千米深井巷道鋼管混凝土支架支護技術應用

王 軍，陳 鋒，劉國磊，張西忠

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054001)

0 引言

千米深井軟巖巷道支護問題是困擾煤礦深部開采的一大難題，其原因主要有:1)圍巖所處的巖體環(huán)境變差:垂向地應力超過20 MPa，構造應力顯現(xiàn)強烈。2)圍巖自身物理力學性能變化:巖石極易風化，流變性增強，遇水軟化崩解。3)圍巖的工程特征變化:圍巖來壓顯現(xiàn)強烈，變形具有四周來壓的特點，來壓和變形持續(xù)時間長，圍巖的穩(wěn)定難以控制。4)現(xiàn)有支護不足:錨網(wǎng)索鋼架配合不合理，支護體承載力不足，巷道無法長期穩(wěn)定。5)煤礦技術人員對軟巖問題認識不深入:支護時重復淺層支護規(guī)律，對深井軟巖機制和難度認識不充分、不深入［1－2］。

隨著采掘深度的不斷增加，近年來專家學者對深井支護問題越來越關注，提出了諸如高強預應力錨桿錨索［3］、圍巖注漿加固［4］、型鋼支架及桁架［5］等多種支護技術，并取得了一定的支護效果。但是，進入千米深井巷道后，隨著地壓大幅增加，常規(guī)支護技術已不能滿足巷道支護穩(wěn)定的需求，主要表現(xiàn)為支護體承載力不足、變形嚴重，巷道返修頻繁，不但增加了支護投入，而且阻礙了正常生產。

研制承載力高、經濟合理的支護結構是千米深井巷道支護的必然趨勢。高延法等［6］提出了井下灌注式鋼管混凝土支架，地面加工空鋼管支架，井下安裝后灌注混凝土形成鋼管混凝土支架，鋼管混凝土支架的突出特點是承載力高。試驗測試結果顯示，φ 194×8無縫鋼管灌注 C40混凝土，其短柱承載力可達320 t［7］;做成鋼管混凝土支架，支架斷面凈寬 4 m、凈高3.8 m，其承載力可達203.5 t;相同單位用鋼量的U36型鋼支架，其承載力僅為49 t。由于鋼管混凝土支架的突出特點，近年來已成功解決全國20多個難支護礦井的巷道支護問題，目前正越來越多地應用于千米深井支護。

邢東礦位于邢臺市東北角，于2001年竣工投產，年生產能力約125萬t，是華北地區(qū)煤層賦存最深的礦井。隨著礦井煤炭資源的開采，采掘深度逐漸從埋深800 m進入埋深1 300 m。隨著采掘深度的不斷增加，巷道支護越來越困難［8］，表現(xiàn)為圍巖條件越來越差、巷道破壞程度加劇、巷道返修頻繁、采掘成本增加。

本文以邢東礦二水平皮帶下山巷為研究對象，使用鋼管混凝土支架支護技術，配合圍巖注漿加固，以期為千米深井軟巖巷道支護提供一套行之有效的支護技術。

1 二水平皮帶下山巷地質分析

1.1 皮帶下山巷地質分析

二水平皮帶下山沿2#煤頂板下山掘進，巷道頂板為砂質泥巖，底板為細砂巖，兩幫為煤體，煤層標高在 －960 ～ －1 180，煤層厚度在2.8 ～3.5 m，巷道坡度為8°～13°，全長862 m，全部使用鋼管混凝土支架返修。

1.1.1 巷道遠場地壓

二水平皮帶下山埋深為1 010～1 230 m，取巖石平均容重為 25 kN/m3，垂直地應力為 25.3～30.8 MPa，巷道所處地段斷層較多，水平構造應力大于垂向地應力。

1.1.2 巖石力學參數(shù)

在二水平皮帶下山中段取巷道頂板與兩幫巖石試塊做單軸抗壓強度測試，頂板砂質泥巖單軸抗壓強度為34 MPa，底板細砂巖單軸抗壓強度為42 MPa。

1.1.3 巖石水理性質與礦物成分

二水平皮帶下山頂板泥質砂巖、底板細砂巖吸水不膨脹，自然狀態(tài)下浸水輕度崩解(僅出現(xiàn)裂紋，仍保持整體);兩幫煤體吸水膨脹，中度崩解(裂成較大塊度，塊度大于20 mm);頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r不含黏土礦物。

1.1.4 二水平皮帶下山的變形特征

二水平皮帶下山巷已掘出多年，前后經歷多次返修，以錨網(wǎng)索支護和U36型鋼支架支護為主。目前巷道變形嚴重，頂板下沉，底鼓較大，多次落底仍不能解決問題。巷道變形特征如圖1所示。

圖1 二水平皮帶下山巷破壞原貌Fig.1 Damaged roadway

綜合分析，二水平皮帶下山埋深大、地壓明顯，巷道圍巖偏于軟弱，經多次返修導致淺部圍巖破碎加劇，裂隙充分發(fā)育，圍巖承載能力下降。

1.2 皮帶下山巷支護建議與措施

1.2.1 支護建議

支護體要具備較大的承載力，給圍巖強大的支護力，使用鋼管混凝土支架;后期要圍巖注漿重塑圍巖整體結構，結合鋼管混凝土支架構筑支護承壓環(huán)，增強圍巖整體承載力，以保持巷道的長期穩(wěn)定。

1.2.2 支護措施

鋼管混凝土支架支護+圍巖注漿加固，臨時支護采用錨網(wǎng)噴支護。

2 鋼管混凝土支架支護設計

鋼管混凝土支架屬于高強度支架，是目前承載能力最大的支架結構［9－10］，二水平皮帶下山巷以鋼管混凝土支架作為主要支護體。

2.1 鋼管混凝土支架支護設計原則與斷面要求

滿足斷面與支護強度要求;先支撐住，后優(yōu)化;成本合理，施工方便，結構可靠。考慮支護強度與巷道斷面有效利用率，鋼管混凝土支架斷面形狀設計為橢圓形，斷面尺寸為3.624 m ×3.5 m(凈寬 × 凈高)。

2.2 鋼管混凝土支架型號選擇

根據(jù)工程類比，預估支架型號為 φ 194×8(36.7 kg/m)，以此為基本型支護，同時，φ 194×10(45.4 kg/m)型號支架作為強化型鋼管混凝土支架作對比，確保找到適合巷道支護的低成本支架。

2.3 鋼管混凝土支架結構設計

支架斷面形狀設計為橢圓形，斷面尺寸為3 624 mm×3 500 mm(凈寬×凈高)，臥底量620 mm;支架分為4段，套管連接;支架間距為700 mm，支架間用頂桿連接。支架結構如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土支架結構設計圖(單位:mm)Fig.2 Structure of concrete-filled tube support(mm)

2.4 核心混凝土配比設計

鋼管內混凝土按C40配比，選用強度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石，細骨料選用河砂，摻入早強減水劑和鋼纖維外加劑。混凝土配比與材料用量見表1。

表1 混凝土材料配比表Table 1 Mixing proportion of concrete kg/m3

2.5 鋼管混凝土支架承載能力驗算

2.5.1 鋼管混凝土短柱承載能力計算

支架鋼管型號為φ 194×8，鋼管選用20號鋼，鋼材的屈服極限為fs=215 N/mm2，鋼管的橫截面積為As=4 673 mm2。設計混凝土為C40，加入鋼纖維的核心混凝土抗壓強度為fc=25 N/mm2，鋼管內填混凝土橫截面的凈面積Ac=24 872 mm2。

根據(jù)文獻［11］，鋼管混凝土結構軸壓短柱極限承載力

式中套箍指標θ=Asfs/Acfc=(4 673×215)/(24 872 ×25)=1.62 。

將θ帶入式(1)得

2.5.2 支架軸向承載力計算

鋼管混凝土支架為壓彎構件，承載力計算應考慮長細比和偏心率影響。取支架上半拱為研究對象，近似半徑為2.3 m的半圓拱，其軸向極限承載能力

式中:φ為折減系數(shù)，取0.8;φl為整體長細比影響;φe為偏心率影響。

支架上半圓拱的軸向極限承載力

Nu=2 521.3 × 0.8=2 017 kN。

即:支架承載能力為2 017 kN，約202 t。

2.5.3 支架對圍巖的支護反力計算

圖3 鋼管混凝土支架結構力學模型Fig.3 Structural mechanical model of concrete-filled tube support

支架對圍巖的支護反力

式中:S為支架間距，0.8 m;R為巷道計算半徑，2.3 m(依橢圓換算);σ0為支架支護反力。

由式(3)可以求出φ194×8鋼管混凝土支架對圍巖的支護反力σ0=1.1 MPa。同理，可以求出φ194×10鋼管混凝土支架對圍巖的支護反力σ0=1.23 MPa。

3 圍巖注漿加固設計

圍巖注漿加固能夠將破碎的圍巖重新膠結成整體結構［13－14］，二水平皮帶下山巷采用深淺交叉式注漿加固方案。

3.1 注漿孔布置方式

采用深淺交叉式排列布置，淺孔孔深2.0 m，深孔孔深8 m;排距均為3.2 m，深淺孔之間的排距為1.6 m;每排7個注漿孔，注漿孔布置為頂板3個，巷中注漿孔垂直頂板，兩角注漿孔外擺15°，兩幫各2個，接近底板注漿孔垂直巷幫，接近頂板注漿孔上擺15°。

3.2 注漿材料

淺孔、深孔注漿均采用水泥漿，采用強度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥，水泥漿的水灰質量比控制在1∶0.7。

3.3 注漿要求

淺孔注漿壓力兩幫為2 MPa，頂板為3 MPa;深孔注漿壓力兩幫為4 MPa，頂板為6 MPa。施工時，通過調整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓，保證實際有效擴散半徑不小于2.5 m。

4 二水平皮帶下山巷施工工藝及支護監(jiān)測

4.1 巷道支護施工工藝

1)巷道擴幫臥底，保留完整頂板;2)巷道噴漿50 mm，封閉圍巖;3)安裝空鋼管支架，背部掛網(wǎng)，網(wǎng)后設置均壓卸壓層;4)鋼管支架灌注混凝土;5)圍巖深淺交叉注漿加固［7］。

4.2 監(jiān)測方案設計

根據(jù)十字布點法［15］，在二水平皮帶下山巷選擇4個點作為基本觀測點，觀測內容包括頂?shù)装逡平?、兩幫收斂量和底鼓量。根?jù)測量結果，分析二水平皮帶下山巷圍巖的位移變化速度和變化量，從而判斷支護效果和圍巖的穩(wěn)定狀況，為完善支護參數(shù)提供依據(jù)。

4.3 監(jiān)測結果分析

通過對4個基本點進行3個月的連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道變形微小或沒有變形，充分說明了鋼管混凝土支架承載力良好，圍巖注漿加固改善了圍巖整體穩(wěn)定性。巷道支護至今已有半年多，沒有可見變形，支護效果如圖4所示。

5 結論與討論

本文依據(jù)二水平皮帶下山巷的地質分析和深井巷道的變形特點，設計了鋼管混凝土支架+圍巖注漿加固的支護方案;同時，做出了φ194×8和 φ 194×10 2種鋼管混凝土支架對比設計。方案實施后，巷道圍巖得到了良好控制，巷道穩(wěn)定無變形。

圖4 二水平皮帶下山巷鋼管混凝土支架支護效果Fig.4 Roadway with concrete-filled tube support

5.1 結論

本文設計的φ194×8和φ 194×10橢圓形鋼管混凝土支架，理論承載能力分別達到202 t和225 t，支護反力分別為1.1 MPa和1.23 MPa。經過半年多支護應用驗證，鋼管混凝土支架滿足支護要求，巷道穩(wěn)定無可見變形。

5.2 討論

同樣巖性的巖體，淺部使用常規(guī)支護即可滿足巷道穩(wěn)定，進入千米深井后常規(guī)支護卻不能達到巷道穩(wěn)定，這與圍巖荷載增大有關，但目前業(yè)界一般不能準確地給出圍巖荷載值，這給合理地選擇支護體增加了困難。

邢東礦為解決千米深井支護難題，先后試用預應力錨索、高效圍巖注漿、大工字鋼支架等多種支護措施，這些措施先后出現(xiàn)各種問題，最終無法滿足深井巷道的長期穩(wěn)定。鋼管混凝土支架+圍巖注漿加固方案應用于邢東礦最難支護的地段，支護效果良好，目前被驗證為全礦支護效果最好的方案。

為進一步驗證鋼管混凝土支架是否適合在千米深井支護中推廣應用，還應挑選其他難支護的地段試用鋼管混凝土支架，并在支護穩(wěn)定的前提下探討如何進一步降低支護成本。

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