唐陽礦深部巷道鋼管混凝土支架工程應用實踐

董博+丁厚剛+李純偉+桑廣合

摘 要：唐陽煤礦二采區南部皮帶下山地質條件復雜，巷道變形嚴重，應用鋼管混凝土支架進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行抗彎強化，接頭套管型號Φ223×10，對鋼管混凝土支架施工工藝進行了詳細介紹，工程監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問題，具有突出的承載力優勢。

關鍵詞：深部巷道；巷道支護；鋼管混凝土支架；施工工藝

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

鋼管混凝土材料具有優良承壓性能，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]，鋼管混凝土支架應用煤礦可以解決深井巷道難支護問題，目前已在全國二十多個礦井成功應用，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，煤質良好，年產120萬噸。隨著礦井開采深度增加，斷層構造等復雜地質增多，巷道支護難度越來越大，本文以二采區南部皮帶下山返修支護為例，詳細論述鋼管混凝土支架在深井巷道支護中的工程實踐過程。

1 二采區南部皮帶下山原有支護分析

1.1 二采區南部皮帶下山地質分析

二采區南部皮帶下山埋深-618.4～-720m，位于SF15斷層東部，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，基本頂為細粒砂巖厚約5.4m；直接底板為泥巖，厚約0.57m；基本底為細粒砂巖，厚約4.23m。

對二采區南部皮帶下山粉砂巖和細粒砂巖進行力學性能和水理性質測試，測試結果如表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 二采區南部皮帶下山原有支護破壞分析

二采區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#鍍鋅鐵絲作為聯鎖使用，2016年10月份二采區南部皮帶下山出現較大變形，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，地壓顯現較明顯，巷道圍巖偏于軟弱；（2）巷道經歷多次返修導致淺部圍巖裂隙充分發育，承載能力下降；（3）現有支護體強度不足，不能有效應對擾動影響。

2 二采區南部皮帶下山支護方案設計

根據二采區南部皮帶下山相關資料，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，鋼管支架灌注混凝土，壁后掛網噴射混凝土，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，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，接頭套管采用熱擴成型，匹配支架。

2.2 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，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，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#結構用無縫鋼管的屈服極限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。

根據《現代鋼管混凝土結構（修訂版）》[1]，鋼管混凝土結構軸壓短柱極限承載力設計值為

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：

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；考慮長細比和偏心率的影響，折減系數取=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 支架支護反力計算

巷道中鋼管混凝土支架結構力學模型如圖4。

根據該力學模型，二采區南部皮帶下山鋼管混凝土支架支護反力為：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反力為：

=1.54MPa。

同理對目前使用的11#礦用工字鋼支架進行計算得支護反力為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工藝可概括為三步法：地面加工、井下安裝、現場灌注。

4.1 空鋼管支架安裝工藝

對井下安裝和現場灌注工作的安裝步驟進行嚴格控制，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。

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，空載試運行，準備混凝土原材料；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志；⑥灌注結束后先停止泵送，然后關閉閘閥，拆卸管路，封堵排漿孔。連接下一架，繼續灌注。

5 鋼管混凝土支架支護監測

支護完成后，對二采區南部皮帶下山進行三個月的巷道表面收斂監測，監測表明巷道頂底板相對位移量極值為75mm，而兩幫相對位移量極值為60mm，均滿足巷道圍巖穩定的要求。通過支護前后的巷道變形對比表明，鋼管混凝土支架支護效果明顯好于原支護方案，維持了二采區南部皮帶下山巷圍巖的穩定。

6 主要結論

本文以唐陽煤礦二采區南部皮帶下山為工程背景，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，對鋼管混凝土支架進行了承載能力計算分析，詳細論述了鋼管混凝土支架施工工藝。得到如下結論：

（1）二采區南部皮帶下山圍巖主要泥質粉砂巖，巖石強度低，承載能力差，，巷道破壞嚴重，常規的錨網噴支護和礦用工字鋼支架已不能滿足支護要求。

（2）鋼管混凝土支架結構合理，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，滿足巷道支護要求。

（3）二采區南部皮帶下山采用鋼管混凝土支架返修后支護穩定，整體效果優異，體現了鋼管混凝土支架支護的優越性。

參考文獻

[1]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.

[2]韓林海.鋼管混凝土結構- 理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[3]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[J].見：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.

[4]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].見：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.

[5]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）S1：2604～2609.

[6]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.

[7]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.

[8]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.

[9]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.endprint