本發(fā)明涉及巷道圍巖穩(wěn)定控制，具體公開了一種單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)及其施工方法。

背景技術(shù)：

1、在煤礦、隧道等地下工程中，單面臨空軟巖巷道的圍巖穩(wěn)定性控制一直是工程技術(shù)領(lǐng)域的難點。此類巷道因一側(cè)為開采空間或空區(qū)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力分布高度非對稱，易引發(fā)頂板下沉、幫部滑移及底鼓等問題。傳統(tǒng)支護技術(shù)（如對稱錨桿布置、單一錨索加固及簡單噴漿處理）在面對此類復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境時，存在以下顯著缺陷：

2、如現(xiàn)有技術(shù)（參見對比文件cn113339031b）中通常采用均勻分布的錨桿和錨索支護，但其未針對單面臨空條件下的側(cè)向應(yīng)力集中進行差異化設(shè)計，導(dǎo)致頂板錨桿對稱布置無法有效抑制巷道臨空側(cè)與非臨空側(cè)的差異性變形，進而造成圍巖剪切滑移加劇，頂板離層風(fēng)險顯著上升，此外，幫部錨桿垂直安裝難以抵抗底角剪切應(yīng)力，易造成幫部整體失穩(wěn)，且傳統(tǒng)錨索在軟巖巷道中的錨固力衰減速率高達30%/年，長期穩(wěn)定性差。

3、因此，本技術(shù)在此特提出一種單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)及其施工方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)及其施工方法，其能解決現(xiàn)有技術(shù)中無法有效抑制巷道臨空側(cè)與非臨空側(cè)的差異性變形，進而造成圍巖剪切滑移加劇，且?guī)筒垮^桿垂直安裝難以抵抗底角剪切應(yīng)力，易造成幫部整體失穩(wěn)，影響巷道整體穩(wěn)定性的技術(shù)問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)，包括巷道和用于對巷道進行支護的支護組件，所述巷道的斷面呈矩形結(jié)構(gòu)，所述支護組件包括錨桿支護單元和錨索支護單元，所述錨桿支護單元包括位于巷道頂部位置處的頂板支護結(jié)構(gòu)和位于巷道兩側(cè)的幫部支護結(jié)構(gòu)，

4、所述頂板支護結(jié)構(gòu)包括頂板和頂板錨桿，所述頂板覆蓋貼設(shè)在巷道的頂部，所述頂板錨桿位于頂板的上部、并設(shè)有多組，多組所述頂板錨桿的底端穿過貼設(shè)在頂板表面的金屬網(wǎng)并與所述頂板相連接，且多組所述頂板錨桿相互間隔設(shè)置，其中位于頂板兩側(cè)邊角位置處的頂板錨桿頂端巖遠離頂板的方向傾斜布置，而位于頂板中部位置處的頂板錨桿頂端垂直于頂板長度方向布置；

5、所述幫部支護結(jié)構(gòu)包括側(cè)板和幫部錨桿，所述側(cè)板對稱設(shè)置在巷道兩側(cè)幫部位置處，所述幫部錨桿分別對應(yīng)設(shè)置兩個所述側(cè)板靠近巷道的一側(cè)表面、并設(shè)有多組，多組所述幫部錨桿間隔設(shè)置、且其靠近側(cè)板的一端穿過貼設(shè)在側(cè)板表面的金屬網(wǎng)與所述側(cè)板相連接，其中位于側(cè)板下部、并靠近巷道底角位置處的幫部錨桿沿遠離側(cè)板的方向傾斜向下布置，而位于側(cè)板上部、并靠近巷道肩角位置處的幫部錨桿沿遠離側(cè)板的方向傾斜向上布置，位于所述側(cè)板中部位置處的幫部錨桿頂端垂直于側(cè)板長度方向布置；

6、在貼設(shè)在所述頂板表面的金屬網(wǎng)和貼設(shè)在側(cè)板表面的金屬網(wǎng)的接茬連接處還設(shè)有加強連接錨桿。

7、需要說明的是，本技術(shù)方案針對煤礦、隧道等地下工程中單面臨空軟巖巷道的圍巖穩(wěn)定性控制問題，提出了一種新的單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)及方法，具體而言，本方案通過差異化設(shè)計錨桿支護單元和錨索支護單元，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，例如錨桿對稱布置無法有效抑制差異性變形、幫部錨桿垂直安裝難以抵抗底角剪切應(yīng)力、錨索錨固力衰減以及噴漿硬化層易開裂失效等問題。

8、其核心在于，通過錨桿和錨索的優(yōu)化布置，實現(xiàn)對巷道圍巖的主動加固和應(yīng)力調(diào)整，也即是說，本方案的頂板錨桿在頂板兩側(cè)邊角位置處傾斜布置，而中部位置垂直布置，其是為了針對單面臨空巷道應(yīng)力分布特性而特地形成非對稱錨固拱結(jié)構(gòu)，以此來抑制臨空側(cè)與非臨空側(cè)的差異性變形，使頂板剪切抗力提升，進而減少圍巖剪切滑移，降低頂板離層風(fēng)險，而通過幫部錨桿在側(cè)板下部傾斜向下布置，上部傾斜向上布置，而在中部垂直布置，能夠更好地抵抗底角剪切應(yīng)力造成的巷道肩部滑移，進而抑制圍巖在地應(yīng)力作用下的變形和位移，減少巷道周邊巖層的位移，防止巷道發(fā)生過度的收斂和變形，并將圍巖中的荷載傳遞到穩(wěn)定的巖層中，實現(xiàn)荷載的重分布和轉(zhuǎn)移，降低單一區(qū)域的應(yīng)力集中，同時通過與巖體的錨固作用，對不穩(wěn)定的巖層或巖塊起到加固和穩(wěn)定的作用，防止巖塊的滑落和失穩(wěn)，從而增強幫部整體穩(wěn)定性，同時通過本技術(shù)方案中的加強連接錨桿設(shè)計，其增強了金屬網(wǎng)接茬連接的抗拉強度，降低了金屬網(wǎng)的撕裂風(fēng)險，確保金屬網(wǎng)始終緊貼頂板和側(cè)板，有效保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

9、具體來說，所述加強連接錨桿包括錨桿部和加強連接爪，所述加強連接爪設(shè)置在錨桿部的外部兩側(cè)，且加強連接爪靠近錨桿部的一端與錨桿部相鉸接，而所述加強連接爪遠離錨桿部的一端分別與相對應(yīng)的金屬網(wǎng)相連接，在所述錨桿部的內(nèi)部同軸開設(shè)有空腔，所述空腔的內(nèi)部連接有電動液壓桿，所述電動液壓桿的伸縮段連接有連接盤，所述連接盤的兩側(cè)鉸接有活動貫穿至錨桿外部的連接桿，所述連接桿遠離連接盤的一端與對應(yīng)加強爪相鉸接，所述電動液壓桿與設(shè)置在錨桿部外部的應(yīng)力傳感器電信連接，通過所述應(yīng)力傳感器采集錨桿部受力數(shù)據(jù)，并基于受力數(shù)據(jù)變化啟動電動液壓桿工作。

10、基于上述方案，需要說明的是，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬網(wǎng)接茬連接處的穩(wěn)定性問題，也就是說，傳統(tǒng)金屬網(wǎng)接茬處的固定方式較為單一，其僅僅通過焊接或者其他方式固接，無法適應(yīng)圍巖變形，在圍巖產(chǎn)生局部應(yīng)力造成金屬網(wǎng)接茬處變形時，其容易出現(xiàn)撕裂，本技術(shù)方案特通過上述加強連接錨桿的具體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對金屬網(wǎng)接茬處的動態(tài)調(diào)整和加固。

11、具體而言，所述錨索支護單元包括頂部錨索結(jié)構(gòu)和幫部錨索結(jié)構(gòu)，所述頂部錨索結(jié)構(gòu)包括頂板錨索和頂板邊緣桁架錨索，所述頂板錨索的底端與頂板相連接，而頂板錨索的頂端豎直向上設(shè)置并與巷道巖層相連接并形成錨固段，所述頂板邊緣桁架錨索的底端與頂板兩側(cè)邊角位置處相連接，而頂板邊緣桁架錨索的頂端沿遠離頂板的方向傾斜向上設(shè)置并與巷道巖層相連接并形成錨固段。

12、應(yīng)能理解的是，本方案通過頂部錨索結(jié)構(gòu)和幫部錨索結(jié)構(gòu)的設(shè)計，形成了對巷道圍巖的有效加固，從而增強了巷道的抗變形能力。

13、更為具體的，所述幫部錨索結(jié)構(gòu)包括側(cè)板錨索和側(cè)板桁架錨索，所述側(cè)板錨索靠近側(cè)板的一端與側(cè)板中部位置相連接，而所述側(cè)板錨索遠離側(cè)板的一端與位于所述巷道兩側(cè)幫部位置處的煤柱相連接并形成錨固段，所述側(cè)板桁架錨索包括底角桁架錨索和肩角桁架錨索，所述底角桁架錨索靠近側(cè)板的一端與側(cè)板下部、并靠近巷道底角的位置處相連接，所述肩角桁架錨索靠近側(cè)板的一端與側(cè)板上部、并靠近巷道肩角的位置處相連接。

14、需要補充的是，本方案采用的頂板邊緣桁架錨索與幫部桁架錨索（底角錨索傾斜向下、邊角錨索傾斜向上）交叉形成三維預(yù)應(yīng)力承載拱，并將錨固段深入穩(wěn)定巖層（深度≥8m），可將巷道局部荷載傳遞至深部巖體，實現(xiàn)了巷道圍巖整體承載能力的大大提升，有效保證了巷道整體的穩(wěn)定性，對巷道提供長期的支護效果，增強巷道的長期穩(wěn)定性。

15、進一步的優(yōu)選實施方案中，在所述巷道的底部還設(shè)有承載支撐單元，所述承載支撐單元包括臥底結(jié)構(gòu)、填充層和底板錨桿，所述臥底結(jié)構(gòu)由巷道底板中間向下開挖形成、并向巷道兩側(cè)幫部的底角位置處呈弧形過渡，在所述臥底結(jié)構(gòu)的上部還設(shè)有巷道底板，所述底板錨桿位于底板的下部、并沿底板的寬度方向布置多組，多組所述底板錨桿的頂端與底板相連接，且其底端穿過所述臥底結(jié)構(gòu)并延伸至巷道底部巖層中，所述填充層位于底板和臥底結(jié)構(gòu)之間，且所述填充層包括注漿層和混凝土回填層，所述注漿層通過預(yù)埋鋼管與底板錨桿連接，所述混凝土回填層覆蓋于注漿層上方、并與巷道底板平齊?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，有助于提高巷道底部的承載能力，減少底鼓現(xiàn)象，從而提高巷道的使用壽命。

16、進一步方案中，所述頂板錨桿和幫部錨桿的底端與頂板、側(cè)板之間均設(shè)有鋼帶，所述鋼帶為梯子梁結(jié)構(gòu)，其表面設(shè)有防滑紋路，所述鋼帶通過螺母與頂板錨桿和幫部錨桿的末端固定。

17、一種單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制結(jié)構(gòu)的施工方法，該方法基于一種單面臨空軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)，具體而言，該方法包括如下步驟：

18、s1：頂板支護施工，首先在頂板表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，并按預(yù)設(shè)間距鉆孔并安裝頂板錨桿，并將位于頂部兩側(cè)邊角處的頂板錨桿向外傾斜，而使位于頂板中部位置處的頂板錨桿垂直布置；s2：幫部支護施工，在側(cè)板表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，鉆孔并安裝幫部錨桿，其中位于側(cè)板下部靠近巷道底角的幫部錨桿傾斜向下布置，位于側(cè)板上部靠近巷道肩角的幫部錨桿傾斜向上布置，而其他位于側(cè)板中部的幫部錨桿垂直布置，并通過鋼帶將頂板錨桿和幫部錨桿分別與頂板、側(cè)板固定；s3：錨索支護施工，安裝頂板錨索和頂板邊緣桁架錨索，將頂板錨索底端與頂板中部頂板錨桿頂端連接，頂板邊緣桁架錨索底端與頂板邊角頂板錨桿頂端連接，頂端錨固于巖層，同時安裝側(cè)板錨索和側(cè)板桁架錨索，先將側(cè)板錨索一端與側(cè)板中部幫部錨桿頂端連接，而后將側(cè)板桁架錨索的底角桁架錨索和肩角桁架錨索分別與側(cè)板下部及上部幫部錨桿頂端連接，另一端錨固于煤柱或巖體；

19、s4、承載支撐單元施工，開挖臥底結(jié)構(gòu)，安裝底板錨桿并預(yù)埋鋼管，通過鋼管分階段注漿形成注漿層，澆筑混凝土回填層至與巷道底板平齊。

20、進一步的，在s3中，所述頂板邊緣桁架錨索的安裝具體包括：首先在頂板邊角頂板錨桿頂端鉆孔至穩(wěn)定巖層，推入樹脂錨固劑后插入錨索并攪拌，而后施加預(yù)緊力至設(shè)計值的60%-80%，使頂板邊緣桁架錨索與頂板錨桿形成主動支護。

21、進一步需要說明的是，在s4中，所述分階段注漿包括兩次注漿，其中第一次注漿時，保證注漿壓力為0.5-1.0mpa，并通過鋼管填充底板裂隙，而后再第二次注漿壓力時，確保注漿壓力為1.5-2.0mpa，并在混凝土回填層初凝后加壓補強。

22、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

23、1、本發(fā)明通過差異化設(shè)計的錨桿支護單元和錨索支護單元，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中錨桿對稱布置無法有效抑制差異性變形的問題。頂板錨桿在兩側(cè)邊角位置處傾斜布置，中部位置垂直布置，有助于抑制臨空側(cè)與非臨空側(cè)的差異性變形，使頂板剪切抗力提升，減少圍巖剪切滑移，降低頂板離層風(fēng)險；

24、2、本發(fā)明通過幫部錨桿的優(yōu)化布置，側(cè)板下部錨桿傾斜向下布置，上部錨桿傾斜向上布置，中部錨桿垂直布置，更好地抵抗底角剪切應(yīng)力造成的巷道肩部滑移位，從而抑制圍巖在地應(yīng)力作用下的變形和位移，減少巷道周邊巖層的位移，防止巷道發(fā)生過度的收斂和變形；

25、3、本發(fā)明通過加強連接錨桿的設(shè)計，增強了金屬網(wǎng)接茬連接的抗拉強度，降低了金屬網(wǎng)撕裂風(fēng)險，確保金屬網(wǎng)始終緊貼頂板和側(cè)板，有效保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。加強連接錨桿內(nèi)部的電動液壓桿和應(yīng)力傳感器的配合使用，實現(xiàn)了對錨桿受力的實時監(jiān)測和自動調(diào)整，進一步提高了支護結(jié)構(gòu)的智能化水平和適應(yīng)性；

26、4、本發(fā)明巧妙地在巷道底部設(shè)置了承載支撐單元，包括臥底結(jié)構(gòu)、填充層和底板錨桿，有助于提高巷道底部的承載能力，減少底鼓現(xiàn)象，從而提高巷道的使用壽命。填充層中的注漿層和混凝土回填層設(shè)計，通過預(yù)埋鋼管與底板錨桿連接，提高了巷道底部的穩(wěn)定性和承載能力；

27、5、本發(fā)明進一步地通過設(shè)置錨索連接機構(gòu)，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中錨索預(yù)應(yīng)力施加不均勻和操作不便的問題，具體而言，其本質(zhì)上實現(xiàn)了機械與液壓聯(lián)動，從而同步張拉與周向均布牽引的雙重機制，顯著提升了錨索預(yù)應(yīng)力的施加效率與均勻性，也即是當旋轉(zhuǎn)套筒底部的轉(zhuǎn)動螺母時，螺紋傳動使連桿在套筒空腔內(nèi)上移，帶動頂端圓錐臺狀引導(dǎo)塊同步抬升，此時引導(dǎo)塊外壁的傾斜引導(dǎo)槽通過滾動輪對活塞推板施加徑向推力，迫使儲液缸內(nèi)的活塞推板壓縮液壓油，進而使液壓油通過液壓管均勻分配至各滑槽上部的液壓缸，以驅(qū)動所有滑塊以同步速率與行程沿滑槽向下滑動，與此同步，固定在滑塊上的多根牽引鋼繩通過滑動管的條形縫將拉力匯聚至中心的滑動連接塊，以使滑動連接塊下移，而隨著滑動連接塊下移，其頂部與錨索的剛性連接將多股牽引力轉(zhuǎn)化為錨索的軸向均勻拉伸，從而實現(xiàn)對錨索進行均勻拉緊，以實現(xiàn)錨索的均勻預(yù)應(yīng)力施加，并解決了人工張拉而導(dǎo)致的操作不便的問題；

28、綜上所述，本技術(shù)方案通過錨桿和錨索的優(yōu)化布置，實現(xiàn)對巷道圍巖的主動加固和應(yīng)力調(diào)整，同時通過加強連接錨桿設(shè)計，增強了金屬網(wǎng)接茬連接的穩(wěn)定性，并通過底部承載支撐單元的設(shè)計，提高了巷道底部的承載能力。這些設(shè)計不僅提高了單面臨空軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性，降低了維護成本，縮短了施工工期，而且通過智能化的支護結(jié)構(gòu)，增強了對復(fù)雜受力條件的適應(yīng)性，延長了巷道的使用周期，具有顯著的技術(shù)進步和廣泛的應(yīng)用前景。