鋼管混凝土支架在江源煤業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用

張玉良++劉新坤

摘 要：吉林江源煤業(yè)-700膠帶機(jī)下山巷道處于應(yīng)力集中區(qū)域，前期掘進(jìn)的機(jī)軌合一巷道圍巖變形嚴(yán)重，表現(xiàn)為斷面縮小、錨索拉斷、底鼓嚴(yán)重、U型鋼支架破壞嚴(yán)重，對(duì)新掘巷道機(jī)軌合一大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)、工藝過程等。目前支架已經(jīng)開始承載，根據(jù)支架監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明支架完好，巷道穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力集中區(qū) 鋼管混凝土支架支護(hù) 支護(hù)能力 支護(hù)原理

中圖分類號(hào)：TD322 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0089-02

1 工程概述

吉林江源煤業(yè)有限責(zé)任公司位于吉林省白山市江源區(qū)砟子鎮(zhèn)轄區(qū)之內(nèi)。地處吉林省白山市通化礦區(qū)中部，西南距白山市11.6 km，東北距江源區(qū)4 km。井田走向長3.0 km，傾斜寬2.0 km，面積6.0 km2。吉林江源煤業(yè)有限責(zé)任公司于2007進(jìn)行了改擴(kuò)建，改擴(kuò)建后礦井的產(chǎn)煤能力由120萬 t/年提高為180萬 t/年。2011年年核定生產(chǎn)能力為300萬 t。

目前，吉林江源煤業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)水平分別為-400水平和-600水平水力采煤區(qū)及深部-800水平綜采區(qū)。深部采區(qū)距地面1320 m。其井田總體構(gòu)造形態(tài)為軸向北東，西部抬起，向東傾伏的不對(duì)稱向斜構(gòu)造。向斜北翼陡，地層傾角60～80 °，向中部漸變平緩，傾角10～30 °。向斜南翼倒轉(zhuǎn)，倒轉(zhuǎn)軸與向斜軸略有交角。江源井田煤系地層主要為上石碳系太原組（C3t）和下迭系山西組（P1s），其中1、4、6三個(gè)煤層全區(qū)發(fā)育是主要可采煤層。

鋼管混凝土支架使用地點(diǎn)為-700膠帶機(jī)下山-724 m標(biāo)高以下處。支護(hù)長度為60米。-700膠帶機(jī)下山是江源煤業(yè)深部延深工程的主要運(yùn)輸巷，位于向斜軸北翼，巷道坡度為-20 °在膠帶機(jī)下山掘至-700標(biāo)高時(shí)，從巖性上判斷以從本溪統(tǒng)進(jìn)放煤系地層。（太原組）掘至-724 m標(biāo)高時(shí)受f12斷層影響，進(jìn)入N6層煤（f12正斷層，落差3.0 m，傾角為70 °）。（圖1）

巷道離向斜軸和煤層的距離較小，位于應(yīng)力集中地帶，巷道圍巖壓力大，易發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，主要表現(xiàn)為巷道斷面縮小、 錨索和錨桿破壞、底鼓嚴(yán)重、U型鋼支架破壞等（圖2）。保證不了安全生產(chǎn)。[1][2] [3]

2 鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)概述

在鋼管外殼內(nèi)填裝混凝土即成鋼管混凝土，鋼管混凝土的的工作原來為：混凝土受鋼管外殼的約束，從而具有更高的抗壓強(qiáng)度。鋼管混凝土支架是由中國礦業(yè)大學(xué)（北京）的高延法[4]教授發(fā)明，在深井軟巖巷道支護(hù)工程中已成功應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）鋼管混凝土支架的承載能力大幅提升，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，相同斷面的鋼管混凝土支架承載能力達(dá)210 t，而U型鋼支駕承載能力為40～50 t，可見，相同斷面的鋼管混凝土支架承載能力達(dá)相同重量U型支架的3-5倍。

（2）相較于U型鋼支架支護(hù)，鋼管混凝土支架支護(hù)速度更快，且支架注漿、支架安裝可平行作業(yè)，對(duì)支護(hù)速度沒有影響。

（3）鋼管混凝土支架支護(hù)可預(yù)留變形層，使得圍巖可以讓壓變形。

（4）鋼管混凝土支架支護(hù)總成本較低：雖然鋼管混凝土支架加工的成本增加約20%，但期承載能力大大提升，且巷道無需返修，因此，與U型鋼支護(hù)相比，在考慮巷道返修等成本因素下，鋼管混凝土支架支護(hù)總成本較低。

基于鋼管混凝土支架的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土支架已被成功用于中煤集團(tuán)平朔分公司井工三礦、河北金能集團(tuán)金牛股份邢東礦、長治三元集團(tuán)黃山煤業(yè)有限公司、沈煤集團(tuán)清水礦、黑龍江鶴崗礦業(yè)公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦、鶴煤集團(tuán)三礦等。

3 鋼管混凝土支架在江源煤業(yè)的應(yīng)用

3.1 鋼管混凝土支架支護(hù)方案

（1）鋼管混凝土支架應(yīng)用于江源煤業(yè)-700膠帶機(jī)下山近煤的應(yīng)力集中區(qū)范圍，巷道長度約60 m，共安設(shè)鋼管混凝土支架60架，支架間距為0.7 m。

（2）鋼管支架型號(hào)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前河北金能集團(tuán)金牛股份邢東礦工程類比預(yù)估支架型號(hào)應(yīng)該為Φ194×8（36.7 kg/m）。

（3）鋼管支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支架分為四段，套管連接。支架間距為0.7 m，支架之間頂桿連接。支架頂桿采用Φ76×5的鋼管混凝土短桿，頂桿間距1.5～1.8 m，能夠有效防止支架發(fā)生壓桿失穩(wěn)。

（4）鋼管支架間連接設(shè)計(jì)

根據(jù)目前河北金能集團(tuán)金牛股份邢東礦支護(hù)工程對(duì)比，鋼管支架間距設(shè)為700 mm，支架間連接采用頂桿，頂桿長度500 mm。鋼管混凝土支架支護(hù)斷面如（圖3）所示。

3.2 支架承載力計(jì)算

（1）支架短柱承載能力計(jì)算，支架鋼管型號(hào)為Ф194×8，鋼管選用20號(hào)鋼，鋼材的屈服極限鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力設(shè)計(jì)值為N0：

式中套箍指標(biāo)為：

（2）支架承載能力計(jì)算，鋼管混凝土支架的極限承載能力表示為。

—鋼管混凝土支架的極限承載力；—鋼管混凝土軸壓短柱承載力； —折減系數(shù)；考慮長細(xì)比和偏心率的影響，折減系數(shù)取=0.8。

支架上部半圓拱的極限承載平衡方程為：=2521.3×0.8=2017（kN）

即：支架承載能力為2017kN，約202噸。

（3）支架支護(hù)支撐力計(jì)算，巷道中鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如（圖3）。

根據(jù)該力學(xué)模型，支架支護(hù)支撐力為：

S—支架間距，0.8 m；R—巷道計(jì)算半徑，2.3 m；—支架的支護(hù)反力；—支架極限承載力。

由式求出鋼管混凝土支架的支護(hù)支撐力力為：=1.1 MPa。

3.3 施工工藝

（1）基本工藝流程，巷道開幫挑頂初噴30 mm厚的水泥砂漿層錨桿支護(hù)、安裝空鋼管支架、支架內(nèi)灌混凝土等工藝。endprint

（2）支架內(nèi)灌混凝土及灌注工藝，鋼管內(nèi)混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石。細(xì)骨料選用河砂。摻入早強(qiáng)減水劑和鋼纖維為波紋狀。[5]混凝土配比與材料用量見表2。

混凝土灌注工藝：

①每安裝5架～10架空鋼管支架后，進(jìn)行混凝土注漿一次。

②首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15～20 min。

③第一次使用混凝土輸送泵應(yīng)先泵送少許水泥砂漿潤滑管路。

④混凝土每次攪拌1 m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發(fā)現(xiàn)料斗下料速度變慢及時(shí)反泵數(shù)下，防止堵塞管路，并且應(yīng)該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節(jié)約時(shí)間，防止混凝土凝固。

⑥注漿結(jié)束前，需頂部排漿孔流出約1水桶混凝土作為結(jié)束標(biāo)識(shí)點(diǎn)。

⑦注漿完畢后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。

⑧對(duì)管路進(jìn)行沖洗，然后停止供水、供電，然后拆卸管路。

3.4 支架監(jiān)測(cè)

每隔5架為一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用感官目測(cè)和收斂儀對(duì)鋼管混凝土支架支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)支架的變形量，通過監(jiān)測(cè)鋼管混凝土支架支護(hù)無明顯變形。-700膠帶機(jī)下山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5所示。

4 結(jié)語

（1）-700膠帶機(jī)下山處于近煤應(yīng)力集中區(qū)，前期掘進(jìn)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，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。翻修次數(shù)多，投入成本高。

（2）-700膠帶機(jī)下山應(yīng)力集中區(qū)域新掘巷道采用鋼管混凝土支架支護(hù)，施工長度 60 m，支架型號(hào)為φ194×8 mm，支架間距0.7 m，支架支護(hù)反力為1.1 MPa。目前-700膠帶機(jī)下山鋼管混凝土支架已經(jīng)開始承載，巷道圍巖變形控制在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，支架完好，無變形破壞，巷道穩(wěn)定。

（3）鋼管混凝土支架支護(hù)與錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)方法相比，鋼管混凝土支架支護(hù)后，巷道穩(wěn)定性良好，支架沒有明顯變形。維護(hù)量小。不足的是鋼管混凝土支架，一次性投入成本比錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)成本高，只適用于服務(wù)年限長的永久巷道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳為高，周建軍石.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.

[2] 郭天福，騰文虎.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)技術(shù)設(shè)計(jì)[C]//.中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專業(yè)委員會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文.2009：145-146，148.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 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.endprint

（2）支架內(nèi)灌混凝土及灌注工藝，鋼管內(nèi)混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石。細(xì)骨料選用河砂。摻入早強(qiáng)減水劑和鋼纖維為波紋狀。[5]混凝土配比與材料用量見表2。

混凝土灌注工藝：

①每安裝5架～10架空鋼管支架后，進(jìn)行混凝土注漿一次。

②首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15～20 min。

③第一次使用混凝土輸送泵應(yīng)先泵送少許水泥砂漿潤滑管路。

④混凝土每次攪拌1 m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發(fā)現(xiàn)料斗下料速度變慢及時(shí)反泵數(shù)下，防止堵塞管路，并且應(yīng)該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節(jié)約時(shí)間，防止混凝土凝固。

⑥注漿結(jié)束前，需頂部排漿孔流出約1水桶混凝土作為結(jié)束標(biāo)識(shí)點(diǎn)。

⑦注漿完畢后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。

⑧對(duì)管路進(jìn)行沖洗，然后停止供水、供電，然后拆卸管路。

3.4 支架監(jiān)測(cè)

每隔5架為一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用感官目測(cè)和收斂儀對(duì)鋼管混凝土支架支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)支架的變形量，通過監(jiān)測(cè)鋼管混凝土支架支護(hù)無明顯變形。-700膠帶機(jī)下山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5所示。

4 結(jié)語

（1）-700膠帶機(jī)下山處于近煤應(yīng)力集中區(qū)，前期掘進(jìn)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，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。翻修次數(shù)多，投入成本高。

（2）-700膠帶機(jī)下山應(yīng)力集中區(qū)域新掘巷道采用鋼管混凝土支架支護(hù)，施工長度 60 m，支架型號(hào)為φ194×8 mm，支架間距0.7 m，支架支護(hù)反力為1.1 MPa。目前-700膠帶機(jī)下山鋼管混凝土支架已經(jīng)開始承載，巷道圍巖變形控制在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，支架完好，無變形破壞，巷道穩(wěn)定。

（3）鋼管混凝土支架支護(hù)與錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)方法相比，鋼管混凝土支架支護(hù)后，巷道穩(wěn)定性良好，支架沒有明顯變形。維護(hù)量小。不足的是鋼管混凝土支架，一次性投入成本比錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)成本高，只適用于服務(wù)年限長的永久巷道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳為高，周建軍石.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.

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[3] 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.

[4] 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.

[5] 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.endprint

（2）支架內(nèi)灌混凝土及灌注工藝，鋼管內(nèi)混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石。細(xì)骨料選用河砂。摻入早強(qiáng)減水劑和鋼纖維為波紋狀。[5]混凝土配比與材料用量見表2。

混凝土灌注工藝：

①每安裝5架～10架空鋼管支架后，進(jìn)行混凝土注漿一次。

②首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15～20 min。

③第一次使用混凝土輸送泵應(yīng)先泵送少許水泥砂漿潤滑管路。

④混凝土每次攪拌1 m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發(fā)現(xiàn)料斗下料速度變慢及時(shí)反泵數(shù)下，防止堵塞管路，并且應(yīng)該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節(jié)約時(shí)間，防止混凝土凝固。

⑥注漿結(jié)束前，需頂部排漿孔流出約1水桶混凝土作為結(jié)束標(biāo)識(shí)點(diǎn)。

⑦注漿完畢后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。

⑧對(duì)管路進(jìn)行沖洗，然后停止供水、供電，然后拆卸管路。

3.4 支架監(jiān)測(cè)

每隔5架為一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用感官目測(cè)和收斂儀對(duì)鋼管混凝土支架支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)支架的變形量，通過監(jiān)測(cè)鋼管混凝土支架支護(hù)無明顯變形。-700膠帶機(jī)下山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5所示。

4 結(jié)語

（1）-700膠帶機(jī)下山處于近煤應(yīng)力集中區(qū)，前期掘進(jìn)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，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。翻修次數(shù)多，投入成本高。

（2）-700膠帶機(jī)下山應(yīng)力集中區(qū)域新掘巷道采用鋼管混凝土支架支護(hù)，施工長度 60 m，支架型號(hào)為φ194×8 mm，支架間距0.7 m，支架支護(hù)反力為1.1 MPa。目前-700膠帶機(jī)下山鋼管混凝土支架已經(jīng)開始承載，巷道圍巖變形控制在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，支架完好，無變形破壞，巷道穩(wěn)定。

（3）鋼管混凝土支架支護(hù)與錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)方法相比，鋼管混凝土支架支護(hù)后，巷道穩(wěn)定性良好，支架沒有明顯變形。維護(hù)量小。不足的是鋼管混凝土支架，一次性投入成本比錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支架支護(hù)成本高，只適用于服務(wù)年限長的永久巷道。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳為高，周建軍石.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.

[2] 郭天福，騰文虎.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)技術(shù)設(shè)計(jì)[C]//.中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專業(yè)委員會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文.2009：145-146，148.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 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.endprint