魯村煤礦井底車場鋼管混凝土支架支護應用

文增生，史春芝

(沂源縣魯村煤礦有限公司,山東 淄博 256104)

0 引言

鋼管混凝土支架由空鋼管熱煨彎曲成巷道所需斷面形狀，井下現場灌注成型，具有強大支護能力，是同類U型鋼支架的4～5倍，施工速度大于U型鋼支架[1-4]。鋼管混凝土支架的結構設計與施工工藝由中國礦業大學(北京)高延法教授提出，目前已在全國數十個礦井成功應用，取得良好效果[5-8]。其中典型的深井如華豐煤礦，采深1300多米[9]；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%[10]。

沂源縣魯村煤礦位于沂源煤田，礦井始建于1978年，年產量20萬t，采用一對斜井開拓。近年來為提高產量投建混合立井，-270m井底車場開掘中遭遇紅土巖地層，圍巖強度低，巖性較差，導致掘進緩慢，支護特別困難。

該文分析了-270m井底車場圍巖地質特征，設計了以鋼管混凝土支架為主要措施的支護方案，并進行了鋼管混凝土支架承載力計算分析。

1 -270m井底車場地質特征分析

1.1 -270m井底車場平面布置

圖1 混合井-270m井底車場平面圖

-270m井底車場埋深600m，刀形布置，車場平面布置如圖1，車場巷道已掘進一半，陰影部分為馬頭門過渡段、等待室交叉點和繞道，最后施工，斷面較大，交叉點存在，并且施工擾動較大，掘進支護將存在較大困難，準備采用鋼管混凝土支架進行支護。

1.2 -270m井底車場圍巖特征及巷道破壞分析

-270m井底車場巷道圍巖尚未成巖，巖石強度低，巷道穩定性差。經山東泰山礦產資源檢測研究院巖石力學檢測分析證實，巷道圍巖為紅色泥質粉砂巖，巖石單周抗壓強度5.9～8.2MPa，內摩擦角38.8°，凝聚力0.6MPa。圍巖中的粘土礦物含量為35.2%，巖石遇水具有一定的膨脹性。

目前馬頭門支護采用錨網噴+鋼筋混凝土砌碹，錨桿長3m，間排距為1.0m×0.8m，掛普通鋼筋網噴層，砌碹厚度600mm，中等配筋率。混合井左邊先施工，施工6個月內巷道穩定。此后混合井右邊開始施工，此時左邊混凝土開裂、片幫，并越來越嚴重。繞道采用錨噴網+29U型鋼支架支護，施工后6個月全面返修。

通過對-270井底車場圍巖特征及巷道破壞分析，其變形破壞原因主要有3點：①圍巖單軸抗壓強度低，巷道自身承載力太低；②巷道交叉布置或近距離施工擾動影響；③現有支護體強度不足，不能有效應對擾動影響。

2 -270m井底車場支護方案設計

支護方案設計原則：滿足斷面尺寸與支護強度要求；簡化設計；成本合理，施工方便，結構可靠。

-270m井底車場鋼管混凝土支架試驗段長度約40m，巷道斷面為圓形，試驗支架數量50架，支架分布如圖2，其中馬頭門過渡段支架間距0.8m，凈斷面由4.8m×4.1m遞減至3.4m×3.4m；交叉口支架間距0.75m，凈斷面3.4m×3.4m；等候室支架間距0.8m，凈斷面3.0m×3.0m；繞道支架間距0.8m，凈斷面3.4m×3.4m。

圖2 鋼管混凝土支架支護分布圖

支護以鋼管混凝土支架為主要技術手段，巷道開挖后掛網打錨桿做臨時護頂支護，然后架設鋼管支架，支架后覆蓋彩條布并全斷面布置鋼筋網，鋼管支架灌注混凝土，壁后充填混凝土，支架外噴混凝土覆蓋，完成全部支護措施。

2.1 鋼管混凝土支架設計

鋼管采用20#結構用無縫鋼管，分Φ194×8mm和Φ194×10mm規格，單位重量分別為36.7kg/m和45.4kg/m。試驗段設計有馬頭門過渡段鋼管支架設計、交叉點支架設計、等候室支架設計和繞道支架設計。

(1)馬頭門過渡段鋼管支架結構設計。支架所用鋼管型號Φ194×10mm，支架分4段，套管連接，支架間使用頂桿連接，支護長度2.4m，共4架，斷面逐漸縮小，第一架鋼管支架結構設計如圖3。

圖3 馬頭門過渡段鋼管支架設計圖

(2)交叉點鋼管支架結構設計。交叉點是支護中的難點，交叉點使用支架搭接更是難度大增。交叉點支架所用鋼管型號Φ194×10mm，交叉點長度3m，共4架搭接支架和1架支撐支架，搭接支架間距0.75m。支撐架的頂弧段和反底拱段分別焊置4對工字鋼搭接角架，搭接架頂弧段和反底拱段延長，并在延長起始點焊置工字鋼搭接角架，正好與支撐架相扣，保證緊密連接，良好傳遞壓力。搭接架分2種斷面結構，結構設計如圖4。

(3)等候室鋼管支架結構設計。等候室支架與交叉點支撐架相同，其目的是保護支撐架免受端頭效應，共同承擔交叉點壓力。支架所用鋼管型號Φ194mm×10mm，支護長度1.6m，共2架。

圖4 交叉點鋼管支架設計圖

(4)繞道鋼管支架結構設計。繞道支護長度32m，根據其他礦井施工經驗，端頭鋼管支架容易產生破壞，為避免該效應，在繞道兩端使用Φ194mm×10mm加強支架，繞道中間使用Φ194×8mm普通支架。其中加強支架6架，普通支架34架。支架結構設計如圖5。

圖5 繞道鋼管支架設計圖

(5)核心混凝土配比設計。核心混凝土設計為強度等級C40混凝土，核心混凝土基本配料為水泥、砂子和石子，同時為滿足泵送要求、減少混凝土用量加入減水劑，摻量2%；為防止混凝土干縮導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。

2.2 錨網噴支護及壁后充填設計

巷道開挖后立即對圍巖噴射30～50mm厚混凝土封閉，然后掛網打錨桿，為節省材料使用塑料網，錨桿長度3.0m，排距1000mm，頂部緊密，兩幫疏松。架設鋼管混凝土支架，在支架后鋪設彩條布與鋼筋網，鋼筋網緊貼支架，彩條布與圍巖預留200mm空間，以C40混凝土或噴漿混凝土充填。繞道綜合支護效果如圖6。

圖6 繞道綜合支護設計圖

3 鋼管混凝土支架承載能力驗算

以繞道Ф194mm×10mm鋼管混凝土支架為計算對象。鋼管選用20#結構用無縫鋼管，鋼材的屈服極限fs=215N/mm2，鋼管的橫截面積As=5778mm2。設計混凝土強度等級C40，混凝土軸心抗壓強度fc1=19.1N/mm2，鋼管內填混凝土橫截面的凈面積Ac=23767mm2。

3.1 鋼管混凝土短柱承載力

根據《現代鋼管混凝土結構(修訂版)》[11]，鋼管混凝土結構軸壓短柱極限承載力設計值為

式中：θ為套箍指標。

=2573(kN)

3.2 支架承載能力計算

根據《鋼管混凝土結構設計與施工規程》，考慮鋼管支架在壓彎時，受長細比與偏心率影響，因此計算鋼管混凝土支架的極限承載力時需要乘上相應的折減系數，因此鋼管混凝土支架的極限承載能力表示為：

Nu=φl·φe·N0=φ·N0

式中：Nu—鋼管混凝土支架的極限承載力；N0—鋼管混凝土軸壓短柱承載力；φ—折減系數；考慮長細比和偏心率的影響，折減系數取φ=0.778。

支架上部半圓拱的極限承載平衡方程為：

Nu=φlφθN0=φN0=2573×0.78=2001kN

因此Ф194×10mm鋼管混凝土支架承載能力為2001(kN)，約200t。

3.3 支架支護反力計算

圖7 鋼管混凝土支架結構力學模型

巷道中鋼管混凝土支架結構力學模型如圖7。根據該力學模型，馬頭門處鋼管混凝土支架支護反力為：

式中：S—支架間距，0.8m；R—巷道計算半徑，2.23m；σ0—支架的支護反力；Nu—支架極限承載力。求出鋼管混凝土支架的支護反力為：σ0=1.14MPa

同理對目前使用的U29型鋼支架進行計算得支護反力為0.28MPa。鋼管混凝土支架的承載能力是U29型鋼支架的4倍，與U29型鋼支架支護間距相同，可以滿足巷道穩定要求。

4 結論

以魯村煤礦-270m井底車場為工程背景，分析了圍巖地質特征，提出基于鋼管混凝土支架的綜合支護方案，并對繞道鋼管混凝土支架進行了承載能力計算分析。

(1)-270m井底車場圍巖主要泥質粉砂巖，巖石強度低，承載能力差，現有錨網噴+U29型鋼支架支護和錨網噴+混凝土砌碹支護不能滿足支護要求，需要提高支護反力。

(2)-270m井底車場巷道斷面全部為圓形，支護布置分4段：馬頭門過渡段，支架型號Ф194mm×10mm，間距0.8m，4架；交叉口，支架型號Ф194mm×10mm，間距0.75m，搭接架3架，支撐架1架；等候室，支架型號Ф194mm×10mm，間距0.75m，2架；

繞道，兩端加強支架型號Ф194mm×10mm，中間普通支架型號Ф194mm×8mm，間距0.8m，加強支架6架，普通支架34架。

(3)繞道鋼管混凝土支架承載力驗算得出Ф194×10mm支架支護反力為1.14MPa，是U29型鋼支架4倍，滿足巷道支護要求。

參考文獻：

[1] 高延法,王波,李冰，等.深井軟巖巷道鋼管混凝土支架支護實驗研究[A]//全國沖擊地壓研討會暨2008全國煤礦安全、高效、潔凈開采技術新進展研討會論文集[C].2008:333-338.

[2] 高延法,王波,曲廣龍，等.鋼管混凝土支架力學性能實驗及其在巷道支護中的應用[A]//第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會[C].2009,C15-1-10.

[3] 高延法,王波,王軍，等.深井軟巖巷道鋼管混凝土支護結構性能試驗及應用[J].巖石力學與工程學報,2010，29(增1):2604-2609．

[4] 牛學良.深井軟巖巷道穩定性控制理論與技術研究[D].山東科技大學，2008.

[5] 王波.軟巖巷道變形機理分析與鋼管混凝土支架支護技術研究[D].中國礦業大學(北京)，2008:8-9.

[6] 李冰.深井軟巖巷道鋼管混凝土支架支護穩定性分析及工程應用[D].中國礦業大學(北京)，2009:46-65.

[7] 張長福.動壓軟巖巷道鋼管混凝土支架支護性能與經濟效益分析[D].中國礦業大學(北京)，2010.

[8] 王軍,田英楠,韓立強，等.鋼管混凝土支架附著式振動器[J].煤礦機械，2010,31(6):130-133.

[9] 王軍.華豐煤礦深井巷道鋼管混凝土支架支護技術研究[D].中國礦業大學(北京)，2011.

[10] 文增生，張宗坤，單吉成.沂源魯村煤礦千米混合立井圍巖穩定性分析與施工措施[J].山東國土資源，2010，26(12)：15-17.

[11] 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構[M].北京:人民交通出版社，2007.