本发明涉及井下岩石巷道防护装置，具体地说是一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法。
背景技术：
在井下巷道施工过程中经常会碰到断层或者岩石破碎段，在这种情况下掘进巷道存在巷道支护不及时引起的塌方，或者支护强度不够导致的二次塌方等问题。同时，塌方段及围岩破碎段永久支护一直以来都是井下巷道施工的重点、难点。传统巷道塌方段施工技术存在以下缺点：1、超前小导管注浆对岩体要求高；2、进行钢拱架、挂网、系统锚杆支护时，需对塌方段已稳定的塌方体进行扰动施工，开挖安全隐患大，极易出现二次塌方，现场施工作业人员安全无法得到保证；3、采用联合支护技术及提前二次衬砌施工进度慢，成本高且安全无保证；4、塌方施工技术注浆成本、支护成本、工期滞后罚款等成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种施工质量稳定、支护强度高、减少施工现场劳动强度、加快工程进度，能有效解决巷道掘进面临塌方安全隐患的预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法。
为实现上述目的，本发明所述一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架，其特点是：包括超前钢管和若干组拱架体，相邻拱架体之间通过若干连接固定筋相接，所述拱架体包括左右两个拱架柱腿以及连接左右拱架柱腿的拱架拱顶，在拱架柱腿的底部均设有拱架柱腿支撑板；其支护方法为：（1）根据巷道断面和破碎段长度准备若干拱架体，将拱架柱腿、拱架拱顶和拱架柱腿支撑板拆分运至工作面，在工作面现场组装拱架体，拱架体安装间距根据现场实际掘进地质及塌方情况采用500mm—1000mm间距；相邻拱架体之间采用连接固定筋焊接成一个整体钢拱架；（2）在整体钢拱架形成支撑后，在工作面拱顶和拱架柱腿侧预打孔，将超前钢管嵌入孔内形成预支撑，与工作面相连，形成一个保护假顶，超前钢管环向布置，间距根据岩石破碎程度300-500mm，和钢拱架支撑焊接成一整体；（3）在安装完成后，组织喷浆作业对喷射强度大于c15的喷射混凝土，厚度大于150mm，使整个超前钢管预支撑和钢拱架联合支护形成一个整体，形成永久性支护。
本发明一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法技术方案中，进一步优选的技术方案特征是：
1、所述拱架拱顶为弧形拱顶；
2、所述拱架柱腿、拱架拱顶和拱架柱腿支撑板均采用工字钢加工而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、超前钢管预支撑和钢拱架联合支护结合了喷射混凝土支护，极大的增强了支护强度，避免了使用其它支护方式时强度不足容易引起二次塌方的风险，确保了施工的安全；
2、使用超前钢管预支撑和钢拱架联合支护技术进行临时支护塌方段及围岩破碎段，对围岩稳定性、扰动等情况要求较低；
3、采用超前钢管预支撑和钢拱架联合支护技术缩短了巷道塌方段或围岩破碎段掘进工期，缩短了整体的建设工期。使用传统过塌方施工技术超前注浆—出渣—支护，超前注浆设备使用多，工序复杂，每循环时间较长；而使用钢拱架支护施工相对简便，每循环时间缩短。
附图说明
图1为本发明钢拱架的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法，包括超前钢管4和若干组拱架体，相邻拱架体之间通过若干连接固定筋相接，所述拱架体包括左右两个拱架柱腿2以及连接左右拱架柱腿的拱架拱顶3，在拱架柱腿2的底部均设有拱架柱腿支撑板1；其支护方法为：（1）根据巷道断面和破碎段长度准备若干拱架体，将拱架柱腿、拱架拱顶和拱架柱腿支撑板拆分运至工作面，在工作面现场组装拱架体，拱架体安装间距根据现场实际掘进地质及塌方情况采用500mm—1000mm间距；相邻拱架体之间采用连接固定筋焊接成一个整体钢拱架；（2）在整体钢拱架形成支撑后，在工作面拱顶和拱架柱腿侧预打孔，将超前钢管嵌入孔内形成预支撑，与工作面相连，形成一个保护假顶，超前钢管环向布置，间距根据岩石破碎程度300-500mm，和钢拱架支撑焊接成一整体；（3）在安装完成后，组织喷浆作业对喷射强度大于c15的喷射混凝土，厚度大于150mm，使整个超前钢管预支撑和钢拱架联合支护形成一个整体，形成永久性支护。所述钢拱架采用i12～i16的工字钢现场加工而成。钢拱架分片、分段加工。弧形拱顶采用冷弯机一次弯曲成型。钢支撑端部连接处焊接厚度δ=10mm，200×200的钢板钻螺栓孔与钢支撑柱腿用φ16×43螺栓连接而成。必要时，将柱腿与拱部之间的两块钢板焊接成整体。柱腿底部焊接厚度δ=10mm，200×200的钢板扩大受力面积，两榀钢支撑弧形拱顶应保证一定间距，确保超前钢管顺利通过。
所述拱架拱顶为弧形拱顶。所述拱架柱腿、拱架拱顶和拱架柱腿支撑板均采用工字钢加工而成，所述钢拱架可选用工字钢、槽钢，可在i12～i16内任意调整，可根据巷道不同情况进行选择，为保证钢拱架不出现单榀出现倾覆现象，宜采用500mm—1000mm纵向连接筋或采用与钢支撑同材质型钢焊接成整体，钢拱架间距可根据巷道围岩条件进行调整，钢拱架最大间距为1000mm，巷道存在塌方且高度大于3m时，钢拱架支撑间距不得大于500mm。本发明适用于各类井下破碎段巷道施工，可有效预防和控制井下巷道地质灾害。该方法也可在隧道掘进施工遇到破碎围岩段时使用。
本发明超前钢管预支撑和钢拱架联合支护技术将拱架与底梁、超前钢管焊接成一个整体形成一个完整的受力结构。用凿岩机钻凿超前孔将超前钢管插入掘进岩石中，另一端焊接到钢拱架上，每次掘进长度小于钢管长度，在爆破后形成临时支护。超前钢管预支撑和钢拱架联合支护形成一个环向封闭的稳定整体，防止易塌方段渣石掉落。超前钢管预支撑和钢拱架联合支护具有拱形的受力特性，钢拱架形成的强力支撑可以避免巷道不稳定段二次垮塌，保证施工安全。在巷道施工时，根据现场情况选择匹配巷道断面的钢拱架尺寸，根据循环进尺和地质条件选择适宜的超前钢管长度。首先根据巷道断面加工适量的钢拱架，在掘进面支两架钢拱架，然后在掌子面周边钻凿超前孔，孔深必须大于每循环掘进进尺，然后将超前钢管一段插入，另一端焊接固定到钢拱架上。下一步按照正常施工步骤进行凿岩爆破和出渣。出渣后，快速进行锚杆挂网临时支护，然后进行钢拱架支护，钢拱架之间用钢筋焊接可增强整体性和支撑力，在钢拱架支护后，进行喷射混凝土（强度c15以上）支护形成永久支护。
本发明钢拱架支撑受力原理，钢拱架采用拱形结构，这样做到受力均匀，结构稳定不易变形；立柱采取延伸柱腿至底板以下，并增设底部支撑梁，可以有效抵抗因围岩变化收敛产生的对柱腿侧向的水平推力，锚网喷可以增加受力面积，分散受力点，使相邻两组钢拱架连成一个整体，继而使所有钢拱架连成一个整体，增强抗倾覆性，增加结构的稳定性，超前钢管预支撑和钢拱架联合支护可以有效地避免破碎岩石垮塌，对巷道内施工人员起到保护作用，因安全有保障加快了施工进度。
本发明的施工步骤为：1、钢拱架安装，钢支撑安装间距根据现场实际掘进地质及塌方情况采用500mm—1000mm间距，必要时可根据现场实际情况减小钢支撑安装间距。钢支撑采用现场安装，将加工好的拱架分片运至工作面，按设计要求分片组装成一个整体。检查钢支撑安装质量，主要检查钢支撑安装垂直度，保证钢支撑安装完成后受力结构符合设计要求。两榀钢支撑采用上下安装并采用同材质型钢焊接形成一个整体钢拱架，两榀钢支撑拱部确保一定间距，保证超前钢管顺利穿过。螺栓连接以一个操作工使用普通扳手靠自己的力量拧紧螺母即可，保证被连接接触面能密贴，无明显的间隙。为了使连接接头中螺栓受力均匀，螺栓的紧固次序应对称进行；应采用复拧，即两次紧固方法，保证接头内各个螺栓能均匀受力。螺栓连接紧固检验采用锤击法。即用3公斤小锤，一手扶螺栓（或螺母)头，另一手用锤敲，要求螺栓头(螺母)不偏移、不颤动；不松动，锤声比较干脆。否则说明螺栓紧固质量不好，需要重新紧固施工。相邻两榀钢拱架之间焊接同材质型钢纵向连接，环向间距为0.5—0.8米焊接成一个稳定的整体，防止单榀钢支撑出现倾覆的情况出现，保证施工安全。2、超前钢管，超前支护采用同材质钢管，从钢拱架支撑后在工作面拱顶和侧帮预打孔，将钢管嵌入孔内形成预支撑。与工作面相连，形成一个保护假顶。超前钢管环向布置，间距根据岩石破碎程度300-500mm，和钢拱架支撑焊接成一整体。超前钢管紧密环向布置形成一整体，利用钢管和钢拱架提供的预支撑，保持其稳定性，防止塌方的发生，保证支护结构安全。3、喷浆作业，在安装完成后，组织喷浆作业对喷射强度大于c15的喷射混凝土，厚度大于150mm，使整个超前钢管预支撑和钢拱架联合支护形成一个整体，增强了支护的强度和稳定性，形成永久性支护。
以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
技术特征：
1.一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架，其特征在于：包括超前钢管和若干组拱架体，相邻拱架体之间通过若干连接固定筋相接，所述拱架体包括左右两个拱架柱腿以及连接左右拱架柱腿的拱架拱顶，在拱架柱腿的底部均设有拱架柱腿支撑板；
其支护方法为：
（1）根据巷道断面和破碎段长度准备若干拱架体，将拱架柱腿、拱架拱顶和拱架柱腿支撑板拆分运至工作面，在工作面现场组装拱架体，拱架体安装间距根据现场实际掘进地质及塌方情况采用500mm—1000mm间距；相邻拱架体之间采用连接固定筋焊接成一个整体钢拱架；
（2）在整体钢拱架形成支撑后，在工作面拱顶和拱架柱腿侧预打孔，将超前钢管嵌入孔内形成预支撑，与工作面相连，形成一个保护假顶，超前钢管环向布置，间距根据岩石破碎程度300-500mm，和钢拱架支撑焊接成一整体；
（3）在安装完成后，组织喷浆作业对喷射强度大于c15的喷射混凝土，厚度大于150mm，使整个超前钢管预支撑和钢拱架联合支护形成一个整体，形成永久性支护。
2.根据权利要求1所述一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法，其特征在于：所述拱架拱顶为弧形拱顶。
3.根据权利要求1所述一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法，其特征在于：所述拱架柱腿、拱架拱顶和拱架柱腿支撑板均采用工字钢加工而成。
技术总结
本发明一种预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法，包括超前钢管和若干组拱架体，相邻拱架体之间通过若干连接固定筋相接，所述拱架体包括左右两个拱架柱腿以及连接左右拱架柱腿的拱架拱顶，在拱架柱腿的底部均设有拱架柱腿支撑板。本发明能有效缩短巷道塌方段或围岩破碎段掘进工期，对巷道塌方段及时进行超前钢管预支撑和钢拱架联合支护，避免了使用其它支护方式时强度不足容易引起二次塌方的风险，确保了施工的安全。
技术研发人员：张睿;金明祯;严文炳;周通;王永智;雷明礼
受保护的技术使用者：西北矿冶研究院
技术研发日：2020.11.10
技术公布日：2021.03.16
声明：
“预防井下岩石破碎段巷道塌方的钢拱架及其支护方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：西北矿冶研究院
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2024年08月07日 ~ 09日 
