平巷鋼支架支護(hù)技術(shù)應(yīng)用及大斷面鋼支架定額編制

高 超

(河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司司家營(yíng)南區(qū)礦山分公司)

司家營(yíng)南區(qū)礦山分公司成立于2016年12月，由原田興鐵礦和原大賈莊鐵礦組成，目前為國(guó)內(nèi)最大的在建地下鐵礦。礦床分布于飽和含水層的第四系，受地質(zhì)條件及以前唐山大地震的影響，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生明顯變化，裂隙發(fā)育，含水豐富。平巷掘進(jìn)過(guò)程中，多遇裂隙破碎帶，基巖構(gòu)造裂隙含水層段涌水量達(dá)420.5 m3/h，屬于大水礦山[1]。礦山在平巷施工遇到斷層破碎帶時(shí)，主要以混凝土砌碹的施工方式進(jìn)行支護(hù)，而砌碹支護(hù)具有連續(xù)澆筑施工周期長(zhǎng)，拱部澆筑施工困難，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。因此，探究一種方便、快捷的剛性支護(hù)形式是目前冶金礦山施工的一個(gè)重要課題。

冶金礦山行業(yè)定額編制中平硐平巷鋼支架支護(hù)定額僅有斷面小于10 m2的子目，探究大斷面鋼支架支護(hù)技術(shù)既是冶金礦山項(xiàng)目施工的一個(gè)重要課題，也是工程結(jié)算面臨的一個(gè)難題?，F(xiàn)階段使用的《冶金礦山井巷工程預(yù)算定額》(2010年版)的部分行業(yè)定額已經(jīng)不能滿足南區(qū)分公司礦山基建的正常需求，亟需補(bǔ)充、完善工程預(yù)算定額。

1 可縮性鋼支架支護(hù)

1.1 鋼支架組成

目前普遍使用剛性支架和可縮性支架，可縮性鋼支架主要包括以下幾部分：

(1)頂梁。頂梁為圓弧拱形，分為單節(jié)拱和多節(jié)拱，其數(shù)量視巷道斷面類型、斷面大小、支架受力情況選取。

(2)柱腿。柱腿有2種形式，一種是直腿型支架，上部為圓弧形，下部為直線段；第二種是曲腿型支架，全部為曲線形，有一個(gè)曲率半徑。柱腿下面焊有底座，增大柱腿受力面積。

(3)卡纜?？ɡ|是支架節(jié)與節(jié)間的卡緊裝置，起節(jié)間連接作用，同時(shí)緊固兩節(jié)型鋼接頭部分，使型鋼之間具有摩擦力，從而保證拱形支架具有一定的工作阻力和可縮性?？ɡ|使重疊處型鋼壓緊并使型鋼能承受一定載荷,卡纜按定位方式分為耳定位、腰定位和底定位3種，按結(jié)構(gòu)形式分為螺栓連接式(雙槽形夾板式和單槽形夾板式)和楔式2種。卡纜定位方式和結(jié)構(gòu)形式分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 卡纜定位方式

圖2 單槽型夾板式卡纜

(4)架間拉桿。架間拉桿將支架縱向連接起來(lái)，形成整體，增強(qiáng)支架整體相對(duì)穩(wěn)定性。

(5)背板。背板是鋼支架與圍巖之間的填充材料，使鋼支架與圍巖接觸緊密，改善支架的受力狀況，提高其承載能力并保持圍巖的穩(wěn)定性。

1.2 鋼支架受力分析

圖3為鋼支架側(cè)幫和拱頂受力情況。其中，R為鋼支架頂梁半徑，h1為墻高，φ為中心角，q1,q2為應(yīng)力強(qiáng)度。

圖3 鋼支架側(cè)幫和拱頂受力示意

由鋼支架左半部分受力簡(jiǎn)圖(圖4)可知，拱頂彎矩為[2]

(1)

式中，M1為拱頂彎矩，N·m；q1為作用于拱頂?shù)木己奢d，N/m；q2為作用于側(cè)幫的均布荷載，N/m ；R為鋼支架拱半徑，m；h1為墻高，m。

圖4 側(cè)幫和拱頂受力簡(jiǎn)化示意圖(左半部分受力分析)

取內(nèi)緣所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值σ1和外緣所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值σ2的最大值σmax，與鋼支架極限強(qiáng)度值比較，當(dāng)最大應(yīng)力值σmax無(wú)限接近于極限強(qiáng)度值[σ]時(shí)，計(jì)算出最大承載能力下的最大外荷載q1max和q2max。

1.3 支護(hù)參數(shù)

可縮性鋼支架的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)圍巖作用于支架上的荷載壓力達(dá)到一定值時(shí)，型鋼搭接段會(huì)產(chǎn)生縮動(dòng)，使圍巖作用于支架上的壓力下降，從而避免圍巖壓力大于支架的承載力而造成支架破壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工揭露出的破碎帶分析可知，前方圍巖級(jí)別為V，巖體松散破碎，涌水量大。在采取合理有效的治理涌水措施下，本次設(shè)計(jì)鋼拱架為36U可縮性支架，采用4節(jié)三心拱直腿型支架[3]。各節(jié)搭接長(zhǎng)度為500 mm，柱腿底部加焊220 mm×170 mm×25 mm鋼板；鋼支架每個(gè)搭接段內(nèi)采用2套36U雙槽型夾板式卡纜連接，卡纜固定間距為300 mm；鋼支架采用φ25 mm樹(shù)脂錨桿固定，錨入巖體深度不小于2.5 m，每架鋼支架錨桿眼10個(gè)，其中，左右柱腿各3個(gè)，拱部4個(gè)。鋼支架之間采用φ25 mm螺紋鋼拉桿焊接連接，每根拉桿長(zhǎng)度為500 mm，每個(gè)鋼支架用8根，左右柱腿各用3根，上拱架用2根。

鋼支架榀距與鋼支架所受的荷載力有關(guān)，其中頂板方向每米巷道的均布荷載力F0計(jì)算公式為[4]

F0=PμkμB,

(2)

式中,F0為巷道的均布荷載力，N/m；Pμ為標(biāo)準(zhǔn)的單位荷載，N/m；kμ為過(guò)載荷可靠系數(shù)；B為巷道寬度，m。

支護(hù)密度等于每米巷道計(jì)算荷載力F0與單架鋼支架最大外荷載q1max和q2max之比，即

(3)

式中,F0為巷道的均布荷載力，N/m；L為鋼支架榀距，m;其他參數(shù)符號(hào)意義同上。

依據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算得出本次鋼支架支護(hù)榀距L=0.5 m。鋼支架支護(hù)見(jiàn)圖5。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，依據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件適當(dāng)調(diào)整了支護(hù)參數(shù)，在巖石破碎嚴(yán)重地段還進(jìn)行了掛網(wǎng)作業(yè)，確保鋼支架支護(hù)時(shí)的施工安全。錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支架的配合使用使得支護(hù)效果更佳。

2 大斷面鋼支架定額編制

本次定額編制本著合法性、準(zhǔn)確性、合理性為原則，主要采取技術(shù)測(cè)定法和比較類推法2種測(cè)定方法[5]，同時(shí)參考《煤炭建設(shè)井巷工程概算定額》(2007基價(jià))平硐及平巷金屬支架支護(hù)定額和《冶金礦山井巷工程預(yù)算定額》(2010版)平硐平巷鋼支架斷面小于10 m2定額進(jìn)行編制。

圖5 鋼支架支護(hù)示意(單位：mm)

2.1 材料消耗量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，記錄每跨鋼支架鋼材消耗量，見(jiàn)表1。

表1 每跨鋼支架材料消耗量

2.2 人工消耗量指標(biāo)

預(yù)算定額中的人工消耗量指標(biāo)包括完成該分項(xiàng)工程所必須的基本用工和其他用工數(shù)量，不分工種和工資等級(jí)，均以綜合工日表示。依據(jù)《冶金礦山井巷工程預(yù)算定額》(2010版)，綜合工日單價(jià)取定為48元/工日。

2.3 補(bǔ)充定額編制結(jié)果

由于篇幅有限，僅列出斷面≤12 m2、≤15 m2的定額子目，平硐平巷大斷面鋼支架支護(hù)補(bǔ)充定額編制部分結(jié)果見(jiàn)表2。定額編制結(jié)果完全符合《冶金礦山井巷工程預(yù)算定額》(2010版)編制要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)施工前對(duì)可縮性鋼支架支護(hù)性能的測(cè)算及施工時(shí)支護(hù)參數(shù)的調(diào)整，順利通過(guò)巷道破碎帶，為以后其他類似巷道支護(hù)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，此次定額編制以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為主，邀請(qǐng)了設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位、定額監(jiān)管單位協(xié)助完成，避免了因利益原因、主觀意識(shí)原因等造成定額編制的錯(cuò)誤。補(bǔ)充定額(編號(hào)：KB0401～KB0424)編制完成后報(bào)備冶金工業(yè)建設(shè)工程定額總站并通過(guò)認(rèn)證(冶建定[2015]27號(hào))，具有法律效益。

[1] 宋愛(ài)東，郭獻(xiàn)章，劉大金.司家營(yíng)鐵礦南區(qū)防治水措施初探[J].河北冶金，2013(1)：1-4.

[2] 王 剛,丁紅崗.U型鋼支護(hù)能力分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(2)：179-182.

[3] 張 盛,張易飛,王云龍.不同水平應(yīng)力對(duì)U鋼支架支護(hù)巷道穩(wěn)定性影響的研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(8)：79-82.

[4] 汪成兵,勾攀峰,韋四江.U型鋼可縮性支架支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].有色金屬:礦山部分，2006，58(3)：30-34.

[5] 徐忠偉.淺談工程預(yù)算定額的編制[J]，科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(30)：66.

表2 平硐平巷大斷面鋼支架支護(hù)補(bǔ)充定額(部分) 100架