鋼管混凝土支架力學(xué)性能及千米深井巷道應(yīng)用研究

魏禮剛（山東能源新礦集團(tuán)華豐煤礦，山東泰安　271413）

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鋼管混凝土支架力學(xué)性能及千米深井巷道應(yīng)用研究

魏禮剛
（山東能源新礦集團(tuán)華豐煤礦，山東泰安271413）

【摘 要】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。本文研究了鋼管混凝土支架的力學(xué)特性，應(yīng)用工程類比法，并以千米深井華豐煤礦-1100m風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷為研究對象，設(shè)計(jì)了鋼管混凝土支架復(fù)合支護(hù)方案：支架斷面采用圓形，支架主體鋼管選用Φ219×8無縫鋼管，鋼管內(nèi)充填C40早強(qiáng)型混凝土，輔以錨網(wǎng)噴支護(hù)和高效圍巖注漿加固。工程應(yīng)用表明：基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)技術(shù)，在千米深井巷道中，能有效抑制巷道變形，維護(hù)巷道的長期穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠。

【關(guān)鍵詞】千米深井巷道鋼管混凝土支架力學(xué)性能

煤炭是我國主體能源。近年來，受經(jīng)濟(jì)增速放緩、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素影響煤炭需求量大幅下降，國務(wù)院宣布從2016年起，政府需引導(dǎo)在安全生產(chǎn)等方面不達(dá)標(biāo)的煤礦有序退出市場［1］。

展望“十三五”期間煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤炭工業(yè)協(xié)會認(rèn)為，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下，能源革命有新的要求，煤炭作為主體能源地位不會改變。隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，國家推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，非化石能源比重增長，煤炭將繼續(xù)低速增長但仍會保持較大規(guī)模。

華豐煤礦煤炭儲量豐富，年產(chǎn)原煤百萬噸，可采儲量在30年以上，開采深度達(dá)到海拔-1200米。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤炭資源儲量埋深在千米以下的約為2.95萬億噸，占煤炭資源總量的53%，未來10多年內(nèi)很多煤礦將進(jìn)入到1000～1500米的開采深度。隨著開采深度的增加，千米深井巷道地質(zhì)條件變得更為復(fù)雜，大地壓、大變形、難支護(hù)等一系列問題導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境惡化、巷道維護(hù)困難、地質(zhì)災(zāi)害增多［2，3］，現(xiàn)有錨桿（索）、U型鋼等支護(hù)技術(shù)已無法解決深井支護(hù)難題，由此，鋼管混凝土支架作為一種新型的千米深井巷道支護(hù)方式應(yīng)運(yùn)而生。

鋼管混凝土支架是近年來發(fā)明的一種具有高承載力、高性價(jià)比和施工簡單等特點(diǎn)的高強(qiáng)度支架，從2008年開始已成功應(yīng)用于全國近30個(gè)煤礦。文章以華豐煤礦-1100m水平風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷為工程背景，詳細(xì)介紹了以鋼管混凝土支架為主體的復(fù)合支護(hù)技術(shù)在千米深井巷道中的應(yīng)用，為其他地質(zhì)條件類似的千米深井巷道的穩(wěn)定控制提供借鑒。

1　鋼管混凝土支架力學(xué)性能研究

1.1鋼管混凝土短柱軸向抗壓性能

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種鋼管與核心混凝土組成的組合構(gòu)件，鋼管混凝土短柱的軸向抗壓能力是衡量這種構(gòu)件材料強(qiáng)度的基本指標(biāo)。

同等鋼材線密度的U36型鋼試件實(shí)測的短柱軸向塑性極限承載能力為167噸［4］；Φ194×8型鋼管混凝土短柱軸向抗壓承載能力可達(dá)454噸?？梢姡?94×8型鋼管混凝土短柱受壓能力可達(dá)U36型鋼的2.7倍，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸向抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢明顯。

1.2鋼管混凝土的抗彎性能

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）課題組［5，6］分別對Φ194×8型鋼管混凝土、U36型鋼和22b型工字鋼圓弧拱做了抗彎性能試驗(yàn)研究。3種試件鋼材線密度、試件形狀與跨度均相同，在圓弧拱拱頂集中荷載分級加壓的條件下，三者的極限承載力分別為1145kN、480 kN和150 kN。Φ194×8型鋼管混凝土圓弧拱抗彎能力優(yōu)勢明顯。

1.3鋼管混凝土支架承載能力

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）課題組［7，8］分別對U36型鋼和Φ194×8型鋼管混凝土支架做了支架承載力試驗(yàn)測試。其中，鋼管混凝土支架內(nèi)灌注C40混凝土，支架形狀均為橢圓形，長軸約4.5m，短軸約3.9m。試驗(yàn)測得Φ194×8型鋼管混凝土支架極限承載力可達(dá)1709kN，U36型鋼支架的極限承載力為644kN。可認(rèn)為同等鋼材線密度條件下，鋼管混凝土支架極限承載能力可達(dá)U型鋼支架極限承載能力的2.65倍。

1.4鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特性

井下使用的U型鋼支架和工字鋼支架在千米深井巷道中常出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形和平面外失穩(wěn)現(xiàn)象［9，10］。而圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的截面為圓形，在垂直于軸線的平面內(nèi)具有各向同性，對軟巖變形和圍巖壓力具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2　工程背景

華豐煤礦-1100m水平風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷埋深1230～1250m，揭露地層巖性為煤8（2）至煤7（2）之間的巖層，所穿巖石大部分為粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖，巖層傾角平均30°。巖石單軸抗壓強(qiáng)度30～40MPa，垂向地應(yīng)力為32MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力在35～47MPa之間。該聯(lián)絡(luò)巷斷層及煤層附近頂板較為破碎，巷道掘進(jìn)過程中受到煤6采動影響，巷道變形量大，破壞嚴(yán)重，后期又受到煤4采動影響，巷道圍巖變形強(qiáng)烈。

3　巷道原有支護(hù)方案及變形特點(diǎn)

圖1　-1100m風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖2　錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架支護(hù)斷面圖

3.1原有支護(hù)方案及變形特點(diǎn)

-1100m風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷原有斷面為直徑4800mm的圓形斷面。原有支護(hù)形式如下：

（1）一次支護(hù)。光面爆破，一次成巷，成巷后初噴50mm厚C20混凝土噴層。

（2）二次支護(hù)。錨網(wǎng)噴+鋼筋混凝土碹體。錨桿采用φ25mm，長2400mm的高強(qiáng)螺紋鋼樹脂藥卷錨桿，間排距400×400mm，打兩遍；金屬網(wǎng)采用φ10mm鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100×100mm；鋼筋混凝土碹厚300mm，混凝土強(qiáng)度等級C40。-1100m風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在原有支護(hù)形式-1100m風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷斷面縮小嚴(yán)重，最嚴(yán)重地段直徑僅有約1m的空間可以回風(fēng)，鋼筋混凝土碹斷裂、掉落，混凝土噴層開裂，鋼筋網(wǎng)破裂并外露，錨桿托盤掉落、桿體內(nèi)收，部分錨桿從桿體中間剪斷。后使用U36型鋼進(jìn)行返修，仍不能取得理想效果。

3.2風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷變形破壞原因分析

巷道破壞原因可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）巷道埋深達(dá)1250m，地壓增大和復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力作用是其破壞的主要原因。

（2）巷道穿層較多造成圍巖巖性變化大，巷道不同圍巖段和部位受力不均。

（3）支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。各支護(hù)形式之間協(xié)調(diào)性差。錨網(wǎng)噴和鋼筋混凝土碹體所能提供的支護(hù)力較小，U36型鋼底部不封閉，支護(hù)強(qiáng)度低，不能有效控制圍巖變形。

4　鋼管混凝土支架支護(hù)復(fù)合支護(hù)方案

結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)資料與變形破壞特征，設(shè)計(jì)了“錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架+圍巖注漿”的復(fù)合支護(hù)方案：

（1）擴(kuò)修巷道原圓形斷面：擴(kuò)修至直徑5570mm的圓形斷面，后做錨網(wǎng)噴一次支護(hù)。

（2）設(shè)置柔性變形空間200mm，使用鋼管混凝土支架做二次支護(hù)，支護(hù)后巷道凈斷面直徑為4800mm。

（3）鋼管混凝土支架支護(hù)完畢后復(fù)噴混凝土，監(jiān)測支架承載力。

4.1鋼管混凝土支架支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）支架結(jié)構(gòu)與選型。依據(jù)工程類比法，主體鋼管選用Φ219×8 型20#無縫鋼管。支架斷面形狀設(shè)計(jì)為圓形，內(nèi)徑R=2400mm，主體結(jié)構(gòu)分4段：頂拱段、左幫段、右?guī)投魏头吹坠岸巍ＶЪ荛g采用鋼管混凝土頂桿連接，支架間距800mm。

（2）核心混凝土設(shè)計(jì)為強(qiáng)度等級為C50膨脹型混凝土。

4.2錨網(wǎng)噴支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）巷道擴(kuò)修后立即對圍巖噴射30圖1 -1100m風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)圖50mm厚混凝土，封閉圍巖，防止巖塊風(fēng)化掉落，隔絕圍巖與空氣間水分交換?；炷羾妼訌?qiáng)度等級C20。

（2）掛普通金屬網(wǎng)打錨桿。采用φ22mm×2400mm高強(qiáng)螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為800mm×800mm；金屬網(wǎng)采用φ5mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔100mm×100mm。

（3）復(fù)噴150mm厚混凝土，此步措施可以暫時(shí)滯后，先架設(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)間布置木背板做柔性變形層，當(dāng)柔性變形層達(dá)到極限后復(fù)噴混凝土。錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架設(shè)計(jì)見圖2。

4.3圍巖注漿加固設(shè)計(jì)

為了防止巷道在高地應(yīng)力的長期作用下發(fā)生屈服、破壞，產(chǎn)生大范圍的破碎區(qū)和塑性區(qū)，需對巷道圍巖注漿加固，進(jìn)一步提高圍巖自承能力。注漿加固設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3　圍巖注漿加固設(shè)計(jì)圖

（1）注漿時(shí)機(jī)。對鋼管混凝土支架承載力進(jìn)行檢測，當(dāng)承載力達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%時(shí)，對圍巖進(jìn)行注漿加固。

（2）注漿材料。選水泥漿液注漿，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6～0.7；注漿管長2.4m，間排距1.6m。

（3）注漿參數(shù)。注漿壓力為2.0～2.5MPa，注漿時(shí)間控制在120min，使用全斷面多孔同時(shí)注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速高效注漿效果。

5　巷道圍巖變形監(jiān)測

采用十字布點(diǎn)法對巷道兩幫和頂?shù)装遄冃芜M(jìn)行觀測，測量儀器選用測桿和卷尺，測點(diǎn)布設(shè)方式見圖4。每隔5架布設(shè)1組測點(diǎn)，共布設(shè)5組。每3d觀測1次，持續(xù)監(jiān)測150d。

監(jiān)測結(jié)果表明：支護(hù)后7d內(nèi)巷道變形較慢，支護(hù)后10～20d，巷道變形速度最快，30d以后巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，5組觀測結(jié)果表明圍巖最大移近量控制在80～150mm，充分表明鋼管混凝土支架復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制巷道圍巖的收斂變形，維持巷道穩(wěn)定，并且支架整體結(jié)構(gòu)完好，沒有出現(xiàn)損壞。

6　結(jié)語

（1）華豐煤礦-1100m水平風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷在深部復(fù)雜高應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)軟巖變形特征，原有“錨網(wǎng)噴+鋼筋混凝土碹體+U36型鋼”支護(hù)協(xié)調(diào)性差，支護(hù)強(qiáng)度低，難以保證巷道圍巖的長期穩(wěn)定。

（2）文章采用鋼管混凝土支架復(fù)合支護(hù)方案進(jìn)行返修：支架選用圓形斷面，主體鋼管選用Φ219×8型20#無縫鋼管，內(nèi)灌C40核心混凝土，輔助錨網(wǎng)噴支護(hù)和圍巖注漿加固。

（3）工程應(yīng)用表明：基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案承載能力強(qiáng)大，能夠有效維護(hù)風(fēng)井聯(lián)絡(luò)巷圍巖的長期穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠。

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