一种矿洞巷道支护结构及其施工工艺

技术领域

本发明属于巷道施工技术领域，具体涉及一种矿洞巷道支护结构及其施工工艺。

背景技术

我国煤矿主要是地下开采，需要在井下开掘大量巷道，保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义。随着开采深度、广度及开采强度的不断提高，巷道埋深逐年增加，地质条件日趋复杂化，高地应力巷道、强烈采动影响巷道、松软破碎围岩巷道及特大断面巷道和硐室等复杂困难条件占的比重越来越大，显著增加了巷道支护难度。

煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程。多年来国内外的实践经验表明，锚杆支护是经济、有效的支护技术。锚喷支护技术的原理是通过混凝土喷射，促进锚杆围岩形成一个支护体系。在这一过程中，通过锚杆的插入有效增强围岩的强度和稳定度，围岩未发生变形情况时会产生反向压力。

现阶段，煤矿巷道支护技术的研究十分必要，能够有效提升煤矿巷道的强度和稳定性，保证煤矿开采人员的生命财产安全，提升煤矿开采的效率和质量，为人民生活和国家经济发展做出贡献。

例如，专利文献CN 114294034 A提供了一种巷道支护系统及巷道支护方法，巷道支护系统包括：多个注浆孔，间隔开设于巷道内壁；多个中空注浆锚杆，每一中空注浆锚杆插入一个注浆孔内，露出注浆孔的一端连通注浆泵，其上设置有出浆孔，注浆后，在第一深度范围内形成第一注浆层；多个中空注浆锚索，每一中空注浆锚索插入一个中空注浆锚杆内，延伸至注浆孔的孔底，其露出注浆孔的一端连通注浆泵，每一中空注浆锚索插入注浆孔的一端均设置有注浆头，注浆后，在第二深度范围内形成第二注浆层；多个第一锚具，每一第一锚具与一个中空注浆锚杆连接，并与注浆孔周向的巷道内壁抵接；多个第二锚具，每一第二锚具与一个中空注浆锚索连接，并与中空注浆锚杆露出注浆孔的一端抵接。

又如，专利文献CN 115288724 A提供了一种巷道支护结构，包括：支护部，支护部包括相互连接的支板部和皮囊部，支板部用于和巷道围岩连接，皮囊部设置在支板部的外侧壁上，皮囊部可胀缩地设置，以填满支板部的外侧壁和巷道围岩之间的间隙，支板部的内侧壁的区域形成支护腔；缓冲部，缓冲部设置在支护腔内并和支板部的顶部限位配合，缓冲部可伸缩地设置，以对支板部在竖直方向上的移动提供缓冲；支撑部，支撑部设置在支护腔内，支撑部的上端和缓冲部固定连接，支撑部的下端用于和地面固定连接，支撑部沿竖直方向可伸缩地设置，以调节缓冲部的伸缩状态。

上述支护结构均可用于巷道以提高其支护效果，但是存在支护结构复杂和/或施工工艺复杂等不足，有待进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种矿洞巷道支护结构，以显著提高支护稳固性。

本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种矿洞巷道支护结构的施工工艺，以提高支护结构的稳固性及施工效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种矿洞巷道支护结构，包括内钢筋网片、钢筋锚杆和钢筋网立柱，所述内钢筋网片铺设在巷道的内侧面，所述钢筋锚杆用于锚固所述内钢筋网片，所述钢筋网立柱与所述内钢筋网片垂直并间隔设置，所述钢筋网立柱的外侧设置外钢筋网片，所述外钢筋网片上间隔设置加劲肋，所述内钢筋网片、钢筋网立柱和外钢筋网片形成的空间内填充泡沫混凝土材料。

优选地，所述钢筋网立柱的立面与所述内钢筋网片垂直，所述钢筋网立柱之间的间隔为1.0-1.5m，所述加劲肋之间的间隔为15-30cm。

优选地，所述外钢筋网片与内钢筋网片平行，所述外钢筋网片与所述钢筋网立柱通过铆钉、焊接或绑扎固定。

本发明还提供了上述矿洞巷道支护结构的施工工艺，包括以下步骤：

S01：在巷道内表面铺设内钢筋网片，利用钢筋锚杆进行固定，然后垂直于内钢筋网片间隔设置钢筋网立柱，在钢筋网立柱的外侧设置外钢筋网片，在外钢筋网片上间隔设置加劲肋；

S02：在矿洞外部设置搅拌站，先加水，再加水泥、掺合料、轻集料、纤维、减水剂、保水剂和增强剂，拌制浆料；

S03：通过多节管道或竖槽，将拌好的浆料通过泵送装置输送到巷道内，当巷道的纵深在400米以上时，在所述管道或竖槽之间设置接力泵；

S04：在巷道内配置发泡装置和混合装置，将泡沫剂与水在发泡装置内制成泡沫，将浆料与泡沫在混合装置内制成泡沫混凝土材料；

S05：将泵送装置与混合装置连接，泵送装置的出料口连接软管，软管的出料口插入浇筑区内，将泡沫混凝土材料泵送至所述内钢筋网片、钢筋网立柱和外钢筋网片形成的空间内完成填充；

S06：在填充过程中，利用木器腻子将向外溢出的泡沫混凝土材料与外钢筋网片抹平，待凝固后养护，即可。

优选地，所述泡沫混凝土材料的干密度为400-1000kg/m

优选地，所述泡沫混凝土材料中各原料的重量份组成如下：水泥200-300份，掺合料300-800份，轻集料10-400份，水200-400份，泡沫剂0.1-1份，纤维0-5份，减水剂0-2份，保水剂0-1份，增强剂0-3份。

进一步优选地，所述泡沫混凝土材料中纤维的重量份为0.1-5份；更优选为0.5-4份；最优选为1-3份。

进一步优选地，所述泡沫混凝土材料中减水剂的重量份为0.1-2份；更优选为0.2-1.5份；最优选为0.5-1份。

进一步优选地，所述泡沫混凝土材料中保水剂的重量份为0.1-1份；更优选为0.3-0.8份。

进一步优选地，所述泡沫混凝土材料中增强剂的重量份为0.1-3份；更优选为0.5-2份；最优选为0.8-1.5份。

优选地，所述掺合料为粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、石灰石粉、钢渣粉、磷渣粉、沸石粉或复合掺合料。上述掺合料的化学组成与特点决定它们在混凝土中不仅起到良好的填充密实作用，而且还具有不同的表面吸附作用及火山灰活性，可以改善混凝土内部孔结构，影响混凝土中胶凝组分的水化进程，协调混凝土的强度发展，并能有效改善水化产物的组成及结构，优化混凝土内界面过渡区的结构与性能，因而最终提高混凝土的强度及耐久性等综合性能。

优选地，所述轻集料为聚苯颗粒、玻化微珠、珍珠岩、陶粒、煤矸石的一种或两种以上的组合；更优选为玻化微珠、珍珠岩和煤矸石的组合，三者的重量比为：（0.6-1.2）：1：（1.5-2.5）；最优选为0.8：1：2；以大大地减少混凝土的裂纹及空鼓现象的产生，增加混凝土强度，提高工程质量。

优选地，所述纤维为聚丙烯纤维，选择性添加适量聚丙烯纤维以对混凝土进行增强、增韧，提高混凝土的耐冲击性及抗裂性。

优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂或者萘系减水剂。选择性添加上述减水剂以改善混凝土拌合物的分散性和流动性，减少用水量。

优选地，所述保水剂为羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、羟乙基甲基纤维素、可分散性乳胶粉的一种或多种组合；更优选为羟乙基甲基纤维素与可分散性乳胶粉的组合，二者的重量比为1：（2-4）；最优选为1：3。上述保水剂相容性良好，不沉淀不析出，能有效抑制混凝土泌水现象，提高混凝土包裹性和粘聚性，有利于胶凝材料水化完全，从而提高混凝土和易性，提高混凝土抗压强度。

优选地，所述增强剂为硫酸钠、氯化镁、氢氧化钠、生石灰、建筑石膏的一种或多种组合，以改善混凝土的强度和抗裂性。

众所周知，随着煤炭这一不可再生资源的不断消耗，人类只能进行煤炭资源的深度挖掘，才能够为人类生活提供源源不断的能量支持。在深度挖掘下，挖采技术和煤炭巷道支护技术也越来越复杂。这是因为随着深度的不断增加，巷道中出现了软岩围岩，软岩围岩的承载能力差，容易受到多重因素的影响，会发生破碎现象，很容易引起安全事故，这时就需要运用巷道支护技术，增强煤矿巷道内部的稳定性，对巷道岩层进行加固，避免巷道围岩发生严重形变。

现阶段煤矿资源应用要求较多，因此煤矿开采深度加大，使用重型设备冲击地压、矿压会出现剧烈的振动，巷道周围岩层出现变形，会引起严重的工程灾害问题。为避免这一类工程灾害问题出现，进一步改进支护技术，才能保障巷道支护效果。

当前国内煤矿工程巷道支护技术存在的缺陷可分为三点：

（1）围岩承载圈厚度偏小。在普通的支护工作中，如围岩本身厚度不够，会导致支撑力较弱，所形成的承载圈效应不大，进而影响整体巷道围岩的性能。

（2）支护支架强度控制不足。当开辟出巷道后，巷道区域原本的围岩应力也会进行改变，因此对支护支架形成较大的压力。为了避免发生安全事故，必须加强支护支架的强度，以便能够承载压力，同时也要注意支护支架强度不可过大，因为围岩变化性较强，过高的强度会使支架与围岩协调性变差，容易形成崩塌。

（3）软岩巷道变形。如果巷道是软岩性质，软岩会因应力的影响而变大，对周边围岩较弱的区域进行积压，改变围岩结构及稳定性，而当变形维持若干时间后，就会在围岩内部形成连锁效应，对围岩的承载圈进行破坏，最后整体崩塌。

对于地下作业而言，安全是第一要素。我国煤矿巷道支护技术还存在一定缺陷，应当在采取相应措施改善后再进行作业，最大限度地保障作业人员的安全。因此，需要根据深井全煤巷道的实际情况，对锚杆支护技术进行合理优化。同时，采深过大也会导致围岩受到的锚杆力增加，从而容易出现围岩破坏的情况。

在这种情况下，锚杆支护技术以其独特的优势得到了广泛的应用。锚杆支护技术能有效增强巷道围岩的强度，控制围岩的形变。但是其结构形式单一，要加强支护效果，还需要与钢筋网片、喷浆工艺等进行结合。其中喷浆工艺多采用混凝土材料，喷施过程中粉尘污染大，对人员存在较大伤害；且喷涂过程中，由于混凝土材料的自重大，喷涂的产品很大一部分溢流出来，浪费材料；施工速度太慢，混凝土需要通过斗车等方式运输进巷道内，不能进行高效作业；混凝土凝结硬化后，刚度大，对抵御周边土体的应力作用效果不好，会因土体的收缩，引起混凝土板体的开裂，甚至大量脱落，存在隐患；脱落后的混凝土块，也不便于及时维护；总体成本大，经济效益较低。因此，对现有常用支护结构及其施工工艺进行改进具有重要的现实意义。

泡沫混凝土材料是一种性能优异、用途广泛的建筑材料，在节能与环保的大环境下发挥着显著作用。虽然现阶段已对泡沫混凝土的研究取得了一些进展，但实际上仍有待加强，例如进一步改善泡沫混凝土的性能，包括减重、提高耐久性等，在改善性能的同时，研究孔结构与力学性能间的关系等，使其更好地满足巷道支护的需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明在巷道内侧面铺设钢筋网片，利用钢筋锚杆打入土体内部，用于锚固钢筋网片；每隔1.0-1.5m设置钢筋网立柱，用于加强整体性，防止因浇注填充材料后，整体受到自重脱落；在钢筋网立柱外侧，利用特定尺寸的钢筋网片，优选孔径为5mm×10mm，每隔15-30cm设置一个加劲肋，将钢筋网片固定在钢筋网立柱外侧，利用铆钉或者焊接或者绑扎固定；其中，外钢筋网片作为泡沫混凝土的外侧模板，内钢筋网片可以用于加固土体整体性，同时作为内模；从而利用特制的泡沫混凝土材料作为填芯材料，将结构中间的空腔回填，完成支护结构，基于上述技术方案所得支护结构的支护效果更好，支护稳固性好，填充材料无脱落，施工过程中无粉尘，材料凝固后与巷道内土体的整体结合性好，不容易被破坏。

本发明支护结构的施工工艺将矿洞巷道的特点以及支护结构的整体需要进行了综合考虑，对于纵深较大的矿洞尤其适用，施工前在特定位置配置相应的设备或装置，接好管道，准备好材料等，施工过程流场，基本可以实现连续在巷道内连续作业，对于矿洞巷道支护而言可以大大提高作业效率，使施工效果整体表现一致，施工进度可控性更高。

本发明泡沫混凝土材料的干密度可以根据需要在400-1000kg/m

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明一种矿洞巷道支护结构的结构示意图；

其中，1-内钢筋网片，2-钢筋锚杆，3-钢筋网立柱，4-巷道，5-外钢筋网片，6-加劲肋。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

实施例1-实施例7

如图1所示，一种矿洞巷道支护结构，包括内钢筋网片1、钢筋锚杆2和钢筋网立柱3，内钢筋网片1铺设在巷道4的内侧面，钢筋锚杆2用于锚固内钢筋网片1，钢筋网立柱3与内钢筋网片1垂直并间隔设置，钢筋网立柱3的外侧设置外钢筋网片5，外钢筋网片5上间隔设置加劲肋6，内钢筋网片1、钢筋网立柱3和外钢筋网片5形成的空间内填充泡沫混凝土材料。

加劲肋6为条板状，其与钢筋网立柱3垂直。

钢筋网立柱3的立面与内钢筋网片1垂直，钢筋网立柱3之间的间隔为1.0-1.5m，加劲肋6之间的间隔为20cm。

外钢筋网片5与内钢筋网片1平行，外钢筋网片5与钢筋网立柱3通过铆钉、焊接或绑扎固定。

上述矿洞巷道4支护结构的施工工艺，包括以下步骤：

在巷道4内表面铺设内钢筋网片1，利用钢筋锚杆2进行固定，然后垂直于内钢筋网片1间隔设置钢筋网立柱3，在钢筋网立柱3的外侧设置外钢筋网片5，在外钢筋网片5上间隔设置加劲肋6；

在矿洞外部设置搅拌站，先加水，再加水泥、掺合料、轻集料、纤维、减水剂、保水剂和增强剂，拌制浆料；

通过多节管道或竖槽，将拌好的浆料通过泵送装置输送到巷道4内，当巷道4的纵深在400米以上时，在管道或竖槽之间设置接力泵；

在巷道4内配置发泡装置和混合装置，将泡沫剂与水在发泡装置内制成泡沫，将浆料与泡沫在混合装置内制成泡沫混凝土材料；

将泵送装置与混合装置连接，泵送装置的出料口连接软管，软管的出料口插入浇筑区内，将泡沫混凝土材料泵送至内钢筋网片1、钢筋网立柱3和外钢筋网片5形成的空间内完成填充；

在填充过程中，利用木器腻子将向外溢出的泡沫混凝土材料与外钢筋网片5抹平，待凝固后养护，即可。

巷道支护结构完成后按照GB/T35056-2008煤矿巷道锚杆支护技术规范进行巷道内各项参数的监测。

以下为实施例1-实施例7中所用泡沫混凝土的原料组成说明，如下表所示：

表格中，掺合料选择HTFC掺合料；减水剂选择聚羧酸减水剂；泡沫剂选择HTW-1型泡沫剂。

以下为对比案例。

对比例1

一种矿洞巷道4支护结构，包括内钢筋网片1、钢筋锚杆2和钢筋网立柱3，内钢筋网片1铺设在巷道4的内侧面，钢筋锚杆2用于锚固内钢筋网片1，钢筋网立柱3与内钢筋网片1垂直并间隔设置，在内钢筋网片1上喷涂混凝土材料。

采用上述结构进行巷道支护，在施工时粉尘污染大，且混凝土材料自重大，在施工及养护过程中容易发生局部脱落。

对比例2

本对比例2与实施例2不同是：省略轻集料，其余原料组成及其重量份数不变。

对比例3

本对比例3与实施例5不同的是：聚丙烯纤维的重量份数为10份，增强剂的重量份数为4份，其余原料组成及其重量份数不变。

对比例4

本对比例4与实施例7不同的是：轻集料的重量份数为500份，其余原料组成及其重量份数不变。

对比例5

本对比例5所描述的矿洞巷道支护用泡沫混凝土，其重量份组成为：水泥300份，掺合料300份，轻集料10份，水120份，泡沫剂0.5份，纤维1份，减水剂3份，保水剂1.5份，增强剂2份。

接着，对评价试验的内容进行说明。

对实施例1-7及对比例2-5制备的泡沫混凝土材料养护28天，按照JG/T266-2011《泡沫混凝土》进行干密度、抗压强度和裂纹的测试；按照行业标准JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行收缩性能的测试。测试结果如下表所示：

由上述试验结果可知，本发明作为填充材料的泡沫混凝土的密度小，质轻，能够更大程度避免自重脱落；抗压强度适度，与巷道内围岩的整体适应性较好；干燥收缩率明显较小，同时从外观及测量数据来看，裂纹的长度及宽度均符合标准规定。

其中，对比例2省略轻集料，强度下降较为明显，出现裂纹现象；对比例3中聚丙烯纤维和增强剂加入量增多，强度适中，但是裂纹明显；对比例4中轻集料加入量增多，强度略有下降，裂纹较明显；对比例5调整各原料的配比，强度明显下降，裂纹不明显，上述强度及裂纹的较大变化均不宜在矿洞巷道支护中使用。上述对比案例表明在本发明泡沫混凝土组成体系中，部分材料或者配比的变化会引起性能不可预期的劣化，影响成品的整体性能。由此可知，本发明制备的泡沫混凝土的综合性能更佳，能够更好地满足矿洞巷道支护对强度及其裂纹的要求。

本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。