唐陽礦深部巷道鋼管混凝土支架工程應(yīng)用實踐

董博+丁厚剛+李純偉+桑廣合

摘 要：唐陽煤礦二采區(qū)南部皮帶下山地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道變形嚴(yán)重，應(yīng)用鋼管混凝土支架進(jìn)行巷道返修工程實踐。鋼管混凝土支架斷面圓形，支架型號Φ194×10，支架全周焊接圓鋼進(jìn)行抗彎強(qiáng)化，接頭套管型號Φ223×10，對鋼管混凝土支架施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，工程監(jiān)測表明鋼管混凝土支架的具有較高的承載能力，可以解決唐陽礦深井巷道難支護(hù)問題，具有突出的承載力優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：深部巷道；巷道支護(hù)；鋼管混凝土支架；施工工藝

中圖分類號：TD353.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0083-03

鋼管混凝土材料具有優(yōu)良承壓性能，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[1～2]，鋼管混凝土支架應(yīng)用煤礦可以解決深井巷道難支護(hù)問題，目前已在全國二十多個礦井成功應(yīng)用，取得良好效果[3～7]。其中典型的深井如華豐煤礦，采深1300多米[8]；典型的軟巖礦井如查干淖爾一號井，粘土含量60%，粘土中蒙脫石含量80%[9]。

唐陽煤礦位于山東省汶上縣，井田面積17平方公里，煤質(zhì)良好，年產(chǎn)120萬噸。隨著礦井開采深度增加，斷層構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)增多，巷道支護(hù)難度越來越大，本文以二采區(qū)南部皮帶下山返修支護(hù)為例，詳細(xì)論述鋼管混凝土支架在深井巷道支護(hù)中的工程實踐過程。

1 二采區(qū)南部皮帶下山原有支護(hù)分析

1.1 二采區(qū)南部皮帶下山地質(zhì)分析

二采區(qū)南部皮帶下山埋深-618.4～-720m，位于SF15斷層?xùn)|部，DF16斷層南部，DF5斷層西部，沿3煤底板施工，巷道揭露DF16斷層后煤層變緩，巷道改沿3煤頂板施工。3煤為黑色，厚度為5.4～5.7m，直接頂為粉砂巖厚約3.14m，基本頂為細(xì)粒砂巖厚約5.4m；直接底板為泥巖，厚約0.57m；基本底為細(xì)粒砂巖，厚約4.23m。

對二采區(qū)南部皮帶下山粉砂巖和細(xì)粒砂巖進(jìn)行力學(xué)性能和水理性質(zhì)測試，測試結(jié)果如表1。

使用D8 ADVANCE型X射線衍射儀，以X射線衍射分析巖樣物相，試樣中主要礦物成分為石英和珍珠陶土，其中石英含量為68.6%，珍珠陶土含量為31.4%，珍珠陶土屬于高嶺石類，是粘土礦物成分的一種。

1.2 二采區(qū)南部皮帶下山原有支護(hù)破壞分析

二采區(qū)南部皮帶下山最近一次返修是2016年5月份，返修鋼棚由11#礦用工字鋼連接加工制作對棚，鋼棚呈梯形，要求棚腿與巷道底板夾角80°，支架之間用好木對稱，棚梁兩頭各一根，兩棚腿一根，在棚頭中間、兩棚腿上部各布置一道雙股12#鍍鋅鐵絲作為聯(lián)鎖使用，2016年10月份二采區(qū)南部皮帶下山出現(xiàn)較大變形，底鼓，兩幫位移，不同程度的頂板下沉，如圖1。

通過對二采區(qū)南部皮帶下山圍巖特征及巷道破壞分析，其變形破壞原因主要有兩點：（1）地層埋深較大，地壓顯現(xiàn)較明顯，巷道圍巖偏于軟弱；（2）巷道經(jīng)歷多次返修導(dǎo)致淺部圍巖裂隙充分發(fā)育，承載能力下降；（3）現(xiàn)有支護(hù)體強(qiáng)度不足，不能有效應(yīng)對擾動影響。

2 二采區(qū)南部皮帶下山支護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)二采區(qū)南部皮帶下山相關(guān)資料，返修巷道斷面確定為圓形，支架整體如圖3所示，凈斷面由4.1m×4.0m，支架間距0.6m。

見圖2以鋼管混凝土支架為主要技術(shù)手段，巷道開挖后掛網(wǎng)打錨桿做臨時護(hù)頂支護(hù)，然后架設(shè)鋼管支架，鋼管支架灌注混凝土，壁后掛網(wǎng)噴射混凝土，支架外噴混凝土覆蓋，完成全部支護(hù)措施。

2.1 鋼管混凝土支架設(shè)計

鋼管采用20#結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，支架所用鋼管型號Φ194×10mm，支架分為四段，各段間套管連接，支架頂拱段段與左右兩幫之間用接頭套管連接，接頭套管采用熱擴(kuò)成型，匹配支架。

2.2 核心混凝土配比設(shè)計

核心混凝土設(shè)計為強(qiáng)度等級C40混凝土，核心混凝土基本配料為水泥、砂子和石子，為滿足泵送要求、減少用水量加入減水劑，摻量2%；為防止混凝土干縮導(dǎo)致核心混凝土與鋼管剝離加入膨脹劑，摻量8%；為增加混凝土的韌性和抗變形能力加入鋼纖維，摻量5%，按水泥重量比摻入。

2.3 錨網(wǎng)噴支護(hù)及壁后充填設(shè)計

巷道開挖后立即對圍巖噴射30～50mm厚混凝土封閉，然后掛網(wǎng)打錨桿，錨桿長度3.0m，排距1000mm，頂部緊密，兩幫疏松。架設(shè)鋼管混凝土支架，在支架后鋪設(shè)彩條布與鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)緊貼支架，彩條布與圍巖預(yù)留200mm空間，以噴射混凝土充填。

3 鋼管混凝土支架承載能力驗算

3.1 鋼管混凝土短柱承載力

20#結(jié)構(gòu)用無縫鋼管的屈服極限fs=215N/mm2，鋼管的橫截面積As=5778mm2。設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級C40，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc1=19.1N/mm2，鋼管內(nèi)填混凝土橫截面的凈面積Ac=23767mm2。

根據(jù)《現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（修訂版）》[1]，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力設(shè)計值為

3.2 支架承載能力計算

考慮鋼管支架在壓彎時，受長細(xì)比與偏心率影響，因此計算鋼管混凝土支架的極限承載力時需要乘上相應(yīng)的折減系數(shù)，因此鋼管混凝土支架的極限承載能力表示為：

式中：—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=0.778。

支架上部半圓拱的極限承載平衡方程為：

=2573×0.78=2001kN

因此Ф194×10mm鋼管混凝土支架承載能力為2001kN，約200噸。

3.3 支架支護(hù)反力計算

巷道中鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖4。

根據(jù)該力學(xué)模型，二采區(qū)南部皮帶下山鋼管混凝土支架支護(hù)反力為：endprint

式中：S—支架間距，0.6m；

R—巷道計算半徑，2.1m。

求出鋼管混凝土支架的支護(hù)反力為：

=1.54MPa。

同理對目前使用的11#礦用工字鋼支架進(jìn)行計算得支護(hù)反力為0.42 MPa。鋼管混凝土支架的承載能力是11#礦用工字鋼支架的3倍以上，可以滿足巷道穩(wěn)定要求。

4 鋼管支架安裝與混凝土灌注工藝

鋼管混凝土支架支護(hù)工藝可概括為三步法：地面加工、井下安裝、現(xiàn)場灌注。

4.1 空鋼管支架安裝工藝

對井下安裝和現(xiàn)場灌注工作的安裝步驟進(jìn)行嚴(yán)格控制，巷道安裝工藝流程：①確定支架位置，②安裝底弧段，③安裝兩幫段，④安裝頂弧段，⑤支架位置微調(diào)。

4.2 鋼管支架核心混凝土灌注工藝

每安裝10～15架空鋼管支架灌注混凝土一次，工藝流程：①混凝土輸送泵擺放，注漿管連接；②接電試機(jī)，空載試運(yùn)行，準(zhǔn)備混凝土原材料；③攪拌混凝土至符合泵送混凝土要求；④接通注漿管路：輸送泵—輸送管—高壓膠管—閘閥—支架注漿口，閘閥開通；⑤灌注混凝土土，注意頂部排氣孔溢漿標(biāo)志；⑥灌注結(jié)束后先停止泵送，然后關(guān)閉閘閥，拆卸管路，封堵排漿孔。連接下一架，繼續(xù)灌注。

5 鋼管混凝土支架支護(hù)監(jiān)測

支護(hù)完成后，對二采區(qū)南部皮帶下山進(jìn)行三個月的巷道表面收斂監(jiān)測，監(jiān)測表明巷道頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繕O值為75mm，而兩幫相對位移量極值為60mm，均滿足巷道圍巖穩(wěn)定的要求。通過支護(hù)前后的巷道變形對比表明，鋼管混凝土支架支護(hù)效果明顯好于原支護(hù)方案，維持了二采區(qū)南部皮帶下山巷圍巖的穩(wěn)定。

6 主要結(jié)論

本文以唐陽煤礦二采區(qū)南部皮帶下山為工程背景，分析了圍巖地質(zhì)特征，提出基于鋼管混凝土支架的綜合支護(hù)方案，對鋼管混凝土支架進(jìn)行了承載能力計算分析，詳細(xì)論述了鋼管混凝土支架施工工藝。得到如下結(jié)論：

（1）二采區(qū)南部皮帶下山圍巖主要泥質(zhì)粉砂巖，巖石強(qiáng)度低，承載能力差，，巷道破壞嚴(yán)重，常規(guī)的錨網(wǎng)噴支護(hù)和礦用工字鋼支架已不能滿足支護(hù)要求。

（2）鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)合理，承載力高。鋼管混凝土支架承載力驗算得出Ф194×10mm支架支護(hù)反力為1.54MPa，增加抗彎圓鋼后，整體抵抗彎矩的能力大幅提升，滿足巷道支護(hù)要求。

（3）二采區(qū)南部皮帶下山采用鋼管混凝土支架返修后支護(hù)穩(wěn)定，整體效果優(yōu)異，體現(xiàn)了鋼管混凝土支架支護(hù)的優(yōu)越性。

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