鋼管混凝土組合支架在深井巷道交岔點支護中的應用研究

胡兆峰 王 軍

(1.新汶礦業(yè)集團有限責任公司華豐煤礦，山東省泰安市，271413；2.山東建筑大學土木工程學院，山東省濟南市，250101)

巷道交岔點斷面較大，受尺寸效應影響圍巖應力集中顯著，圍巖荷載大，支護體往往發(fā)生大變形甚至嚴重破壞，造成圍巖難以支護。特別是位于松軟破碎、高地應力、膨脹性軟巖及深部巷道的交岔點，其支護更加困難。常規(guī)U型鋼架棚支護或錨網(wǎng)索支護都難以滿足交岔點支護穩(wěn)定要求，巷道交岔點也逐漸變成礦山巷道支護特殊困難地點。因此，研究支護穩(wěn)定、結構簡單且施工方便的巷道交岔點支護技術意義重大。

裝配灌注式鋼管混凝土支架是近年來發(fā)展起來的一種高強支護結構，它是通過地面分段彎管、井下裝配并現(xiàn)場灌注混凝土而成的支護形式，充分利用了鋼管和混凝土材料的優(yōu)勢。核心混凝土借助鋼管管殼的約束作用，處于三向受壓狀態(tài)，使核心混凝土具有更高的抗壓強度和抗變形能力；受混凝土約束鋼管的幾何穩(wěn)定性增強，避免鋼管發(fā)生屈曲破壞，二者在力學性能上的“共生現(xiàn)象”使材料的強度得到充分發(fā)揮，適用于深井軟巖巷道支護。目前，井下灌注式鋼管混凝土組合支架已在全國多個煤礦中的深井、軟巖、破碎帶及動壓等難支護巷道，取得了良好的支護效果。

本文借鑒鋼管混凝土支架良好支護特點，設計了適用于千米深井巷道交岔點的鋼管混凝土組合支架結構形式，并對交岔點鋼管混凝土組合支架進行分類研究，而后針對華豐礦-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點進行了支護破壞分析，設計了基于鋼管混凝土組合支架的復合支護方案并應用于工程實踐。

1 鋼管混凝土組合支架結構性能

1.1 鋼管混凝土組合支架結構特性

鋼管混凝土組合支架以鋼管混凝土為基本結構材料，依據(jù)交岔點斷面設計支架組合形式，一般由1～2架支撐架和多架搭接架組合而成。鋼管混凝土組合支架采用圓形截面，截面慣性矩大且無異向性，不易扭曲變形，支架間采用頂桿連接，消除大尺寸支架的壓桿失穩(wěn)效應。為消除薄軟節(jié)點，對注漿口進行了結構補強，對接頭套管進行功能強化，對支架受彎側進行抗彎強化等，保證支架整體結構性能最優(yōu)化。與U36型鋼支架的對比實驗表明，相同鋼材線密度條件下，?194 mm×8 mm型鋼管混凝土組合支架極限承載能力可達U36型鋼的3.17倍。

鋼管混凝土組合支架中搭接架一般沿主巷道布置，支架形式與主巷道支架一致；支撐架一般布置在旁支巷道，其上通常承載3～8架搭接架一幫傳來的荷載，荷載以集中力形式作用于支撐架上，因此支撐架是交岔點的關鍵承載體，所以支撐架材料型號和結構剛度一般是搭接架的兩倍以上。

1.2 鋼管混凝土組合支架結構形式

鋼管混凝土組合支架依據(jù)巷道交岔點斷面設計，組合后不改變巷道交岔形式和斷面尺寸。依據(jù)交岔平面形式，組合支架有正交型、斜交型和分叉型三類，每一種類型又分為同等斷面組合型和大小斷面組合型，組合支架的搭接點是結構關鍵位置，同等斷面組合通常采用工字鋼擋板對接方式，大小斷面組合通常采用接頭套管插接對接方式，兩種組合方式具體結構形式如下：

工字鋼擋板對接型鋼管混凝土組合支架如圖1所示，工字鋼分別焊接在支撐架與搭接架上，工字鋼疊合對接。這種對接方式可實現(xiàn)搭接架與支撐架之間壓力和推力的傳遞，對接處類似鉸接，不能傳遞彎矩，焊縫是受力關鍵點，決定組合結構整體承載力。

接頭套管插接型鋼管混凝土組合支架如圖2所示，套管焊接在支撐架上，搭接架側幫段直接插入套管。搭接架側腿與支撐架拱軸線對應，搭接架傳來荷載直接作用在支撐架上，對接處軸力傳遞良好，由支撐架承載力決定組合結構整體承載力，設計時應盡量避免對接處產(chǎn)生過大彎矩作用。

下面將對-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點原支護破壞進行分析，由此確定交岔點返修支護設計和組合支架選型。

圖1 工字鋼擋板對接型鋼管混凝土組合支架

圖2 接頭套管插接型鋼管混凝土組合支架

2 巷道交岔點破壞分析與支架選型

華豐煤礦-1100 m水平中央泵房與泵房通道交岔點如圖3所示。由圖3可以看出，中央泵房與泵房通道有2個巷道交岔點，原支護采用相同技術方案，通常1～2年全面返修1次，嚴重影響泵房使用。

圖3 巷道交岔點平面位置圖

2.1 工程地質(zhì)分析

-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點埋深1250 m，-1100 m中央泵房為五水平主排水系統(tǒng)，服務年限長。-1100 m中央泵房為主巷道，穿層掘進，圍巖主要是粉砂巖和中砂巖，巖層傾角33°～36°，鉆取粉砂巖制作試件，測得其單軸抗壓平均值為51.02 MPa，中砂巖強度略低，垂向地應力約為32.5 MPa，鉆孔應力計監(jiān)測顯示圍巖水平應力介于35～47 MPa之間，大于垂向地應力。由于埋深較大，在高地應力作用下圍巖整體表現(xiàn)出軟巖特征，巷道成型后常年流變。深部高應力是交岔點圍巖變形的主要原因。

2.2 原支護變形分析

2.2.1 原支護變形特征

巷道交岔點原有支護形式為：初噴混凝土作臨時支護，錨噴+錨網(wǎng)噴作為永久支護。錨桿型號?25 mm×2400 mm，間排距1000 mm×1000 mm，金屬網(wǎng)規(guī)格為?5 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100 mm×100 mm，混凝土強度等級C20；8 m錨索加強支護，后架設直墻半圓拱形U29型鋼支架做二次加強支護；反底拱采用錨桿支護，澆筑800 mm厚的混凝土，錨桿型號?18 mm×1500 mm，間排距1000 mm×1000 mm。

原有支護條件下，巷道支護施工6個月后，巷道下沉和收斂平均變形量超過1000 mm，而且變形量不斷增加。初次支護1年后泵房被迫返修，原有支護下交岔點變形如圖4所示。

圖4 巷道交岔點變形情況

2.2.2 原支護變形影響因素

(1)巷道埋深大，圍巖穩(wěn)定蠕變階段加長，巷道圍巖應力集中，圍巖支護讓壓變形量大，支護體強度不夠，失去自承載能力。

(2)支護設計不合理、強度不足。復合支護相互協(xié)調(diào)性差，同時U29型鋼底部不封閉，支護強度低，不能有效控制圍巖變形。

2.3 支護結構選型分析

依據(jù)工程分析，-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點圍巖荷載大，常規(guī)支護不能滿足要求。泵房斷面大，泵房通道斷面小，屬于大套小斷面形式，巷道垂直交叉開挖空間大，支護體結構與施工工藝設計更為復雜。

通過工程類比，采用鋼管混凝土組合支架組合結構進行交岔點支護設計。主要設計內(nèi)容有：

(1)選擇合理的支架組合結構形式，主要包括支架布局和交叉角度；

(2)單個支架結構設計，主要包括支架形狀設計和鋼管型號選擇；

(3)支撐架與搭接架之間的對接結構設計。

3 交岔點鋼管混凝土組合支架結構設計

3.1 交岔點支架整體結構

-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點，為兩巷道水平相交而成，交岔點為L型。交岔點支護設計采用鋼管混凝土組合支架+錨網(wǎng)噴+400 mm厚混凝土噴層。該交岔點鋼管混凝土組合支架包括1架支撐架和4架搭接架，搭接架對稱分布在支撐架軸線兩側，搭接架間距800 mm，支架平面布置如圖5所示，支架整體結構如圖6所示。各相鄰支架之間用頂桿連接，頂桿可限定支架的平面外位移，有利于交岔點支架的整體穩(wěn)定性。

圖5 交岔點支架布置示意圖

圖6 交岔點支架整體結構

3.2 支撐架結構設計

由于泵房通道斷面較小(凈寬3.8 m，凈高3.4 m)，將其作為支撐架安裝空間，可以縮小支撐架結構斷面，增加整體穩(wěn)定性，有利于保證搭接架充分發(fā)揮支撐性能。設計2架支撐架并排支護，通道最外側支撐架傾斜安裝，與搭接架斜腿傾斜角度相同，利于軸力傳遞，并盡可能降低節(jié)點彎矩。

支撐架斷面設計為直墻半圓拱形，鋼管型號?219 mm×10 mm，即外徑219 mm，壁厚10 mm。支架分為3段，鋼管內(nèi)加焊抗彎圓鋼，各段支架以接頭套管連接，支撐架頂部焊接與搭接架相連的接頭套管，連接套管型號?219 mm×10 mm，長度350 mm，支撐架結構如圖7所示。

3.3 搭接架結構設計

-1100 m中央泵房常規(guī)支架選用?194 mm×8 mm斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架，能夠保持巷道穩(wěn)定，主巷道搭接架鋼管型號仍選用?194 mm×8 mm，搭接架形狀仍為斜墻半圓拱形，支架分3節(jié)，各節(jié)之間以法蘭連接，支架端頭焊接鋼板封閉鋼管，每架支架設置注漿孔和排氣孔。搭接架共4架，搭接架以支撐架中心線對稱布置，各對支架尺寸不同，單獨設計，其中1號搭接架和2號搭接架結構相同，3號和4號結構相同，2號和3號搭接架結構如圖8所示。

圖7 泵房通道支撐架結構設計圖

圖8 中央泵房1號和4號搭接架結構設計圖

4 交岔點支架施工工藝與支護效果

4.1 交岔點支架施工工藝

交岔點支架安裝順序為：①拆除原有U型鋼支架；②擴幫至巷道所需斷面要求；③噴涂100 mm厚的混凝土噴層；④掛金屬網(wǎng)；⑤進行錨桿錨索施工；⑥反底拱錨網(wǎng)索支護；⑦安裝支撐架；⑧安裝搭接架。

交岔點支架施工工藝為：①在預定位置安裝支撐架；②由支撐架一側依次向另一側順序安裝搭接架；③調(diào)整支架，安裝頂桿，以固定支架位置；④交岔點支架安裝完成后，支架壁后空隙以木板背實；⑤使用混凝土輸送泵向支架內(nèi)灌注C40混凝土。-1100 m中央泵房-泵房通道交岔點鋼管混凝土組合支架返修后初始狀態(tài)如圖9所示。

圖9 中央泵房交岔點返修后初始狀態(tài)

圖10 -1100 m中央泵房與泵房通道交岔點支護

圖11 -1100 m中央泵房與管子井通道交岔點支護

4.2 支護效果

華豐礦-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點于2013年7月采用鋼管混凝土組合支架返修完畢。支撐架連接套管焊縫支護1年內(nèi)無可見開裂，支護3年后微開裂，采用電焊補強，保證了交岔點支架承載力。巷道交岔點頂板變形量與兩幫收斂量均低于100 mm，支護3年來巷道交岔點穩(wěn)定性良好，巷道交岔點使用情況如圖10和圖11所示。

5 結語

(1)巷道交岔點鋼管混凝土組合支架復合支護技術能夠有效控制深井軟巖巷道交岔點的大變形，支護體承載能力強。

(2)提出了適用于深井軟巖巷道交岔點的鋼管混凝土組合支架組合結構形式，采用該鋼管混凝土組合支架組合結構，易于施工、經(jīng)濟可靠，支架組合結構承載能力可得到有效保障。

(3)基于所提出的巷道交岔點鋼管混凝土組合支架組合結構，設計了-1100 m中央泵房和泵房通道交岔點的支護方案，并進行現(xiàn)場支護試驗。巷道交岔點至今穩(wěn)定性良好，能夠滿足使用要求，解決了深井軟巖巷道交岔點支護問題。