一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统
阅读说明：本技术 一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统 (Vertical shaft excavation method adaptive to geology and vertical shaft heading machine supporting system thereof ) 是由 王帅 李阁强 周旸 李凌霄 李东林 董振乐 祁玉洁 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统,进行初开挖,在初开挖区域内喷锚,形成初步支护；继续开挖,到达第一预设深度时,土压力测量器测得第一预设支护区域的土层压力参数,在第一预设支护区域内喷锚,与初步支护形成第一连续支护；测得第二预设支护区域的压力参数,在第二预设支护区域内喷锚,与第一连续支护形成第二连续支护；依次类推,直至开挖支护完成。本发明通过土层压力测量器对开挖过程中竖井的土层压力进行实时的测量,并得出相应的锚杆支护参数后对竖井侧壁进行支护,避免了以往的深竖井开挖之前需要先进行地质勘测后才能取得相应的锚杆支护参数,整个勘探过程中耗费人力物力且勘探不准确的问题。(The invention discloses a vertical shaft excavation method adapting to geology and a vertical shaft heading machine support system thereof, which are used for carrying out primary excavation and spraying anchors in a primary excavation area to form primary support; continuously excavating, and when the first preset depth is reached, measuring soil layer pressure parameters of a first preset supporting area by using a soil pressure measurer, spraying anchors in the first preset supporting area, and forming a first continuous support with the primary support; measuring pressure parameters of a second preset supporting area, spraying anchors in the second preset supporting area, and forming a second continuous support with the first continuous support; and repeating the steps until the excavation supporting is finished. According to the invention, the soil pressure of the vertical shaft in the excavation process is measured in real time by the soil pressure measurer, and the side wall of the vertical shaft is supported after corresponding anchor rod supporting parameters are obtained, so that the problems that the corresponding anchor rod supporting parameters can be obtained after geological survey is firstly carried out before the previous deep vertical shaft is excavated, manpower and material resources are consumed in the whole exploration process, and the exploration is inaccurate are solved.)
技术领域
本发明涉及竖井施工技术领域，特别是涉及一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统。
背景技术
竖井是地下矿藏开采、长大隧道通风及其他地下工程的主要通道,在地下工程中具有不可替代的地位，竖井施工装备和技术水平是竖井施工行业快速发展的关键因素。竖井掘进工程一个难点就是竖井支护结构优化设计，目前我国深基坑支护结构优化设计仍采用半经验半理论的方法，技术规范性及指导性尚不完善，随着技术的发展。竖井掘进机的开发逐渐向深部过渡，高地应力、高地温、高水压已经成为深竖井的致灾因素。“三高”问题给深竖井的支护带来极大挑战，鉴于特殊的建设环境，半经验半理论的方法已不能很好解决深竖井的支护问题，其要么对围岩自支撑能力考虑不足，造成支护材料浪费，增加支护成本，要么支护强度不够，导致井壁破坏。
目前针对竖井支护系统有部分发明及论文成果，但是主要是以浅层竖井为主，国内对浅层竖井(0-50米)支护方案研究较多，而深层竖井(>50米)是国内的短板，未曾有过研究，因此如何提高竖井支护的经济型和安全性，是本领域目前需要解决的技术问题，此外，根据不同的土层压力以及地质情况，需要的支护参数也不同，因此如何在不同地层掘进时实现地层检测和支护参数适应是需要解决的主要问题。
如公开号为CN112796763A的一种深部地下隧道通风竖井支护结构，该结构在复杂围岩段上能快速封闭围岩及注浆,遏制围岩坍塌、变形,具有较高的安全性、时效性和经济性，但支护结构复杂，应用范围较窄，不能广泛应用于各种深层地质条件；公开号为CN110206547A的一种适应于深部地层及高应力区域竖井掘进与支护的方法，这种方法对竖井工作面下的地况进行超前探测，解决了竖井深部地层高应力区域的竖井掘进与支护过程中的难题，但超前探测的方法采用钻探法或物探法，地层深度大于1000m，在掘进机掘进过程中不易实现超前钻孔，物探法测试自然或人工物理场的变化，较为费时，不符合超前探测的初衷。
为了解决上述问题，本发明提供一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统，来解决竖井开挖支护成本高昂的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统，达到节约施工成本的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种适应地质的竖井开挖方法，包括以下步骤：
对竖井进行初开挖，在初开挖区域内打设锚杆并挂网喷涂混凝土，形成初步支护；
继续开挖竖井，当竖井开挖深度到达第一预设深度时，通过土压力测量器测得第一预设支护区域的第一土层压力参数，并计算分析所述第一土层压力参数获得第一锚杆支护参数，在所述第一预设支护区域内打设锚杆并挂网喷涂混凝土，所述第一预设支护区域与所述初步支护形成第一连续支护；
所述土压力测量器测得第二预设支护区域的第二土层压力参数，并计算分析所述第二土层压力参数获得第二锚杆支护参数，在所述第二预设支护区域内搭设锚杆并挂网喷涂混凝土，所述第二预设支护区域与所述第一连续支护形成第二连续支护；
依次类推，形成第N连续支护；直至竖井开挖完成，并完成对竖井的连续支护。
优选的，所述土压力测量器沿竖井侧壁的周向至少设置4个。
优选的，所述锚杆支护参数包括锚杆打设角度、锚杆打设深度以及相邻锚杆之间的距离。
一种竖井掘进机支护系统，包括数据分析单元、掘进机构和安装在所述掘进机构上的喷锚机构，所述掘进机构与竖井侧壁之间安装有土压力测量器，所述数据分析单元用于接收土压力测量器测得的土层压力数值并分析获得相应的锚杆支护结构参数，所述喷锚机构根据所述锚杆支护参数对测得的土层打设锚杆并喷涂混凝土。
优选的，地面上安装有用于提拉所述竖井掘进机支护系统的卷扬机，所述卷扬机至少设置2台，且周向均匀布置在竖井口的地面上。
优选的，所述掘进机构包括支撑结构、钻机和安装在所述钻机周向的操作平台，所述喷锚机构和所述数据分析单元均安装在所述操作平台上。
优选的，所述支撑结构包括若干撑靴和若干撑靴油缸，所述撑靴油缸一端安装在所述操作平台上，所述撑靴油缸的另外一端与所述撑靴连接，所述撑靴与所述土压力测量器连接。
优选的，所述喷锚机构包括混凝土喷枪、挂网机械臂和锚杆机，所述操作平台包括下层操作平台、中层操作平台和上层操作平台，所述锚杆机和所述挂网机械臂安装在所述下层操作平台上，所述混凝土喷枪安装在所述中层操作平台上，所述上层操作平台铺设有防冲减震层。
优选的，所述下层操作平台、中层操作平台和上层操作平台之间依次通过爬梯连通。
优选的，所述喷锚机构还包括旋转平台，所述挂网机械臂和锚杆机安装在所述旋转平台上。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过土层压力测量器对开挖过程中竖井的土层压力进行实时的测量，并得出相应的锚杆支护参数后对竖井侧壁进行支护，避免了以往的深竖井开挖之前需要先进行地质勘测后才能取得相应的锚杆支护参数，整个勘探过程中耗费人力物力且勘探不准确的问题。
2、本发明中土压力测量器沿竖井侧壁的周向至少设置4个，做到对预设支护区域的全面覆盖测量，保证测量的全面性和准确性，为后续的锚杆支护参数提供准确的数据基础。
3.本发明中锚杆支护参数包括锚杆打设角度、锚杆打设深度以及相邻锚杆之间的距离，涵盖锚杆支护过程中的所有施工数据，保证锚杆支护的稳定性。
4.本发明中地面上安装有用于提拉竖井掘进机支护系统的卷扬机，卷扬机至少设置2台，且周向均匀布置在竖井口的地面上，保证了竖井掘进支护机构上升或者下降的均匀稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为竖井掘进机支护系统结构示意图；
其中，1、撑靴；2、土压力测量器；3、数据分析单元；4、爬梯；5、喷枪；6、支护材料；7、卷扬机；8、喇叭口；9、上层操作平台；10、中层操作平台；11、挂网机械臂；12、锚杆机；13、撑靴油缸；14、下层操作平台；15、吊桶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对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。
本发明的目的是提供一种适应地质的竖井开挖方法及其竖井掘进机支护系统，达到节约施工成本的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种适应地质的竖井开挖方法，包括以下步骤：对竖井进行初开挖，在初开挖区域内打设锚杆并挂网喷涂混凝土，形成初步支护；继续开挖竖井，当竖井开挖深度到达第一预设深度时，通过土压力测量器测2得第一预设支护区域的第一土层压力参数，并计算分析所述第一土层压力参数获得第一锚杆支护参数，在所述第一预设支护区域内打设锚杆并挂网喷涂混凝土，所述第一预设支护区域与所述初步支护形成第一连续支护；所述土压力测量器2测得第二预设支护区域的第二土层压力参数，并计算分析所述第二土层压力参数获得第二锚杆支护参数，在所述第二预设支护区域内搭设锚杆并挂网喷涂混凝土，所述第二预设支护区域与所述第一连续支护形成第二连续支护；依次类推，形成第N连续支护；直至竖井开挖完成，并完成对竖井的连续支护；本发明通过土压力测量器2对开挖过程中竖井的土层压力进行实时的测量，并得出相应的锚杆支护参数后对竖井侧壁进行支护，避免了以往的深竖井开挖之前需要先进行地质勘测后才能取得相应的锚杆支护参数，整个勘探过程中耗费人力物力且勘探不准确的问题。
参考图1，土压力测量器2沿竖井侧壁的周向至少设置4个，做到对预设支护区域的全面覆盖测量，保证测量的全面性和准确性，为后续的锚杆支护参数提供准确的数据基础。
进一步的，锚杆支护参数包括锚杆打设角度、锚杆打设深度以及相邻锚杆之间的距离，涵盖锚杆支护过程中的所有施工数据，保证锚杆支护的稳定性。
参考图1，一种竖井掘进机支护系统，包括数据分析单元3、掘进机构和安装在所述掘进机构上的喷锚机构，所述掘进机构与竖井侧壁之间安装有土压力测量器2，所述数据分析单元3用于接收土压力测量器2测得的土层压力数值并分析获得相应的锚杆支护结构参数，所述喷锚机构根据所述锚杆支护参数对测得的土层打设锚杆并喷涂混凝土；进一步的，土压力测量器2的测量范围如下：以土压力测量器2为中心沿竖井轴向方向上下1.5米至2米的范围内。竖井掘进机支护系统在进行掘进的过程中，每次掘进深度为2至3米后停止掘进，偏小于土压力测量器2的测量范围，进而保证土压力测量器2测量数据的精度。
参考图1，地面上安装有用于提拉竖井掘进机支护系统的卷扬机7，卷扬机7至少设置2台，且周向均匀布置在竖井口的地面上，保证了竖井掘进支护机构上升或者下降的均匀稳定性。
参考图1，掘进机构包括支撑结构、钻机和安装在所钻机周向的操作平台，喷锚机构和数据分析单元3均安装在操作平台上，方便喷锚机构的喷锚施工，同时对喷锚机构和数据分析单元3提供支撑和保护。
参考题1，支撑结构包括若干撑靴1和若干撑靴油缸12，撑靴油缸12一端安装在操作平台上，撑靴油缸12的另外一端与撑靴1连接，撑靴1与土压力测量器2连接；当撑靴油缸12在顶升撑靴1支护的过程中会同时带动土压力测量器2移动并抵靠在竖井侧壁上，因此，省去了单独对土压力测量器2安装并抵靠的过程，提高了土压力测量器2的测量效率。
参考图1，喷锚机构包括混凝土喷枪5、挂网机械臂11和锚杆机12，操作平台包括下层操作平台14、中层操作平台10和上层操作平台9，锚杆机12和挂网机械臂11安装在下层操作平台14上，混凝土喷枪5安装在中层操作平台10上，上层操作平台9铺设有防冲减震层同时可以放置支护材料6，挂网机械臂11用于挂设支护结构的钢丝网，锚杆机12用于打设锚杆，混凝土喷枪5用于对钢丝网喷射混凝土形成支护结构，而锚杆机12和挂网机械臂11安装在下层操作平台14上先进行施工，然后竖井掘进机支护系统在下移的过程中，位于中层操作平台10上的混凝土喷枪5可以进行混凝土的喷射，从而形成连续的打设锚杆-挂网-喷射混凝土的过程，提高了竖井的支护效率。
参考图1，下层操作平台41、中层操作平台10和上层操作平台9之间依次通过爬梯4连通。
参考图1，喷锚机构还包括旋转平台，挂网机械臂11和锚杆机12安装在旋转平台上，挂网机械臂11和锚杆机12通过在旋转平台上的旋转即可完成对竖井侧壁周向的挂网和锚杆打设。
参考图1，下层操作平台41、中层操作平台10和上层操作平台9上均开设有通孔，用于吊渣的吊桶15通过通孔提升到地面上，进一步的，通孔为喇叭口8形状，避免了吊桶15通过通孔时的左右摆动造成吊桶15的损坏。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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