鋼管混凝土支架支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用①

王 思 申 磊 劉國(guó)磊

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)，河北邯鄲 056002;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

鋼管混凝土支架支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用①

王 思1②申 磊1劉國(guó)磊2

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)，河北邯鄲 056002;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

冀中能源峰峰集團(tuán)大淑村礦東一采區(qū)-450m水平新東翼皮帶巷和軌道巷均處于172102工作面停采保護(hù)煤柱下方，處于應(yīng)力集中區(qū)域，前期開(kāi)挖的軌道巷圍巖變形嚴(yán)重，表現(xiàn)為:斷面縮小、底鼓嚴(yán)重、錨索拉斷、U型鋼支架破壞;對(duì)新掘皮帶巷采用了鋼管混凝土支架支護(hù)，文中介紹了其支護(hù)原理、支護(hù)特點(diǎn)、支護(hù)能力及方案設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程等。目前支架已經(jīng)開(kāi)始承載，根據(jù)支架載荷監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明支架完好，巷道穩(wěn)定。

應(yīng)力集中區(qū);鋼管混凝土支架;支護(hù)

1 工程背景

冀中能源峰峰集團(tuán)大淑村礦井田位于峰峰礦區(qū)東北部，地處河北省武安市、磁縣和峰峰礦區(qū)接壤地帶，行政區(qū)劃屬武安市所轄。井田東西走向長(zhǎng)4.8 km，南北平均寬約 2.0 km，礦區(qū)面積9.7568km2。礦井于2003年12月23日正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力90萬(wàn)噸，2006年生產(chǎn)能力核定為125萬(wàn)噸/年。目前大淑村礦生產(chǎn)水平為-450m，分東一、西二兩個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，東三、南四兩個(gè)開(kāi)拓準(zhǔn)備采區(qū)。

鋼管混凝土支架使用地點(diǎn)位于大淑村礦東一采區(qū)-450水平新東翼皮帶巷進(jìn)入采空泄壓區(qū)的巷道內(nèi)，長(zhǎng)度為70m，如圖1所示。

圖1 新東翼皮帶巷位置及鋼管混凝土支架支護(hù)段位置

新東翼皮帶巷位于東一上山采區(qū)內(nèi)，北部為172101及174101工作面采空區(qū)，南部為東翼大巷保護(hù)煤柱，西部為東一采區(qū)上山保護(hù)煤柱，東部為172102采空區(qū)，該段巷道內(nèi)2#及4#煤層均未開(kāi)采，巷道所處位置臨近采空泄壓區(qū)，屬于應(yīng)力集中區(qū)。

巷道施工涉及到的地層為二疊系山西組及石炭系太原組地層，綜合柱狀圖如圖2所示。二疊系山西組地層巖性以粉砂巖、砂巖及煤層為主，石炭系太原組地層巖性以粉砂巖、砂巖、煤層、石灰?guī)r為主，東翼大巷大部分段在該組地層中施工。

圖2 綜合柱狀圖

該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以77孔背斜及由其產(chǎn)生的向北延展的次生背斜為主要構(gòu)造。77孔背斜軸向近南北向，背斜西翼煤巖層走向北東40°～60°，傾向北西，傾角5°～16°，一般 9°。背斜東翼煤巖層走向南東，傾向北東，傾角3°～24°，接近次生背斜附近煤巖層呈近水平。斷裂構(gòu)造是該區(qū)域的次要構(gòu)造，斷裂構(gòu)造以北東走向?yàn)橹鏖g或有北西走向，傾向以南東向?yàn)橹?，斷裂?gòu)造均為正斷層。經(jīng)開(kāi)采證實(shí)該區(qū)域節(jié)理發(fā)育方向以北東向?yàn)橹鳌?/p>

由于巷道處于應(yīng)力集中區(qū)，巷道圍巖壓力大，變形破壞嚴(yán)重。新東翼軌道巷與新東翼皮帶巷地質(zhì)條件相近，主要采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)噴+U型鋼支架支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為巷道斷面縮小、底鼓嚴(yán)重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。

2 鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)概述

鋼管混凝土是在鋼管外殼內(nèi)填裝混凝土組成的現(xiàn)代構(gòu)件。其工作原理:鋼管殼約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度，內(nèi)填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。

鋼管混凝土支架是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)的高延法教授發(fā)明并成功應(yīng)用到深井軟巖巷道支護(hù)中，為解決深井軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題開(kāi)辟一條新的途徑。

鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:

1)鋼管混凝土支架的承載能力是相同重量U型鋼支架的2～5倍。(根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，相同斷面的鋼管混凝土支架承載能力為210 t，U29型鋼支架承載能力約為40t，U36型鋼支架承載能力約為50t)

2)鋼管混凝土支架支護(hù)的成巷速度，比U型鋼支架支護(hù)快:支架注漿工藝滯后于支架安裝，平行作業(yè)，不影響支護(hù)速度。

3)鋼管混凝土支架支護(hù)巷道圍巖可以讓壓變形:鋼管混凝土支架支護(hù)可預(yù)留變形層，盡管支架不變形，但圍巖可以讓壓變形。

4)鋼管混凝土支架支護(hù)總成本較低:盡管支架加工要增加約20%的成本，但鋼管混凝土支架承載能力強(qiáng)，性價(jià)比高，巷道不用返修，如果考慮到巷道返修成本等，與U型鋼支護(hù)相比總成本較低。

由于鋼管混凝土支架的突出優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于黑龍江鶴崗礦業(yè)公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦、中煤集團(tuán)平朔分公司井工三礦、沈煤集團(tuán)清水礦、長(zhǎng)治三元集團(tuán)黃山煤業(yè)有限公司、鶴煤集團(tuán)三礦等。

3 鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)在大淑村礦的應(yīng)用

3.1 鋼管混凝土支架支護(hù)方案

鋼管混凝土支架應(yīng)用于大淑村礦新東翼皮帶巷的應(yīng)力集中區(qū)范圍，應(yīng)力集中區(qū)巷道長(zhǎng)度約70m，共安設(shè)鋼管混凝土支架88架，支架間距為0.8m。鋼管混凝土支架支護(hù)斷面如圖3所示，詳細(xì)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 巷道鋼管混凝土支架支護(hù)斷面圖

表1 新東翼皮帶巷應(yīng)力集中區(qū)支護(hù)參數(shù)表

3.2 鋼管混凝土支架支護(hù)能力計(jì)算

鋼管混凝土支架采用20號(hào)無(wú)縫鋼管，鋼管混凝土支架的彎曲半徑為2200 mm，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋼管混凝土支架計(jì)算參數(shù)

Φ194×8鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力計(jì)算如下:

鋼管截面積為:混凝土截面積為:

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力設(shè)計(jì)值為:套箍系數(shù):將有關(guān)參數(shù)代入公式(1)得:

鋼管混凝土支架支護(hù)反力計(jì)算:

新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架處于四面來(lái)壓狀態(tài)，其中頂部變形較為為嚴(yán)重，選擇頂部半圓拱作為計(jì)算研究對(duì)象。頂部半圓拱兩端簡(jiǎn)化為固定絞支座，假設(shè)圍巖對(duì)支架頂拱施加均布圍壓，如圖4所示。

圖4 鋼管混凝土支架計(jì)算模型

支護(hù)反力計(jì)算如下:

式中:s—支架間距，設(shè)為0.8m;σ—支架支護(hù)反力;R—支架半徑;

N0—鋼管混凝土軸壓穩(wěn)定承載力。代入(2)，計(jì)算得，σ =1.24MPa。

考慮彎曲效應(yīng)對(duì)鋼管混凝土柱影響系數(shù)δ1，參考實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與理論計(jì)算，取δ1=1.05?？紤]支架尺寸與結(jié)構(gòu)效應(yīng)的折減系數(shù)δ2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室多次弧墻半圓拱支架的測(cè)試結(jié)果知，弧墻半圓拱加反底拱時(shí)的折減系數(shù)較大，初步確定δ2=0.8。所以，新東翼皮帶巷φ194×8 mm鋼管混凝土支架的支護(hù)力為 σ'= δ1δ2σ =1.04MPa。

3.3 施工工藝

基本工藝流程:巷道開(kāi)幫挑頂初噴100mm厚混凝土層錨桿支護(hù)安裝空鋼管支架鋼管支架灌注混凝土等待圍巖變形至與支架接觸，復(fù)噴50 mm厚混凝土層。

3.4 支架載荷監(jiān)測(cè)

每隔10架支架在支架直墻段安設(shè)支架載荷監(jiān)測(cè)裝置，如圖5所示，采用千分尺監(jiān)測(cè)測(cè)量懸臂的兩端頭移近量δ，測(cè)量精度10-6mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的鋼管混凝土短柱彈性模量E，由N=δE即可得到支架載荷值。

圖5 支架荷載監(jiān)測(cè)裝置

東一采區(qū)-450m水平新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架支護(hù)施工工藝較簡(jiǎn)單，施工速度較快。正在進(jìn)行支架載荷監(jiān)測(cè)工作，待巷道圍巖變形與支架接觸后進(jìn)行復(fù)噴混凝土工作。鋼管混凝土支架支護(hù)效果如圖6所示。

圖6 新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架支護(hù)效果

4 結(jié)語(yǔ)

1)新東翼軌道巷與新東翼皮帶巷地質(zhì)條件相近，均處于應(yīng)力集中區(qū)，軌道巷錨網(wǎng)噴+U型鋼支架支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，表現(xiàn)為巷道斷面縮小、底鼓嚴(yán)重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。

2)東一采區(qū)-450m水平新東翼皮帶巷應(yīng)力集中區(qū)域采用鋼管混凝土支架支護(hù)，施工長(zhǎng)度70 m，支架型號(hào)為φ194×8mm，支架間距0.8m，支架支護(hù)反力為1.04MPa。

3)目前東一采區(qū)-450m水平新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架已經(jīng)開(kāi)始承載，巷道圍巖變形控制在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，支架完好，無(wú)變形破壞，巷道穩(wěn)定。

［1］ 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(修訂版)［M］.北京:人民交通出版社，2007

［2］ 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2007

［3］ 陳為高，周建軍.基于圍巖松動(dòng)圈理論的中等穩(wěn)定巖石支護(hù)技術(shù)實(shí)踐［J］.科園月刊，2011，(1):58

［4］ 郭天福，滕文虎.基于松動(dòng)圈圍巖支護(hù)理論的軟巖巷道返修錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)［C］.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文，2009:145-146，148

［5］ 周華強(qiáng).約束與穩(wěn)定巷道圍巖的支護(hù)理論(英)［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)，2002，21(4):615

Design and application of supporting for the stand of concrete-filled steel tube

WANG Si1，SHEN Lei1，LIU Guolei2

(1.Jizhong Energy Fengfeng Group，Handan Hebei056002;2.College of Mechanics and Architectural Engineering in China University of Mining and Technology，Beijing 100083)

New east flank belt lane and orbit lane of-450m horizon in east-one working area of Dashu county mine in Jizhong Energy Fengfeng Group are both in the region of stress concentration，and below the mining-stopped protecting coal pillar of 172102 working face.The wall rock of the premining orbit lane is distorted significantly，marked by shrinking section，serious floor heave，broken anchor cable and destroyed steel stand of U-shaped.Stand supporting of concrete-filled steel tube is used in the new-mined belt lane and its principle，charicteristic and ability of supporting，as well as its plan design and technological processes are introduced.At present，the stand has been in use.According to the monitoring result of stand load，the stand is in good order and the lane is stable.

the region of stress concentration;stand of concrete-filled steel tube;support

TD353+.3

A

1672-7169(2012)01-0050-05

2011-09-30

王思(1970- ):男，河北臨章人，采礦工程師，冀中能源峰峰集團(tuán)公司大淑村礦安全副礦長(zhǎng)。