鋼管混凝土支架在江源煤業設計應用

張玉良++劉新坤

摘 要：吉林江源煤業-700膠帶機下山巷道處于應力集中區域，前期掘進的機軌合一巷道圍巖變形嚴重，表現為斷面縮小、錨索拉斷、底鼓嚴重、U型鋼支架破壞嚴重，對新掘巷道機軌合一大巷采用了鋼管混凝土支架支護，文中介紹了其支護原理、支護特點、支護能力及方案設計、工藝過程等。目前支架已經開始承載，根據支架監測結果，表明支架完好，巷道穩定。

關鍵詞：應力集中區 鋼管混凝土支架支護 支護能力 支護原理

中圖分類號：TD322 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0089-02

1 工程概述

吉林江源煤業有限責任公司位于吉林省白山市江源區砟子鎮轄區之內。地處吉林省白山市通化礦區中部，西南距白山市11.6 km，東北距江源區4 km。井田走向長3.0 km，傾斜寬2.0 km，面積6.0 km2。吉林江源煤業有限責任公司于2007進行了改擴建，改擴建后礦井的產煤能力由120萬 t/年提高為180萬 t/年。2011年年核定生產能力為300萬 t。

目前，吉林江源煤業有限責任公司生產水平分別為-400水平和-600水平水力采煤區及深部-800水平綜采區。深部采區距地面1320 m。其井田總體構造形態為軸向北東，西部抬起，向東傾伏的不對稱向斜構造。向斜北翼陡，地層傾角60～80 °，向中部漸變平緩，傾角10～30 °。向斜南翼倒轉，倒轉軸與向斜軸略有交角。江源井田煤系地層主要為上石碳系太原組（C3t）和下迭系山西組（P1s），其中1、4、6三個煤層全區發育是主要可采煤層。

鋼管混凝土支架使用地點為-700膠帶機下山-724 m標高以下處。支護長度為60米。-700膠帶機下山是江源煤業深部延深工程的主要運輸巷，位于向斜軸北翼，巷道坡度為-20 °在膠帶機下山掘至-700標高時，從巖性上判斷以從本溪統進放煤系地層。（太原組）掘至-724 m標高時受f12斷層影響，進入N6層煤（f12正斷層，落差3.0 m，傾角為70 °）。（圖1）

巷道離向斜軸和煤層的距離較小，位于應力集中地帶，巷道圍巖壓力大，易發生嚴重變形破壞，主要表現為巷道斷面縮小、 錨索和錨桿破壞、底鼓嚴重、U型鋼支架破壞等（圖2）。保證不了安全生產。[1][2] [3]

2 鋼管混凝土支架支護技術概述

在鋼管外殼內填裝混凝土即成鋼管混凝土，鋼管混凝土的的工作原來為：混凝土受鋼管外殼的約束，從而具有更高的抗壓強度。鋼管混凝土支架是由中國礦業大學（北京）的高延法[4]教授發明，在深井軟巖巷道支護工程中已成功應用，其主要優點有：

（1）鋼管混凝土支架的承載能力大幅提升，實驗室數據顯示，相同斷面的鋼管混凝土支架承載能力達210 t，而U型鋼支駕承載能力為40～50 t，可見，相同斷面的鋼管混凝土支架承載能力達相同重量U型支架的3-5倍。

（2）相較于U型鋼支架支護，鋼管混凝土支架支護速度更快，且支架注漿、支架安裝可平行作業，對支護速度沒有影響。

（3）鋼管混凝土支架支護可預留變形層，使得圍巖可以讓壓變形。

（4）鋼管混凝土支架支護總成本較低：雖然鋼管混凝土支架加工的成本增加約20%，但期承載能力大大提升，且巷道無需返修，因此，與U型鋼支護相比，在考慮巷道返修等成本因素下，鋼管混凝土支架支護總成本較低。

基于鋼管混凝土支架的各項優點，鋼管混凝土支架已被成功用于中煤集團平朔分公司井工三礦、河北金能集團金牛股份邢東礦、長治三元集團黃山煤業有限公司、沈煤集團清水礦、黑龍江鶴崗礦業公司、新汶礦業集團華豐煤礦、鶴煤集團三礦等。

3 鋼管混凝土支架在江源煤業的應用

3.1 鋼管混凝土支架支護方案

（1）鋼管混凝土支架應用于江源煤業-700膠帶機下山近煤的應力集中區范圍，巷道長度約60 m，共安設鋼管混凝土支架60架，支架間距為0.7 m。

（2）鋼管支架型號設計

根據目前河北金能集團金牛股份邢東礦工程類比預估支架型號應該為Φ194×8（36.7 kg/m）。

（3）鋼管支架結構設計

支架分為四段，套管連接。支架間距為0.7 m，支架之間頂桿連接。支架頂桿采用Φ76×5的鋼管混凝土短桿，頂桿間距1.5～1.8 m，能夠有效防止支架發生壓桿失穩。

（4）鋼管支架間連接設計

根據目前河北金能集團金牛股份邢東礦支護工程對比，鋼管支架間距設為700 mm，支架間連接采用頂桿，頂桿長度500 mm。鋼管混凝土支架支護斷面如（圖3）所示。

3.2 支架承載力計算

（1）支架短柱承載能力計算，支架鋼管型號為Ф194×8，鋼管選用20號鋼，鋼材的屈服極限鋼管混凝土結構軸壓短柱極限承載力設計值為N0：

式中套箍指標為：

（2）支架承載能力計算，鋼管混凝土支架的極限承載能力表示為。

—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；考慮長細比和偏心率的影響，折減系數取=0.8。

支架上部半圓拱的極限承載平衡方程為：=2521.3×0.8=2017（kN）

即：支架承載能力為2017kN，約202噸。

（3）支架支護支撐力計算，巷道中鋼管混凝土支架結構力學模型如（圖3）。

根據該力學模型，支架支護支撐力為：

S—支架間距，0.8 m；R—巷道計算半徑，2.3 m；—支架的支護反力；—支架極限承載力。

由式求出鋼管混凝土支架的支護支撐力力為：=1.1 MPa。

3.3 施工工藝

（1）基本工藝流程，巷道開幫挑頂初噴30 mm厚的水泥砂漿層錨桿支護、安裝空鋼管支架、支架內灌混凝土等工藝。endprint

（2）支架內灌混凝土及灌注工藝，鋼管內混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石。細骨料選用河砂。摻入早強減水劑和鋼纖維為波紋狀。[5]混凝土配比與材料用量見表2。

混凝土灌注工藝：

①每安裝5架～10架空鋼管支架后，進行混凝土注漿一次。

②首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15～20 min。

③第一次使用混凝土輸送泵應先泵送少許水泥砂漿潤滑管路。

④混凝土每次攪拌1 m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發現料斗下料速度變慢及時反泵數下，防止堵塞管路，并且應該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節約時間，防止混凝土凝固。

⑥注漿結束前，需頂部排漿孔流出約1水桶混凝土作為結束標識點。

⑦注漿完畢后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。

⑧對管路進行沖洗，然后停止供水、供電，然后拆卸管路。

3.4 支架監測

每隔5架為一監測點，利用感官目測和收斂儀對鋼管混凝土支架支護進行監測支架的變形量，通過監測鋼管混凝土支架支護無明顯變形。-700膠帶機下山鋼管混凝土支架支護施工工藝較簡單，施工速度較快。正在進行支架監測工作，待巷道圍巖變形與支架接觸后進行復噴混凝土工作。鋼管混凝土支架支護效果如圖5所示。

4 結語

（1）-700膠帶機下山處于近煤應力集中區，前期掘進采用錨網噴支護和U型鋼支架支護方式，巷道破壞嚴重，巷道斷面縮小、 底鼓嚴重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。翻修次數多，投入成本高。

（2）-700膠帶機下山應力集中區域新掘巷道采用鋼管混凝土支架支護，施工長度 60 m，支架型號為φ194×8 mm，支架間距0.7 m，支架支護反力為1.1 MPa。目前-700膠帶機下山鋼管混凝土支架已經開始承載，巷道圍巖變形控制在預留變形量范圍內，支架完好，無變形破壞，巷道穩定。

（3）鋼管混凝土支架支護與錨網噴支護和U型鋼支架支護方法相比，鋼管混凝土支架支護后，巷道穩定性良好，支架沒有明顯變形。維護量小。不足的是鋼管混凝土支架，一次性投入成本比錨網噴支護和U型鋼支架支護成本高，只適用于服務年限長的永久巷道。

參考文獻

[1] 陳為高，周建軍石.基于圍巖松動圈理論的中等穩定巖石支護技術實踐[J].科園月刊，2011（1）：58.

[2] 郭天福，騰文虎.基于松動圈圍巖支護理論的軟巖巷道返修錨網支護技術設計[C]//.中國煤炭學會煤礦安全專業委員會2009年學術研討會論文.2009：145-146，148.

[3] 周華強.約束與穩定巷道圍巖的支護理論（英）[J].巖石力學與工程學，2002，21（4）：615.

[4] 韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐[M].北京：科學出版社，2007.

[5] 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構（修訂版）[M].北京：人民交通出版社，2007.endprint

（2）支架內灌混凝土及灌注工藝，鋼管內混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石。細骨料選用河砂。摻入早強減水劑和鋼纖維為波紋狀。[5]混凝土配比與材料用量見表2。

混凝土灌注工藝：

①每安裝5架～10架空鋼管支架后，進行混凝土注漿一次。

②首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15～20 min。

③第一次使用混凝土輸送泵應先泵送少許水泥砂漿潤滑管路。

④混凝土每次攪拌1 m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發現料斗下料速度變慢及時反泵數下，防止堵塞管路，并且應該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節約時間，防止混凝土凝固。

⑥注漿結束前，需頂部排漿孔流出約1水桶混凝土作為結束標識點。

⑦注漿完畢后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。

⑧對管路進行沖洗，然后停止供水、供電，然后拆卸管路。

3.4 支架監測

每隔5架為一監測點，利用感官目測和收斂儀對鋼管混凝土支架支護進行監測支架的變形量，通過監測鋼管混凝土支架支護無明顯變形。-700膠帶機下山鋼管混凝土支架支護施工工藝較簡單，施工速度較快。正在進行支架監測工作，待巷道圍巖變形與支架接觸后進行復噴混凝土工作。鋼管混凝土支架支護效果如圖5所示。

4 結語

（1）-700膠帶機下山處于近煤應力集中區，前期掘進采用錨網噴支護和U型鋼支架支護方式，巷道破壞嚴重，巷道斷面縮小、 底鼓嚴重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。翻修次數多，投入成本高。

（2）-700膠帶機下山應力集中區域新掘巷道采用鋼管混凝土支架支護，施工長度 60 m，支架型號為φ194×8 mm，支架間距0.7 m，支架支護反力為1.1 MPa。目前-700膠帶機下山鋼管混凝土支架已經開始承載，巷道圍巖變形控制在預留變形量范圍內，支架完好，無變形破壞，巷道穩定。

（3）鋼管混凝土支架支護與錨網噴支護和U型鋼支架支護方法相比，鋼管混凝土支架支護后，巷道穩定性良好，支架沒有明顯變形。維護量小。不足的是鋼管混凝土支架，一次性投入成本比錨網噴支護和U型鋼支架支護成本高，只適用于服務年限長的永久巷道。

參考文獻

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[4] 韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐[M].北京：科學出版社，2007.

[5] 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構（修訂版）[M].北京：人民交通出版社，2007.endprint

（2）支架內灌混凝土及灌注工藝，鋼管內混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑≤20 mm的碎石。細骨料選用河砂。摻入早強減水劑和鋼纖維為波紋狀。[5]混凝土配比與材料用量見表2。

混凝土灌注工藝：

①每安裝5架～10架空鋼管支架后，進行混凝土注漿一次。

②首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15～20 min。

③第一次使用混凝土輸送泵應先泵送少許水泥砂漿潤滑管路。

④混凝土每次攪拌1 m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發現料斗下料速度變慢及時反泵數下，防止堵塞管路，并且應該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節約時間，防止混凝土凝固。

⑥注漿結束前，需頂部排漿孔流出約1水桶混凝土作為結束標識點。

⑦注漿完畢后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。

⑧對管路進行沖洗，然后停止供水、供電，然后拆卸管路。

3.4 支架監測

每隔5架為一監測點，利用感官目測和收斂儀對鋼管混凝土支架支護進行監測支架的變形量，通過監測鋼管混凝土支架支護無明顯變形。-700膠帶機下山鋼管混凝土支架支護施工工藝較簡單，施工速度較快。正在進行支架監測工作，待巷道圍巖變形與支架接觸后進行復噴混凝土工作。鋼管混凝土支架支護效果如圖5所示。

4 結語

（1）-700膠帶機下山處于近煤應力集中區，前期掘進采用錨網噴支護和U型鋼支架支護方式，巷道破壞嚴重，巷道斷面縮小、 底鼓嚴重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。翻修次數多，投入成本高。

（2）-700膠帶機下山應力集中區域新掘巷道采用鋼管混凝土支架支護，施工長度 60 m，支架型號為φ194×8 mm，支架間距0.7 m，支架支護反力為1.1 MPa。目前-700膠帶機下山鋼管混凝土支架已經開始承載，巷道圍巖變形控制在預留變形量范圍內，支架完好，無變形破壞，巷道穩定。

（3）鋼管混凝土支架支護與錨網噴支護和U型鋼支架支護方法相比，鋼管混凝土支架支護后，巷道穩定性良好，支架沒有明顯變形。維護量小。不足的是鋼管混凝土支架，一次性投入成本比錨網噴支護和U型鋼支架支護成本高，只適用于服務年限長的永久巷道。

參考文獻

[1] 陳為高，周建軍石.基于圍巖松動圈理論的中等穩定巖石支護技術實踐[J].科園月刊，2011（1）：58.

[2] 郭天福，騰文虎.基于松動圈圍巖支護理論的軟巖巷道返修錨網支護技術設計[C]//.中國煤炭學會煤礦安全專業委員會2009年學術研討會論文.2009：145-146，148.

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[4] 韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐[M].北京：科學出版社，2007.

[5] 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構（修訂版）[M].北京：人民交通出版社，2007.endprint