本發明涉及一種巷道U型支架裝置及方法。包括支架拱頂U型鋼，支架拱頂U型鋼兩端通過連接卡纜固定連接有支架腿部U型鋼，支架腿部U型鋼底部設置有支架腿部膨脹裝置；支架腿部膨脹裝置包括下部內套筒、上部外套筒、束狀復合膨脹材料藥卷和填充河沙；上部外套筒套設于下部內套筒外部，下部內套筒內設置有束狀復合膨脹材料藥卷，束狀復合膨脹材料藥卷頂部及底部設置有填充河沙。本發明能夠有效改善U型支架整體受力狀態，并能夠對圍巖提供載荷可控初始支撐力，具有與圍巖變形相適應功能，柱腿結構抗彎性能好、柱腿強度較高、結構簡單、成本較低、施工工藝簡單、不影響巷道斷面利用率。

技術領域

本發明屬于地下礦山巷道與巖土工程隧道支護技術領域，特別是涉及一種巷道U型支架裝置及方法。

背景技術

隨著我國越來越多的地下礦山進入深部開采，以及大量深部巖土工程的實施，深部的高應力環境對支護工藝提出了更高的要求。U型鋼可縮性支架由于具有承載能力強、可縮讓壓支護等優點，目前在國內外礦山巷道、鐵路隧道及其他地下巖土工程隧道的支護中得到了廣泛應用，其適用范圍也逐漸從軟巖巷道擴展至硬巖巷道。由于工程情況的復雜多樣性，在工程實際應用中，常常出現如下問題：

一、實際支護能力遠遠低于理論支護能力：支架所承受的載荷尚未達到其承載極限載荷時，就發生結構破壞進而導致支護失效。相關研究人員經大量工程案例統計和分析發現，引起這一現象的主要原因在于：由于超挖和欠挖的存在，巷道開挖后架設支架與圍巖之間存在較多較大的空隙，接頂效果差，支架與圍巖彼此間多呈現隨機的點、線接觸，使得支架整體在圍巖變形來壓后受力不均，在局部載荷與偏心載荷作用下造成支架結構中應力集中進而導致支架提前破壞。

二、被動支護限制其承載性能發揮：U型鋼可縮性支架架設后與巷道圍巖呈接觸狀態，但并未對圍巖產生任何主動支撐力，而是被動等待圍巖發生變形擠壓支架后，才開始發揮其承載作用，屬于典型的“被動支護”，無法有效控制圍巖早期變形，限制了圍巖自身承載性能的充分發揮。

三、支架腿部陷入底板：該問題在軟巖巷道中較為明顯，尤其是底板強度較低的工程中，由于支架架設后腿部與底板接觸面積較小，當支架承受來自圍巖變形產生的載荷時，其腿部與底板接觸部位產生的應力大于底板強度，就會發生支架腿部陷入底板的現象，進而引起圍巖變形過大導致支護失效。

對上述在工程應用中出現的問題，人們有針對性的提出了不同的解決方案：

如發明專利(CN102926766A)公開了一種能夠壁后充填的U型棚，在巷道中架設支架后，首先對巷道表面進行噴漿，密封U型棚與圍巖表面等縫隙，然后利用專門留設的注漿管對壁后空腔進行注漿充填，改善接觸面積和結構受力，提高支護性能；如發明專利(CN105649657A)公開了一種具有柔性穩結支撐裝置的U型鋼支架，能夠對巷道某一位置的小面積局部高應力來壓進行橫向轉移和能量吸收，從而提高整體結構支撐能力和穩定性；這類方法在調節支架受力狀態、改善載荷分布方面取得了一定效果，但未實現支架對圍巖的主動支撐，仍屬于被動支護。

如實用新型專利(CN202718680U)公開了一種U型鋼支架與圍巖應力耦合器聯合支護系統，利用帶有螺桿調節功能的剛性圍巖應力耦合器架設于支架和圍巖之間，并施加一定大小的初撐力，將圍巖與支架間不規則點接觸轉變為均布點接觸，改善支架受力狀態；如發明專利(CN107060806A)公開了一種可主動穩固圍巖的U型鋼支架，在支架與圍巖間隙之間設置彈性充填體，利用穿過支架和彈性體的錨桿將支架和彈性體固定在巷道壁，并給圍巖施加一定的初撐力，改善支架支護性能。這類方法在調節支架與圍巖接觸情況的同時，其產生的主動初撐力在一定程度上提高了支護系統的整體性和圍巖的自承能力，但存在初撐力較低、施工工藝復雜、成本較高等缺點。