭門處巷道施工過程中，由于圍巖失穩(wěn)破壞而造成的冒頂、塌方事故時(shí)有發(fā)生。馬頭門與井壁之間的空間關(guān)系較為復(fù)雜，相互間的距離近，在連接處極易形成應(yīng)力集中，造成圍巖裂隙發(fā)育，巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步加大，給馬頭門處的施工和支護(hù)設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
[0003]進(jìn)入深部以后，地質(zhì)構(gòu)造變得復(fù)雜、自重應(yīng)力增大，巖體集聚了大量能量，在“三高一擾動(dòng)”的特殊環(huán)境下，地下巖體的開挖卸荷導(dǎo)致應(yīng)力多次重新分布，巖體破壞具有動(dòng)力響應(yīng)的突變性，馬頭門井壁、硐室施工時(shí)爆破震動(dòng)相互影響，馬頭門處軟弱巖體因放炮震動(dòng)而擴(kuò)大的松動(dòng)范圍有可能連通，形成一個(gè)較大范圍的軟弱巖層松動(dòng)區(qū)，成為釋放地壓應(yīng)力的一個(gè)區(qū)域。在多次爆破震動(dòng)下，致使巷道較長時(shí)間內(nèi)不能穩(wěn)定，開挖馬頭門產(chǎn)生的集中應(yīng)力疊加，受力狀態(tài)惡化，圍巖變形加劇，誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害，工程巖體出現(xiàn)沖擊地壓等非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)破壞。以往針對(duì)深部高地應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境下，馬頭門抵抗動(dòng)力災(zāi)害沖擊的支護(hù)結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中在馬頭門處的加固結(jié)構(gòu)中，往往依靠提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖變形不協(xié)調(diào)，不能抵抗開挖、爆破、頂板巖層斷裂等誘發(fā)動(dòng)態(tài)荷載的沖擊震動(dòng)，而且澆筑的混凝土韌性不夠和抗沖擊強(qiáng)度差，出現(xiàn)鋼筋混凝土大面積剝落，鋼筋扭曲外露等現(xiàn)象，已經(jīng)不能滿足深部高地應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖大變形、動(dòng)力沖擊等災(zāi)害。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為此，本發(fā)明提出了一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其包括由錨索注漿加固層、復(fù)合泡沫金屬墊層和高韌性鋼筋混凝土灌注層組成的“強(qiáng)弱強(qiáng)”支護(hù)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明通過在普通混凝土中增加鋼纖維來增加其韌性，本發(fā)明支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了吸能、減震、防沖的作用，解決了馬頭門高度集中的靜應(yīng)力大變形和動(dòng)態(tài)沖擊荷載的破壞而導(dǎo)致圍巖損傷破裂和支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等災(zāi)害。
[0006]其技術(shù)解決方案包括:
[0007]—種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其包括高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層、錨索注漿加固層，其特征在于:所述復(fù)合泡沫金屬墊層緊固在所述錨索注漿加固層外側(cè)的混凝土噴層上形成主要的吸能減震金屬墊層，所述高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層和錨索注漿加固層組合形成了 “強(qiáng)-弱-強(qiáng)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
[0008]上述復(fù)合泡沫金屬墊層的外側(cè)支設(shè)有雙層鋼筋，在上述雙層鋼筋外側(cè)架設(shè)組合式金屬模板后形成一定的空間，在上述空間內(nèi)灌注高韌性混凝土。
[0009]上述復(fù)合泡沫金屬墊層是由中空微型珠狀顆粒與金屬基體經(jīng)混合、成型、固化而得到的一種泡沫材料，其厚度為50?70mm，孔徑為150?160 μ m，孔隙率可達(dá)98%。
[0010]上述雙層鋼筋其橫筋Φ25，環(huán)筋Φ25，間排距為250mmX250mm，內(nèi)、外層環(huán)筋之間用Φ8的構(gòu)造筋進(jìn)行連接，連接筋間排距為500mm，均布置為梅花型。
[0011]上述錨索注漿加固層還包括高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索，上述錨索的間排距為(800-1000mm) X (1400-2000) mm，，注漿漿液包括普通硅酸鹽水泥和注漿添加劑，上述硅酸鹽水泥中的水灰比為0.6?1:1，上述注漿添加劑的重量百分比為7?8%。
[0012]上述高韌性混凝土是通過在普通混凝土中增加長20_40mm、厚0.5mm的鋼纖維來增加混凝土的韌性，其中，鋼纖維的摻量為50-100kg/m3，高韌性混凝土相對(duì)于同級(jí)普通混凝土，其抗拉強(qiáng)度提高了 54-100%，初裂強(qiáng)度提高了 160-500%，沖擊疲勞強(qiáng)度提高了 8_15倍。
[0013]本發(fā)明公開了一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其通過依次排列的高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層和錨索注漿加固層組合，形成了“強(qiáng)-弱-強(qiáng)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)，高韌性鋼筋混凝土灌注層、錨索注漿層作為剛性結(jié)構(gòu)，復(fù)合泡沫金屬墊層作為柔性結(jié)構(gòu)，本發(fā)明將剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)耦合在一起，發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形作用，有效地吸收和減弱沖擊震動(dòng)波的破壞作用，既能支撐高應(yīng)力下的靜態(tài)荷載，又可以抵抗開挖、爆破、頂板巖層斷裂等誘發(fā)的應(yīng)力波動(dòng)態(tài)荷載，整體結(jié)構(gòu)起到了吸能減震防沖的作用，解決了馬頭門高度集中的靜應(yīng)力大變形和動(dòng)態(tài)沖擊荷載的破壞而導(dǎo)致圍巖損傷破裂和支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等災(zāi)害。
[0014]本發(fā)明通過采用高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索加固馬頭門松散的圍巖，大范圍內(nèi)強(qiáng)化了圍巖體的力學(xué)性能，充分調(diào)動(dòng)圍巖自身的承載能力，形成外層加固結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明主要的吸能減震金屬墊層通過采用柔性結(jié)構(gòu)的復(fù)合泡沫金屬材料來實(shí)現(xiàn)的，復(fù)合泡沫金屬材料墊層可以吸收高能量的沖擊應(yīng)力波，在壓縮變形過程中消耗大量的功，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)中泡孔的變形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各種形式所耗散的能量，從而提高整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能減震抗沖擊的能力；
[0016]本發(fā)明選用的高韌性鋼筋混凝土代替了以往剛度較大的傳統(tǒng)混凝土，提高了灌注層的韌性和抗沖擊能力，具有很好的吸能抗裂作用，解決以往馬頭門鋼筋混凝土大面積剝落，鋼筋扭曲外露等破壞現(xiàn)象。
[0017]本發(fā)明馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，大大降低了施工成本和大量的馬頭門返修工作，保證了馬頭門支護(hù)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說明:
[0019]圖1為本發(fā)明馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0020]圖2為圖1中沿1-1線的剖面圖；
[0021]圖3為圖1中沿I1-1I線的剖面圖；
[0022]圖4為本發(fā)明復(fù)合泡沫金屬墊層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖中:1、復(fù)合泡沫金屬墊層，2、高韌性鋼筋混凝土，3、高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索，4、雙層鋼筋，5、馬頭門，6、井筒，7、金屬網(wǎng)和混凝土噴層，8、錨索注漿加固層

【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明公開了一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，為了使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、技術(shù)方案更加清楚、明確，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說明。
[0025]本發(fā)明，一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層I和錨索注漿加固層8，其中，高韌性鋼筋混凝土灌注層和錨索注漿加固層作為剛性結(jié)構(gòu)，復(fù)合泡沫金屬墊層作為柔性結(jié)構(gòu)，三者組合在井筒6下面形成了“強(qiáng)-弱-強(qiáng)”的馬頭門5支護(hù)結(jié)構(gòu)，可發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形作用，有效地吸收和減弱沖擊震動(dòng)波的破壞作用。
[0026]本發(fā)明的錨索注漿加固層通過高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索3注漿加固圍巖形成，高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索3作為其中的一部分，高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索3采用中空結(jié)構(gòu)，中空管兼做注漿管，錨索索體采用高強(qiáng)度螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲編絞而成，采用“先錨后注”的錨固方式，實(shí)現(xiàn)了樹脂錨固、錨索預(yù)緊和中空管注漿一體化，以達(dá)到提高和改善圍巖力學(xué)性能、控制圍巖變形的效果，在巖層中形成一個(gè)強(qiáng)度更大的整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有降低水對(duì)圍巖強(qiáng)度的軟化作用；
[0027]本發(fā)明中，高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索間排距選為(800-1000) X (1400-2000)mm，注漿漿液采用525#普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6?1，另外加入7?8%的ACZ-1注漿添加劑，ACZ-1添加劑具有減水、微膨脹、增強(qiáng)等作用，克服了目前注漿漿液水灰比高、強(qiáng)度低、硬化收縮、泵送阻力大等問題，能提高水泥漿液的灌入能力，擴(kuò)大漿液充填半徑，改善軟弱、松散巖體注漿加固抗?jié)B效果，注漿壓力為2?6MPa。
[0028]本發(fā)明中，上述錨索注漿加固層表面有金屬網(wǎng)和混凝土噴層7，金屬網(wǎng)采用Φ6_鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔90X90mm，網(wǎng)間搭接距不小于100mm，搭接處使用10#鐵絲聯(lián)接；混凝土噴層主要是噴射C20或C25等級(jí)混凝土砂漿，材料配合比:水泥:黃沙:石子=1:2:2，含泥量按重量計(jì)算不大于3%,加入速凝劑為水泥重量的3?4%,噴射40?50mm厚混凝土,噴射混凝土一是用于封閉井壁和巷道表面的節(jié)理、裂隙，防止圍巖風(fēng)化和水對(duì)圍巖的弱化作用，二是為注漿起到封堵圍巖作用；
[0029]本發(fā)明的復(fù)合泡沫金屬墊層，結(jié)合圖4所示，復(fù)合泡沫金屬墊層I由于其獨(dú)特的多孔耗散結(jié)構(gòu)，是一種新型優(yōu)越的吸能與沖擊防護(hù)材料，該材料可以是空心微珠充填鋁合金基體而成，在動(dòng)態(tài)沖擊下具有很高的吸收沖擊能量的性能，復(fù)合泡沫金屬墊層I可通過商業(yè)渠道購買得到；
[0030]本發(fā)明的高韌性鋼筋混凝土包括雙層鋼筋和鋼纖維混凝土。如圖2、圖3所示，雙層鋼筋其規(guī)格為橫筋Φ25，環(huán)筋Φ25，間排距為250mmX250mm，內(nèi)、外層環(huán)筋之間用Φ8的構(gòu)造筋進(jìn)行連接，連接筋間排距為500mm，均梅花型布置；
[0031]本發(fā)明的高韌性鋼筋混凝土 2通過在混凝土中增加鋼纖維提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和抗沖擊等性能，具有很好的吸能抗裂作用。
[0032]本發(fā)明馬頭門支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工方法，主要步驟為:
[0033]步驟1:打完并清洗錨索鉆孔后，先在開挖成形的馬頭門5處圍巖上掛上金屬網(wǎng)，安裝高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索，索體為螺旋肋鋼絞線，直徑為Φ20?22mm，長度為7?9m，采用樹脂錨固劑進(jìn)行端錨，錨索的錨固長度不得小于1000mm，端部錨固時(shí)錨索預(yù)緊力不低于200kN，在距錨索尾部1.0m位置纏繞包裝布或棉紗，然后攪拌樹脂錨固劑，之后裝上錐形橡膠止?jié){塞(錐頭向里)與托盤，再旋轉(zhuǎn)尾部螺母進(jìn)行封孔和張拉預(yù)緊，錨索托盤采用Φ 200 X 16mm圓形托盤，配合高強(qiáng)度調(diào)心球墊，力學(xué)性能與錨索強(qiáng)度配套；
[0034]步驟2:安裝好錨索后及時(shí)向馬頭門處巷道壁噴射C20或C25等級(jí)混凝土砂漿，材料配合比:水泥:黃沙:石子=1:2:2，含泥量按重量計(jì)算不大于3 %，加入速凝劑為水泥重量的3?4%，噴射40?50mm厚混凝土于新開挖的馬頭門巷道，用于封閉井壁和巷道表面的節(jié)理、裂隙，防止圍巖風(fēng)化和水對(duì)圍巖的弱化作用；上述噴射前必須清洗巖幫，清理浮矸，噴射要均勻，無裂隙；
[0035]步驟3:待混凝土具有一定強(qiáng)度后，對(duì)注漿錨索進(jìn)行高壓注漿，用于對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固，有效地限制圍巖松動(dòng)變形，大范圍內(nèi)強(qiáng)化圍巖力學(xué)性能；在進(jìn)行高壓注漿時(shí)，先卸下錨索尾部的絲堵，將注漿器連接到錨索尾部的內(nèi)螺紋上，慢慢扭緊注漿器，通過注漿管路將注漿器與注漿泵進(jìn)行連接，并檢查與注漿泵連接的注漿管和注漿頭是否暢通，注漿過程中每個(gè)鉆孔應(yīng)一次性注滿，若中途停滯，可能會(huì)堵塞注漿管，首次注漿注滿后，可關(guān)閉注漿泵，等待2?3min再注漿，直至再次注滿；
[0036]步驟4:注漿結(jié)束后，用長鐵釘將復(fù)合泡沫金屬墊層緊固在混凝土噴層上，長鐵釘間排距2000 X 2000mm,然后在復(fù)合泡沫金屬墊層外側(cè)支設(shè)雙層鋼筋4，然后沿雙層鋼筋4外側(cè)架設(shè)組合式金屬模板，模板尺寸可根據(jù)具體施工選擇，將高韌性混凝土灌注在復(fù)合泡沫金屬墊層和組合式金屬模板之間的空間中，形成高韌性鋼筋混凝土灌注層。
[0037]本發(fā)明馬頭門支護(hù)結(jié)構(gòu)可以抵抗開挖、爆破、頂板巖層斷裂等誘發(fā)的應(yīng)力波動(dòng)態(tài)荷載，整體結(jié)構(gòu)起到了吸能減震防沖的作用，解決了馬頭門高度集中的靜應(yīng)力大變形和動(dòng)態(tài)沖擊荷載的破壞而導(dǎo)致圍巖損傷破裂和支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等災(zāi)害。
【權(quán)利要求】
1.一種馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其包括高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層、錨索注漿加固層，其特征在于:所述復(fù)合泡沫金屬墊層緊固在所述錨索注漿加固層外側(cè)的混凝土噴層上形成主要的吸能減震金屬墊層，所述高韌性鋼筋混凝土灌注層、復(fù)合泡沫金屬墊層和錨索注漿加固層組合形成了 “強(qiáng)-弱-強(qiáng)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述復(fù)合泡沫金屬墊層的外側(cè)支設(shè)有雙層鋼筋，在所述雙層鋼筋外側(cè)架設(shè)組合式金屬模板，在復(fù)合泡沫金屬墊層和組合式金屬模板之間形成一定的空間，在所述空間內(nèi)灌注高韌性混凝土。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述復(fù)合泡沫金屬墊層是由中空微型珠狀顆粒與金屬基體經(jīng)混合、成型、固化而得到的一種泡沫材料，其厚度為50?70_，孔徑為150?160 μ m，孔隙率可達(dá)98 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述雙層鋼筋橫筋Φ25，環(huán)筋Φ25，間排距為250mm X 250mm，內(nèi)、外層環(huán)筋之間用Φ8的構(gòu)造筋進(jìn)行連接，連接筋間排距為500mm,均布置為梅花型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述錨索注漿加固層還包括高預(yù)應(yīng)力中空注漿錨索，注漿漿液包括普通硅酸鹽水泥和注漿添加劑，所述硅酸鹽水泥中的水灰比為0.6?1:1，所述注漿添加劑的重量百分比為7?8%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬頭門防沖減震支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述高韌性混凝土是通過在普通混凝土中增加長20-40mm、厚0.5mm的鋼纖維來增加混凝土的韌性。
【文檔編號(hào)】E21D7/00GK104405398SQ201410562902
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】劉進(jìn)曉, 張文, 劉志鈞, 景繼東, 侯俊敏, 王光平, 吳磊, 聶羽, 李文鑫 申請(qǐng)人:新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山東科技大學(xué)