[发明专利]马头门防冲减震支护结构

说明书

技术领域

本发明属于采矿建井技术领域，具体涉及一种马头门防冲减震支护结构，适用于深部复杂地质条件下的马头门支护和施工设计。

背景技术

随着对煤炭需求量的增加和开采深度的不断加大，浅部资源日益枯竭，我国矿山相继进入了深部开采，地质力学环境更加复杂。随着开采的增加，工程灾害日趋增多，如矿井冲击地压、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、流变、地温升高等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。马头门是井筒与井底车场巷道相连接的部分，处于矿井的咽喉地位，其位置非常特殊，设计断面比较大，服务年限也较长，在马头门处巷道施工过程中，由于围岩失稳破坏而造成的冒顶、塌方事故时有发生。马头门与井壁之间的空间关系较为复杂，相互间的距离近，在连接处极易形成应力集中，造成围岩裂隙发育，巷道围岩松动圈进一步加大，给马头门处的施工和支护设计带来了严峻挑战。

进入深部以后，地质构造变得复杂、自重应力增大，岩体集聚了大量能量，在“三高一扰动”的特殊环境下，地下岩体的开挖卸荷导致应力多次重新分布，岩体破坏具有动力响应的突变性，马头门井壁、硐室施工时爆破震动相互影响，马头门处软弱岩体因放炮震动而扩大的松动范围有可能连通，形成一个较大范围的软弱岩层松动区，成为释放地压应力的一个区域。在多次爆破震动下，致使巷道较长时间内不能稳定，开挖马头门产生的集中应力叠加，受力状态恶化，围岩变形加剧，诱发动力灾害，工程岩体出现冲击地压等非线性动力学现象，造成支护结构体系失稳破坏。以往针对深部高地应力、复杂地质力学环境下，马头门抵抗动力灾害冲击的支护结构鲜有报道。

现有技术中在马头门处的加固结构中，往往依靠提高支护结构的强度，出现支护结构和围岩变形不协调，不能抵抗开挖、爆破、顶板岩层断裂等诱发动态荷载的冲击震动，而且浇筑的混凝土韧性不够和抗冲击强度差，出现钢筋混凝土大面积剥落，钢筋扭曲外露等现象，已经不能满足深部高地应力环境下巷道围岩大变形、动力冲击等灾害。

发明内容

为此，本发明提出了一种马头门防冲减震支护结构，其包括由锚索注浆加固层、复合泡沫金属垫层和高韧性钢筋混凝土灌注层组成的“强弱强”支护结构，本发明通过在普通混凝土中增加钢纤维来增加其韧性，本发明支护结构起到了吸能、减震、防冲的作用，解决了马头门高度集中的静应力大变形和动态冲击荷载的破坏而导致围岩损伤破裂和支护结构失稳等灾害。

其技术解决方案包括：

一种马头门防冲减震支护结构，其包括高韧性钢筋混凝土灌注层、复合泡沫金属垫层、锚索注浆加固层，其特征在于：所述复合泡沫金属垫层紧固在所述锚索注浆加固层外侧的混凝土喷层上形成主要的吸能减震金属垫层，所述高韧性钢筋混凝土灌注层、复合泡沫金属垫层和锚索注浆加固层组合形成了“强-弱-强”的支护结构。

上述复合泡沫金属垫层的外侧支设有双层钢筋，在上述双层钢筋外侧架设组合式金属模板后形成一定的空间，在上述空间内灌注高韧性混凝土。

上述复合泡沫金属垫层是由中空微型珠状颗粒与金属基体经混合、成型、固化而得到的一种泡沫材料，其厚度为50～70mm，孔径为150～160μm，孔隙率可达98％。

上述双层钢筋其横筋Ф25，环筋Ф25，间排距为250mm×250mm，内、外层环筋之间用Ф8的构造筋进行连接，连接筋间排距为500mm，均布置为梅花型。

上述锚索注浆加固层还包括高预应力中空注浆锚索，上述锚索的间排距为(800-1000mm)×(1400-2000)mm，，注浆浆液包括普通硅酸盐水泥和注浆添加剂，上述硅酸盐水泥中的水灰比为0.6～1：1，上述注浆添加剂的重量百分比为7～8％。

上述高韧性混凝土是通过在普通混凝土中增加长20-40mm、厚0.5mm的钢纤维来增加混凝土的韧性，其中，钢纤维的掺量为50-100kg/m³，高韧性混凝土相对于同级普通混凝土，其抗拉强度提高了54-100％，初裂强度提高了160-500％，冲击疲劳强度提高了8-15倍。