極軟巖返修巷道鋼管混凝土支架支護(hù)方案研究＊

高延法 馮紹偉 劉珂銘 黃華意 謝浩 朱德保

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

目前，軟巖巷道支護(hù)通常是將現(xiàn)有的錨網(wǎng)噴支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿 （索）、金屬支架、鋼筋混凝土支護(hù)、料石碹支護(hù)等技術(shù)加以組合對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。但由于巷道變形的力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜，現(xiàn)在軟巖巷道支護(hù)依然面臨不少難題與挑戰(zhàn)。

井下灌注式鋼管混凝土支架是一種承載力高、慣性矩大、具有良好力學(xué)性能并且施工方便的支護(hù)形式。借助內(nèi)填混凝土，增強(qiáng)管殼的穩(wěn)定性，借助鋼管殼的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使內(nèi)部混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，二者力學(xué)性能上的共生現(xiàn)象使得材料的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，在相同用鋼量的條件下，鋼管混凝土支架的承載能力可達(dá)U 型鋼支架的3倍，特別適合于軟巖巷道、深井巷道和動(dòng)壓巷道的支護(hù)。本文以龍口北皂煤礦二采區(qū)回風(fēng)巷為工程背景，介紹了鋼管混凝土支架在極軟巖返修巷道中的應(yīng)用，為其他條件類似的軟巖巷道的穩(wěn)定性控制提供借鑒。

1 北皂煤礦返修巷道地質(zhì)條件

北皂煤礦海域二采區(qū)回風(fēng)巷埋深350m，位于煤2頂板中。返修巷道試驗(yàn)段位置主要在煤2上部的含油泥巖頂板中。煤2頂板含油泥巖單軸抗壓強(qiáng)度5.7～12.5 MPa。

二采區(qū)回風(fēng)巷原有支護(hù)采用U36 鋼棚壁后澆注支護(hù)，鋼棚間距800mm。巷道頂板破碎區(qū)采用加打錨桿及加密頂梁方法支護(hù)。U36 型鋼支架支護(hù)后，巷道局部出現(xiàn)平頂，碹骨腿部?jī)?nèi)收，支護(hù)3個(gè)月后，巷道寬度由原來的4.3m 縮小到3.0m，底臌變形量超過1m，已不能滿足巷道使用需要。由于U36支架支護(hù)強(qiáng)度不夠，不能提供足夠的支護(hù)反力，在圍巖壓力作用下，支架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，失去承載能力。

2 現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量與巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試

2.1 現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量

采用套孔應(yīng)力解除法在北皂煤礦海域試驗(yàn)巷道處進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量，地應(yīng)力測(cè)量使用空芯包體應(yīng)力計(jì)。測(cè)量結(jié)果如表1。測(cè)量結(jié)果得出了3個(gè)主應(yīng)力大小，其中最大主應(yīng)力σ1為11.1 MPa，σ1方向的方位角為236.9°。

表1 二采區(qū)回風(fēng)巷地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試

在北皂煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)取芯，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖石試塊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

2.3 巖石水理性質(zhì)及礦物成分測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，巖石中粘土礦物含量平均為42.7%，最高達(dá)72.7%。在粘土礦物中，蒙脫石含量為60%～90%。巖石吸水率為20%～50%，平均36.2%。巖石膨脹率為8%～18%，平均13.5%。

綜合測(cè)試表明二采區(qū)回風(fēng)巷道圍巖屬于典型的吸水膨脹性極軟弱巖層。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

3 基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)二采區(qū)回風(fēng)巷地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果、巷道圍巖特性與返修巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及尺寸要求，設(shè)計(jì)了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案。

3.1 鋼管混凝土支架設(shè)計(jì)

支架斷面形狀設(shè)計(jì)為圓形，內(nèi)徑為4.5m，地坪巷道斷面尺寸3.8 m×3.45 m （寬度×凈高）。支架主體鋼管選用?194mm×8mm 的20＃無縫鋼管，單位長(zhǎng)度重量為36.7kg／m，鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)分為左幫段、右?guī)投?、左底拱段、右底拱段和頂拱段，套管連接。支架之間使用鋼管混凝土連桿連接，支架間排距0.8m。

3.2 支架壁后碹體支護(hù)設(shè)計(jì)

金屬網(wǎng)鋼筋直徑為8 mm，網(wǎng)孔大小100 mm×100mm。讓壓泡沫塑料板厚度200mm，給予巷道圍巖一定的預(yù)留變形量。支架與圍巖之間充填400mm 厚的C20混凝土碹體。

基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土支架支護(hù)巷道斷面圖

3.3 混凝土配比設(shè)計(jì)

鋼管核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。水泥選用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。粗骨料選用粒徑5～20mm的碎石，細(xì)骨料選用粒徑0.35～0.5mm優(yōu)質(zhì)河砂?；炷撂涠却笥?80mm?；炷僚浔扰c材料用量見表3。

表3 混凝土配比

3.4 支架承載力計(jì)算

3.4.1 支架短柱承載力計(jì)算

支架鋼管規(guī)格為?194 mm×8mm，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力設(shè)計(jì)值N0為：

式中：fs——鋼材的屈服極限，取215N／mm2；

fc——混 凝 土 軸 心 抗 壓 強(qiáng) 度， 取19.1N／mm2；

As——鋼管橫截面積，取4672mm2；

Ac——鋼管內(nèi)填混凝土橫截面積，取24872 mm2；

N0——鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力，kN。

將已知數(shù)據(jù)代入式 （1）和式 （2），得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力為2247kN。

3.4.2 支架承載能力計(jì)算

鋼管混凝土支架上部半圓拱的極限承載能力表示為：

式中：Nu——鋼管混凝土支架上部半圓拱的極限承載力，kN；

φ——折減系數(shù)，考慮長(zhǎng)細(xì)比和偏心率的影響，折減系數(shù)取0.78。

將已知數(shù)據(jù)代入式 （3），得鋼管混凝土支架的極限承載能力為1752.7kN。

4 支架載荷與巷道變形監(jiān)測(cè)

4.1 鋼管混凝土支架載荷監(jiān)測(cè)

分別在支架的頂部、兩幫及左右兩底腳處安裝液壓枕6臺(tái)，平均3d觀測(cè)一次，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土支架載荷觀測(cè)曲線

圖2顯示，鋼管混凝土支架在15d達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后該支架左頂、左幫、左底腳、右頂、右?guī)?、右底腳分別承受力為43.0 kN、129.3 kN、58.3kN、138.8kN、56.4kN、130.8kN，遠(yuǎn)小于該型號(hào)鋼管混凝土支架的極限承載力。

4.2 巷道變形觀測(cè)

采用十字布點(diǎn)法對(duì)兩幫變形以及頂?shù)装遄冃芜M(jìn)行觀測(cè)，每3d 觀測(cè)一次。鋼管混凝土支架支護(hù)70d 內(nèi)測(cè)得兩幫及頂?shù)装謇塾?jì)移近量如圖3所示。

圖3 支架變形觀測(cè)曲線圖

圖3顯示，支護(hù)70d后，鋼管混凝土支架的兩幫累計(jì)移近量為61 mm，頂板累計(jì)移近量為43mm。鋼管混凝土支架支護(hù)1a后，又對(duì)支架變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，支架變形已趨于穩(wěn)定。支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性保證了巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）北皂煤礦二采區(qū)回風(fēng)巷圍巖主要為含油泥巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度5～10MPa，粘土礦物含量平均為42.7%，吸水率為20%～50%，膨脹率為8%～18%，屬于典型的吸水膨脹性極軟弱巖層。

（2）地應(yīng)力測(cè)量得出二采區(qū)回風(fēng)巷處最大主應(yīng)力為11.1 MPa，方位角為236.9°。

（3）設(shè)計(jì)了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案。支架斷面設(shè)計(jì)為圓形，主體鋼管選用?194mm×8mm 的20＃無縫鋼管，內(nèi)填C40混凝土，輔以金屬網(wǎng)和400mm 厚混凝土碹體支護(hù)。

（4）工程實(shí)踐表明采用基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案能夠有效抑制極軟巖巷道的變形，維持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

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