《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》是山東大學於2012年9月25日申請的專利，該專利的申請號為2012103596417，公布號為CN102839981A，授權公布日為2012年12月26日，發明人是李術才、王琦、李為騰、王富奇、苗素軍、王德超、王洪濤、張波、李智。
《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》包括支架、錨桿錨索和三維預應力鋼絞線系統，支架形成支護體系的內承載結構層，錨桿錨索形成所述支護體系的外承載結構層，所述錨桿錨索伸入到圍岩中，支架和圍岩之間填充有填充材料形成中間承載結構層，支架和錨桿錨索之間通過三維預應力鋼絞線系統做環向、徑向和軸向的三維連線，並施加預緊力。該體系整體性好、支架受力狀態好、材料利用率高、勞動強度低。
2016年12月7日，《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系
- 公布號：CN102839981A
- 授權日：2012年12月26日
- 申請號：2012103596417
- 申請日：2012年9月25日
- 申請人：山東大學
- 地址：山東省濟南市歷下區經十路17923號
- 發明人：李術才、王琦、李為騰、王富奇、苗素軍、王德超、王洪濤、張波、李智
- Int.Cl.：E21D11/00(2006.01)I；E21D21/00(2006.01)I
- 代理機構：濟南聖達智慧財產權代理有限公司
- 代理人：王吉勇
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2012年9月，隨著社會經濟的發展，地下岩體工程進一步向深、廣方向發展，圍岩層位越來越深，工程地質條件越來越複雜。高地應力、軟岩流變、斷層等地質構造、地下水等因素造成地下工程面臨前所未有的支護難度。中國國內外學者通過研究提出並發展了多種支護形式，如錨噴支護、錨網索噴、金屬支架、高強度弧板等。從2012年9月前資料可以看出，支護技術不能很好的滿足現場複雜條件下的圍岩支護要求，尤其是更難滿足千米深井軟岩巷道的支護，嚴重影響了深部岩體工程的生產和安全。
深部軟岩巷道圍岩軟弱，承載能力差，金屬支架支護能夠為圍岩提供更大的支護阻力，是現在常用的軟岩巷道支護方式。但從2012年9月前軟岩巷道現場調研情況可以發現，金屬支架與圍岩之間的空間仍是制約軟岩巷道金屬支架充分發揮其承載能力的最重要的問題。金屬支架雖然具有承載能力強的優點，但由於軟岩的客觀條件及所採用的巷道掘進和支護工藝上的限制，掘進過程中的泥岩等軟岩巷道或因局部冒頂或片幫而形成不規則的空穴等都是不可避免的，掘進後的巷道周邊和架設的支架之間會有一定空間，且一般極不規則，巨野、淮南等礦區典型深部礦井軟岩巷道調研發現，該空間徑向尺寸平均在0.5米以上，最大的地方達到1.2米甚至更大。
常用的處理支架和圍岩兩者之間空間的工藝是採用背板或手工填入的矸石等，這種處理方式使支架和圍岩以點接觸的形式接觸，有的甚至完全沒有和圍岩接觸。在這種情況下支架壁後空間不能有效地加以充填密實，支護結構與圍岩將呈隨機的點、線接觸，從而使支護結構承受集中載荷或偏心載荷，惡化支護結構的受力狀況，使支護結構受損或支撐能力得不到充分的發揮，嚴重降低了材料利用率，支護效果得不到保障。
針對該情況，支架的壁後充填可以在一定程度上緩解支架支護的上述問題。充填材料將壁後空間充滿，使圍岩-充填體-支護結構三者形成一個共同的力學承載體系，可較充分發揮支架和圍岩本身的承載能力，有效地控制圍岩變形，提高巷道的穩定性。在壁後密實充填的情況下，U型鋼支架的承載能力可比不進行壁後充填時提高2.5~3倍。正是因為壁後充填改善了支護-圍岩的相互作用關係，使得支護具有初撐力大，增阻速度快，工作阻力大的良好性能，能夠有效地控制軟岩巷道的大變形。
但通過調研和綜合分析上述兩種對支架與圍岩之間空間的常用的處理方法，發現存在以下問題：
（1）壁後填充一般是利用泵送或灌漿的工藝，在背板的空隙中填充水泥類等材料，填充材料強度低、脆性、塑形變形能力及韌性低，導致壁後充填材料易出現開裂，從而使支護體系整體承載能力降低；
（2）壁後空間不規則，且背板只能手動堆砌，不可能做到均勻，堆砌質量難以定量控制，堆砌密實均一性得不到保證，同時，填充材料內部既有木材又有水泥類材料，且還有部分殘留的空洞，填充層材料質地非常不均勻，導致支架受力依然有明顯的不均勻現象，偏壓情況明顯，對其承載能力發揮仍有較大影響；
（3）水泥背板及木材等材料用量大，勞動強度高，工作效率低，且堆砌質量難以定量控制。普通斷面尺寸的軟岩巷道支架支護中，每排支架需要水泥背板數十根至上百根，木質背板需要數十根，材料用量大，尤其是對木材的消耗嚴重；水泥背板需要在地面預製、養護，木質背板需要地面截好，然後進過運輸才能到達迎頭附近，最後利用人工搬運的方式運送至迎頭，且由於壁後空間不規則，尺寸多變，背板只能手動堆砌，背板量大且重，需人工堆砌，勞動強度大，工作效率很低，且堆砌質量無法合理的定量控制。
發明內容
專利目的
《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》明的目的是為克服上述軟岩巷道支架支護的不足，提供一種深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系，該體系整體性好、支架受力狀態好、材料利用率高、勞動強度低。
技術方案
一種深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系，包括支架、錨桿錨索和三維預應力鋼絞線系統，支架形成支護體系的內承載結構層，錨桿錨索形成所述支護體系的外承載結構層，所述錨桿錨索伸入到圍岩中，支架和圍岩之間填充有填充材料形成中間承載結構層，支架和錨桿錨索之間通過三維預應力鋼絞線系統做環向、徑向和軸向的三維連線，並施加預緊力。支護體系有效解決了支架與巷道毛硐之間間隙過大、支架受力不均、偏壓嚴重的問題，有效提高了體系的整體強度及剛度，提高了軟岩巷道控制能力。
所述支架為各種形式和尺寸的U型鋼支架、方鋼管約束混凝土支架、U型鋼約束混凝土支架或鋼管混凝土支架；
所述支架的外緣設有支架穿索孔，便於進行所述鋼絞線的穿孔和連線，支架穿索孔的數量與單排錨桿錨索的數量一致，與錨桿錨索的托盤位置交錯布置；所述錨桿錨索為2012年9月前的常規支護構件，在其托盤上設有托盤穿索孔，便於進行所述鋼絞線的穿孔和連線，所述支架穿索孔為圓孔，能允許4-6根所述鋼絞線同時穿過。
所述的三維預應力鋼絞線系統包括架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線，架-錨鋼絞線是指連線支架和錨桿錨索的鋼絞線；架-架鋼絞線是指連線兩排支架之間的鋼絞線。
所述的架-錨鋼絞線依次穿過支架穿索孔和托盤穿索孔，在支架外緣和圍岩表面之間形成類似W形的連續格線，將支架和錨桿錨索連線起來。
所述的架-架鋼絞線布置在相鄰兩排支架之間，沿支架外緣呈Z字形連續布置，將相鄰兩支架縱向連線。
所述的架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線共同組成連線支架和錨桿錨索的三向作用的三維鋼絞線系統。
所述的架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線在施工完成後均施加一定程度的預緊力。
所述的鋼絞線可以選擇多種型號，直徑一般在4~10毫米之間。
所述的三維預應力鋼絞線的連線方式和布置方式有很多，不僅局限於W形和Z字形。
所述的填充材料一般為碎石混凝土、粉煤灰混凝土等原料來源廣泛、成本低廉，具有一定強度和承載能力，且具有很好的可泵性的混合材料，採用泵送的方式進行填充，極大降低勞動強度。
所述的填充材料初凝時間短，早期強度高，具有一定的塑性變形能力。
所述的填充材料在所述的三維預應力鋼絞線的作用下使其內部產生一定的預應力，組成類似預應力鋼筋混凝土的結構，有效提高了填充材料層的整體強度和塑性變形能力，彌補了所述的填充材料脆性的不足，提高了所述的填充材料的整體強度和抗變形能力，防止其局部開裂破壞的發生。
所述的填充材料有效填充了支架與圍岩之間的空間，使支架受力均勻，充分發揮支架的高強支撐能力。
所述中間承載結構層外表面緊貼有填充擋板，填充擋板通過鐵絲與所述架-架鋼絞線相連，拼裝成與支架一致的形狀和尺寸，形成所述阻止填充材料流動的擋板。
在所述的填充材料養護完成之後，拆除所述填充擋板，便於循環使用，節約材料。
所述的填充擋板一般由木材加工而成，形狀一般為與支架尺寸匹配的便於拼裝的矩形。
《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》明的填充材料和三維預應力鋼絞線相互作用形成所述支護體系的中承載層，將內、外承載結構有效連線在一起，形成三維立體的整體承載結構，實現了支架-充填體-圍岩三者共同承載，使支護體與圍岩體在強度、剛度和結構上的耦合，有效防止支護體系的局部失效，提高支護巷道穩定性。
改善效果
1.支護體系整體性更高。三維預應力鋼絞線和填充材料相互作用形成支護體系的中承載層，將內、外承載結構有效連線在一起，形成三維立體的整體承載結構，實現了支架-充填體-圍岩三者共同承載，使支護體與圍岩體在強度、剛度和結構上的耦合，有效防止支護體系的局部失效，提高支護巷道穩定性。
2.支架受力趨於均勻，高支撐能力得到發揮。填充材料有效填充了支架與圍岩之間的空間，且填充空間內去除了2012年9月前的水泥背板和木背板，極大減少或杜絕了填充材料空洞的出現，使材料填充更加密實，受力傳力更加均勻，同時三維鋼絞線將所有的錨桿和支架徑向、軸向和環向相連，上述作用將來自圍岩的外荷載通過充填密實的壁後充填物均勻地傳遞給支架，改善了支架的受力狀況，使支架受力均勻，支架上彎矩、剪力分布趨向於均勻，使支架受到的彎矩、剪力減小，充分發揮支架的高強支撐能力。
3.填充材料抗拉能力及柔性變形能力提升。填充材料在三維預應力鋼絞線的作用下使其內部產生一定的預應力，組成類似預應力鋼筋混凝土的結構，有效提高了填充材料層的塑性變形能力，彌補了所述的填充材料脆性的不足，提高了所述的填充材料的整體強度和抗變形能力，防止其局部開裂破壞的發生，且具有更強的柔性讓壓能力。
4.鋼絞線強度高、重量輕、施工簡便。預應力鋼絞線作為柔性材料，具有鋼筋材料數倍的抗拉強度，可施加較高的預緊力，同時可以任意彎折，不受支架與圍岩之間空間尺寸限制，可以方便穿孔和張拉，施工簡便。
5.材料節省，勞動強度低，效率高。支護體系支護強度高，整體性好，可放寬支架排距，降低支護成本和勞動強度；在填充材料養護完成之後，填充擋板可以進行拆除，循環使用，節約材料；填充擋板可由木材加工而成，具有一定的剛度即可，重量輕，施工方便，成本低；填充材料全部採用泵送的方式填充，不再需要人工手動填充水泥背板或木背板，降低了勞動強度，提高了勞動效率。
附圖說明
圖1為《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》明結構示意圖；
圖2為圖1中A處的放大圖，即巷道幫部支護體系的結構斷面示意圖；
圖3為圖2中所示的B-B剖面圖，即巷道幫部支護體系的結構平剖面示意圖；
圖4為圖1中A處的側視圖；
圖5為圖2中C處的放大示意圖；
圖6為圖3中D處的放大示意圖。
其中：1-圍岩；2-錨桿；3-錨索；4—支架；5-填充材料；6-架-錨鋼絞線；7-架-架鋼絞線；8-填充擋板；9-鐵絲；10-錨桿托盤；11-托盤穿索孔；12-支架穿索孔。
技術領域
《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》明涉及一種地下工程支護體系，尤其是一種深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系。
權利要求
1.一種深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系，其特徵是，包括支架、錨桿錨索和三維預應力鋼絞線系統，支架形成支護體系的內承載結構層，錨桿錨索形成所述支護體系的外承載結構層，所述錨桿錨索伸入到圍岩中，支架和圍岩之間填充有填充材料形成中間承載結構層，所述填充材料為碎石混凝土或粉煤灰混凝土；支架和錨桿錨索之間通過三維預應力鋼絞線系統做環向、徑向和軸向的三維連線，並施加有預緊力；所述支架的外緣設有支架穿索孔，支架穿索孔的數量與單排錨桿錨索的數量一致，支架穿索孔與錨桿錨索的托盤位置交錯布置；錨桿錨索的托盤上設有托盤穿索孔；所述托盤穿索孔和支架穿索孔均為圓孔，均能允許4-6根鋼絞線同時穿過；所述的三維預應力鋼絞線系統包括架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線；架-錨鋼絞線是指連線支架和錨桿錨索的鋼絞線；架-架鋼絞線是指連線兩排支架之間的鋼絞線；所述架-錨鋼絞線依次穿過支架穿索孔和托盤穿索孔，在支架外緣和圍岩表面之間形成W形的連續格線，將支架和錨桿錨索連線起來；所述架-架鋼絞線布置在相鄰兩排支架之間，沿支架外緣呈Z字形連續布置，將相鄰兩支架縱向連線。
2.如權利要求1所述的支護體系，其特徵是，所述支架為U型鋼支架、方鋼管約束混凝土支架、U型鋼約束混凝土支架或鋼管混凝土支架。
3.如權利要求1所述的支護體系，其特徵是，所述架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線共同組成連線支架和錨桿錨索的三向作用的三維鋼絞線系統；所述架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線在施工完成後均施加有預緊力。
4.如權利要求1所述的支護體系，其特徵是，所述架-錨鋼絞線和架-架鋼絞線的直徑在4~10毫米之間。
5.如權利要求1所述的支護體系，其特徵是，所述中間承載結構層外表面緊貼有填充擋板，填充擋板通過鐵絲與所述架-架鋼絞線相連，拼裝成與支架一致的形狀和尺寸，形成阻止填充材料流動的擋板。
6.如權利要求5所述的支護體系，其特徵是，所述的填充擋板由木材加工而成，形狀為與支架尺寸匹配的矩形。
實施方式
參照圖1~6，《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》明的具體實施方式是，深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系（簡稱SAFA支護體系），主要支架4、錨桿2、錨索3、三維預應力鋼絞線系統（即架-錨鋼絞線6和架-架鋼絞線7）、支架壁後填充材料5及充填擋板8組成。
其中，支架4形成支護體系的內承載結構，錨桿2錨索3形成所述支護體系的外承載結構，在支架4和錨桿2錨索3內外兩層支護結構之間，利用三維預應力鋼絞線系統（架-錨鋼絞線6和架-架鋼絞線7）將支架4和錨桿2錨索3進行環向、徑向和軸向的三維連線，並施加預緊力，最後在內外支護結構之間利用填充材料5進行填充，形成中承載層。支護體系有效解決了支架與巷道毛硐之間間隙過大、支架受力不均、偏壓嚴重的問題，有效提高了體系的整體強度及剛度，提高了軟岩巷道控制能力。
支架4可為各種形式和尺寸的U型鋼支架、方鋼管約束混凝土支架、U型鋼約束混凝土支架、鋼管混凝土支架等。支架4的外緣設有支架穿索孔12，便於進行架-錨鋼絞線6或架-架鋼絞線7的穿孔和連線，支架穿索孔12的數量一般與單排錨桿2的數量一致，與錨桿托盤10位置交錯布置。支架穿索孔12一般為圓孔，能允許4-6根架-錨鋼絞線6或架-架鋼絞線7同時穿過。
錨桿為2012年9月前的常規支護構件，在其錨桿托盤10上設有托盤穿索孔11，便於進行鋼絞線（即架-錨鋼絞線6）的穿孔和連線，托盤穿索孔11一般為圓孔，能允許4-6根架-錨鋼絞線6同時穿過。
三維預應力鋼絞線系統包括架-錨鋼絞線6和架-架鋼絞線7。架-錨鋼絞線6是指連線支架和錨桿錨索的鋼絞線；架-架鋼絞線7是指連線兩排支架4之間的鋼絞線。錨索架-錨鋼絞線6依次穿過支架穿索孔12和托盤穿索孔11，在支架4外緣和圍岩1表面之間形成類似W形的連續格線，將支架4和錨桿2連線起來；架-架鋼絞線7布置在相鄰兩排支架4之間，沿支架4外緣呈Z字形連續布置，將相鄰兩支架縱向連線。架-錨鋼絞線6和架-架鋼絞線7共同組成連線支架4和錨桿2的三向作用的三維鋼絞線系統。上述鋼絞線在施工完成後均施加一定程度的預緊力，且可以選擇多種型號，直徑一般在4~10毫米之間。三維預應力鋼絞線的連線方式和布置方式有很多，不僅局限於W形和Z字形。
填充材料5一般為碎石混凝土、粉煤灰混凝土等原料來源廣泛、成本低廉，具有一定強度和承載能力，且具有很好的可泵性的混合材料。採用泵送的方式進行填充，極大降低勞動強度。該材料初凝時間短，早期強度高，具有一定的塑性變形能力。填充材料5在三維預應力鋼絞線系統的作用下使其內部產生一定的預應力，組成類似預應力鋼筋混凝土的結構，有效提高了填充材料層的塑性變形能力，彌補了所述的填充材料脆性的不足，提高了所述的填充材料的整體強度和抗變形能力，防止其局部開裂破壞的發生。填充材料5有效填充了支架與圍岩之間的空間，使支架受力均勻，充分發揮支架的高強支撐能力。
中間承載結構層外表面緊貼有填充擋板8，填充擋板8通過鐵絲9與所述架-架鋼絞線7相連，拼裝成與支架4一致的形狀和尺寸，形成阻止填充材料5流動的擋板。在填充材料5養護完成之後，拆除所述填充擋板8，便於循環使用，節約材料。填充擋板8一般由木材加工而成，形狀一般為與支架4尺寸匹配的便於拼裝的矩形。
填充材料5和三維預應力鋼絞線系統相互作用形成支護體系的中承載層，將內、外承載結構有效連線在一起，形成三維立體的整體承載結構，實現了支架-充填體-圍岩三者共同承載，使支護體與圍岩體在強度、剛度和結構上的耦合，有效防止支護體系的局部失效，提高支護巷道穩定性。
榮譽表彰
2016年12月7日，《深部軟岩巷道三維預應力鋼絞線壁後充填支架支護體系》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
