深井巷道鋼管混凝土支架支護(hù)性能與工程應(yīng)用研究

朱兆凱解玉峰漆寒冬郭賀張磊

（1.山東能源新礦集團(tuán)華豐煤礦，山東泰安 271416；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

深井巷道鋼管混凝土支架支護(hù)性能與工程應(yīng)用研究

朱兆凱1解玉峰1漆寒冬1郭賀2張磊2

（1.山東能源新礦集團(tuán)華豐煤礦，山東泰安 271416；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

隨著煤礦開采深度的增加，深井巷道難支護(hù)問題變得特別突出。本文以千米深井華豐煤礦-1100中央泵房為研究對象，首先分析了-1100中央泵房地質(zhì)條件和原有支護(hù)巷道變形破壞情況，設(shè)計并進(jìn)行了鋼管混凝土和U型鋼圓弧拱試件抗彎性能的對比實驗。然后設(shè)計-1100中央泵房鋼管混凝土支架支護(hù)方案，主體鋼管選用Φ219×8無縫鋼管，鋼管內(nèi)充填C40早強(qiáng)型混凝土。工程應(yīng)用表明，在深井巷道支護(hù)中，鋼管混凝土支架能夠提供較強(qiáng)的支護(hù)反力，控制巷道變形，維持巷道穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的支護(hù)性能。

深井巷道支護(hù) 華豐煤礦 鋼管混凝土支架

我國探明煤炭儲量埋深大于1000m的約50%，煤礦采深正以每年8～12m的速度增加。采深超過1000m的煤礦已經(jīng)有57處，包括山東能源集團(tuán)華豐煤礦、冀中能源邢東煤礦、國投新集口孜東煤礦、徐礦集團(tuán)古城煤礦、河南煤化鶴壁三礦等等。深井巷道面臨高地壓、高巖溶水壓、高溫和易擾動地質(zhì)環(huán)境，支護(hù)困難，返修率高，支護(hù)總成本居高不下。

鋼管混凝土材料具有優(yōu)良承壓性能［1-2］，以其為基本材料做成的鋼管混凝土支架具有高承載力、高性價比和施工簡單等特點［3-6］，鋼管混凝土支架已經(jīng)應(yīng)用于全國近30個工程項目，并已經(jīng)取得優(yōu)良成果。本文結(jié)合千米深井巷道華豐煤礦-1100m中央泵房的工程地質(zhì)條件和圍巖變形特點，采用高強(qiáng)度鋼管混凝土支架支護(hù)方案，大幅度提高了巷道徑向支護(hù)反力，減少了巷道的變形破壞。工程應(yīng)用表明，鋼管混凝土支架支護(hù)近三年來巷道穩(wěn)定，鋼管混凝土支架無變形。

1 1100水平大巷地質(zhì)條件分析

1.1 1100中央泵房地質(zhì)條件描述

-1100中央泵房埋深1250m，為五水平主排水系統(tǒng)，服務(wù)年限長。該區(qū)煤巖層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)比較簡單，煤巖層走向為80°～85°，傾角為30°～33°，平均32°。-1100m水平大巷為穿層掘進(jìn)，所穿過巖石大部分為粉砂巖、中砂巖，揭露的主要標(biāo)志層依次為煤8（2）、煤8（1）、煤7（3）、和煤7（2）。煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

1.2 1100中央泵房支護(hù)現(xiàn)狀及破壞分析

-1100中央泵房現(xiàn)有支護(hù)采用馬蹄形斷面，光面爆破，兩導(dǎo)兩起四次成巷施工；初噴混凝土作臨時支護(hù)，噴錨噴+錨網(wǎng)噴做永久支護(hù)；泵房整體打8米的高強(qiáng)注漿錨索做加強(qiáng)支護(hù)，后架設(shè)U36型鋼支架做二次加強(qiáng)支護(hù)。反底拱采用錨桿支護(hù)，錨桿間排距為1000× 1000mm，錨桿布置垂直于巷道輪廓線，夾角不小于75°。

原有支護(hù)巷道破壞嚴(yán)重，巷道兩幫變形嚴(yán)重，U型鋼支架頂部成尖角形狀；底鼓量大，泵房電機(jī)傾斜，軌道凸起無法使用，如圖2。

圖3 實驗臺立體效果圖

圖4 試件實驗結(jié)構(gòu)圖（mm）

通過對-1100中央泵房巷道變形破壞分析，其變形破壞原因如下：（1）巷道埋深大。埋深達(dá)1250m，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力影響大，圍巖變形在很大程度上表現(xiàn)為軟巖巖性；（2）巷道穿層多，造成圍巖巖性變化。巖性強(qiáng)度較低的層位圍巖變形加劇，造成巷道不同分段不同部位受力不均勻，增加巷道應(yīng)力集中和拉壓應(yīng)力分布不均勻，加劇了巷道不同圍巖段的變形。（3）原有支護(hù)設(shè)計不合理、強(qiáng)度不足。復(fù)合支護(hù)形式多，相互協(xié)調(diào)性差，同時-1100中央泵房使用不封閉馬蹄形U36型鋼支架支護(hù)，U36型鋼支架強(qiáng)度較低，降低了支護(hù)體兩幫穩(wěn)定性。

圖5 鋼管混凝土試件破壞形態(tài)

圖6 U36型鋼試件破壞形態(tài)

圖7 鋼管混凝土試件載荷-位移圖

圖8 U36型鋼試件載荷-位移圖

2 鋼管混凝土圓弧拱試驗研究

2.1 試件結(jié)構(gòu)

為了對比鋼管混凝土支架與U型鋼支架的支護(hù)性能，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）高延法課題組進(jìn)行了Φ194×8鋼管混凝土支架和U36型鋼支架的抗彎力學(xué)性能實驗［7-8］。試件為π/2圓弧拱，如圖3圖4所示，試件兩端預(yù)留50mm變形空間，試件兩端50mm以外固定約束，在試件頂部中央位置逐步施加在400mm長的承壓板上，測試該弧段試件能承受的最大載荷和試件各部位的變形破壞情況。

2.2 核心混凝土配比

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（CECS28：90）將早強(qiáng)核心混凝土強(qiáng)度等級設(shè)計為C40，水泥采用快硬硫鋁酸鹽42.5水泥，粗骨料碎石粒徑小于20mm，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.2～3.0河沙。同時，為了保證混凝土的早期強(qiáng)度，添加適量早強(qiáng)劑、緩凝劑和減水劑。核心混凝土配比表見表1。

圖9 斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)圖

圖10 錨桿支護(hù)設(shè)計圖

圖11 圍巖注漿加固設(shè)計圖

表1 核心混凝土配比表（單位:kg/m3）

2.3 試件加載方式

在支架頂部長400mm正方形承壓板約束處施加位移荷載，直至達(dá)到試件極限抗彎強(qiáng)度后撤去載荷。測點布置從試件中間向兩側(cè)每隔50cm設(shè)置一組測點，每組分為外側(cè)、中間、內(nèi)側(cè)三個測點，每個測點沿垂直方向布置位移傳感器，最后得出位移-載荷曲線。

2.4 支架試件的實驗結(jié)果與分析

鋼混支架和U型鋼試件破壞形態(tài)如圖5～圖6，荷載-位移曲線如圖7～圖8，實驗結(jié)果匯總見表2。實驗數(shù)據(jù)顯示，鋼管混凝土圓弧拱試件最大承受荷載是礦用U36型鋼支架的2.38倍，鋼混圓弧拱試件承受最大位移是礦用U36型鋼試件的2.37倍［7-12］。因此，華豐煤礦-1000m中央泵房返修支護(hù)設(shè)計中采用Φ219×8鋼管混凝土支架是可行的。

表2 實驗結(jié)果匯總表

圖12 1000中央泵房支護(hù)效果

3 1100m中央泵房支護(hù)方案設(shè)計

-1100m中央泵房支護(hù)方案設(shè)計如下：（1）擴(kuò)修斷面：寬8090mm ×高6760mm，擴(kuò)修后做一次錨網(wǎng)噴支護(hù)，加強(qiáng)底角支護(hù)，使用錨索；（2）設(shè)置柔性讓壓層：頂部200mm、兩幫200mm，使用鋼管混凝土支架做二次支護(hù)；鋼管混凝土支架支護(hù)后凈斷面寬7 2 0 0 m m×高6300mm，支架間距600mm。（3）鋼管混凝土支架支護(hù)完畢后復(fù)噴混凝土，然后進(jìn)行圍巖注漿加固。鋼管混凝土支架是主要支護(hù)手段，重視底板支護(hù)和圍巖注漿加固。

3.1 鋼管混凝土支架設(shè)計

鋼管材質(zhì)選用20#無縫鋼管，規(guī)格為Φ219×8mm，單位重量為41.6kg/m。-1100m中央泵房修復(fù)使用斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架，鋼管混凝土支架分為主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)包括三段支架管和接頭套管，三段支架管分別為：頂拱段、左幫段和右?guī)投危綄俳Y(jié)構(gòu)是為適應(yīng)相鄰支架連接、灌注混凝土等設(shè)計所需部件。

（1）鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)設(shè)計。斜墻半圓拱鋼管混凝土支架理論重量為760.7kg/架。鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)如圖9。

（2）鋼管混凝土支架連接設(shè)計。支架主體三段之間采用接頭套管連接，相鄰支架之間采用鋼管混凝土連桿連接。

3.2 錨網(wǎng)噴支護(hù)和圍巖注漿加固支護(hù)設(shè)計

（1）錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計。1）巷道擴(kuò)修后立即對圍巖噴射30～50mm厚混凝土；2）掛普通金屬網(wǎng)打錨桿，錨桿間距800mm；3）架設(shè)鋼管混凝土支架，在支架后鋪設(shè)強(qiáng)力抗拉網(wǎng)，強(qiáng)力抗拉網(wǎng)和錨網(wǎng)間插花式排列水泥背板或木背板做柔性變形層，當(dāng)柔性變形層達(dá)到變形極限后復(fù)噴150mm厚混凝土。錨桿選用φ22×2400mm高強(qiáng)螺紋鋼樹脂藥卷錨桿，上部間距1000mm，底角部間距800mm，排距800mm，錨桿布置如圖10。在不妨礙泵房電機(jī)基礎(chǔ)的前提重新開挖底板，并澆筑鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度等級C50。

（2）圍巖注漿加固設(shè)計。使用全斷面多孔同時注漿技術(shù)，一次完成一個或多個斷面注漿，實現(xiàn)快速高效注漿效果。注漿加固設(shè)計如圖11。

4 鋼混支架支護(hù)性能

（1）高性價比：同一巷道斷面，鋼管混凝土支架承載力提高2倍，成本僅提高0.2～0.5倍。（2）施工簡單：井下安裝不需要卡攬或螺栓，混凝土灌注滯后作業(yè)。（3）鋼管混凝土支架支護(hù)性能良好，支護(hù)近三年來巷道穩(wěn)定，鋼管混凝土支架無變形。-1000m中央泵房支護(hù)效果見圖12。

5 主要結(jié)論

本文以華豐煤礦-1000中央泵房為工程背景，進(jìn)行了鋼管混凝土和U型鋼圓弧拱試件抗彎性能實驗，設(shè)計了鋼管混凝土支架等相關(guān)支護(hù)方案，取得了良好的支護(hù)效果。主要結(jié)論如下：（1）-1000中央泵房埋深1250m，巷道所處巖層多為砂巖，圍巖荷載大于巖石強(qiáng)度，巷道破壞嚴(yán)重，常規(guī)的錨網(wǎng)噴支護(hù)和U型鋼支護(hù)已完全不能滿足支護(hù)要求，迫切需要適應(yīng)深井巷道的支護(hù)技術(shù)。（2）鋼管混凝土和U型鋼圓弧拱抗彎力學(xué)性能實驗表明，相同用鋼量鋼混支架是U型鋼支架承載力3倍以上，成本僅提高0.2～0.5倍。（3）對-1000中央泵房進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，首先對圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，然后采用鋼混支架支護(hù)，并設(shè)置預(yù)留變形空間，最后對圍巖注漿加固。鋼管混凝土支架采用斜墻半圓拱形斷面，鋼管型號Φ219×8mm，間距600mm。（4）鋼管混凝土支架支護(hù)性能良好，支護(hù)近三年來巷道穩(wěn)定，鋼管混凝土支架無變形。

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