查干淖爾一號井主斜井支護技術研究

毛永江，李少華，王海彬

(中煤礦山建設集團第三十工程處，安徽 宿州 234000)

1 工程概況

查干淖爾一號井主斜井泥巖段軟巖含有較高的蒙脫石、伊利石、高嶺石等，巖土吸水膨脹性極強，圍巖的強度極低，圍巖變形非常強烈，主要表現為：①巷道收斂量大，甚至整個巷道封閉；②巷道收斂速度快，高達每天幾十毫米；③持續時間長，一般持續幾個月。進入泥巖段后采取剛性支架+泡沫板+網噴+砌碹支護方式，一個月后巷道變形達到1～2m。泥巖段巷道先后采用16#工字鋼和U36型鋼支架返修3次，但均宣告失敗，耗費了大量的人力、物力和財力，嚴重影響了工程進度，給整個礦井的整體建設帶來嚴重影響。鑒于此，通過組織專家現場論證，參考相關專家研究成果[1-6]，決定采用強度較高的鋼管混凝土支架進行支護。

2 泥巖段鋼管混凝土支架支護方案

巷道斷面形狀采用淺底拱圓形，巷道掘進斷面：寬×高=6800mm×5850mm。使用鋼管混凝土支護后巷道斷面：凈寬×凈高=5000mm×3928mm，支架間距500mm，二次成巷時，在鋼管混凝土支架上使用Φ6.5mm盤圓制作的鋼筋網，噴漿厚度100mm，巷道鋪底采用鋼筋混凝土，鋼筋規格為Φ20mm，間排距為200mm×200mm，鋪底厚為1228mm，噴射混凝土強度為C25，鋪底混凝土強度為C40。支護斷面如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土支架支護斷面圖

施工流程：

安全檢查(如敲幫問頂)→開始人工風鎬自上而下擴刷至設計斷面→初噴30～50mm成形，做好臨時支護→鋪設5mm厚鋼板、下底梁，架棚腿、棚梁、上拉桿、鋼板網和強力抗拉網→頂、幫充填→初噴至與支架平行→下一循環作業。

架設3架后開始鋼管混凝土支架注漿→滯后迎頭3m(或6d左右)扎鋼筋、鋪底→滯后迎頭5m(或10～15d左右)掛內層金屬網復噴→頂、幫部壁后注漿。

3 支架承載力計算

3.1 支架短柱承載能力計算

支架鋼管型號為Ф194mm×10mm，鋼材的屈服極限fs=215N/mm2，鋼管的橫截面積As=5778mm2。設計混凝土型號C40，混凝土軸心抗壓強度fc1=19.1N/mm2，混凝土中加入鋼纖維，強度增加30%，加入鋼纖維的核心抗壓強度為fc=25N/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)》，鋼管混凝土結構軸壓短柱極限承載力設計值N0為：

(1)

式中，套箍指標θ為：

將相關參數代入得

N0=2828kN

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》(CECS28：90)，考慮鋼管支架在壓彎時，受長細比與偏心率影響，考慮相應的折減系數，極限承載能力表

示為：

Nu=φl·φe·N0=φ·N0

(2)

式中:Nu為鋼管混凝土支架的極限承載力；N0為鋼管混凝土軸壓短柱承載力；φ為折減系數；考慮長細比和偏心率的影響，折減系數取φ=0.78。

支架上部半圓拱的極限承載能力為：

Nu=2206kN

即支架承載能力為2206kN，約220t。

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2所示。

圖2 鋼管混凝土支架結構力學模型

根據該力學模型，支架受力平衡方程為

(3)

式中：S為支架間距，取0.5m；R為巷道計算半徑，2.947m；σ0為支架的支護反力；Nu為支架極限承載力。

代入相關參數獲得鋼管混凝土支架的支護反力為：σ0=1.5MPa。

即支架間距0.5m時支護反力為1.5MPa。

4 鋼管混凝土支架支護現場監測

在主斜井204～244m段鋼管混凝土支架施工過程中布置6個位移觀測點，巷道變形量測量點布置示意圖如圖3所示，觀測內容包括兩幫、頂板和底板位移量，兩幫通過絕對位移進行觀測，頂板通過激光確定位移量，底板通過腰線確定位移量，圍巖相對變化速率、變化量，判斷支護效果和圍巖的穩定狀況，為完善支護參數提供依據。

圖3 巷道變形量測量點布置示意圖

在斜巷布置的6個表面位移觀測點，并進行定期觀測，記錄觀測結果。從中選擇2#測點對其觀測數據進行整理分析，繪制巷道變形特征曲線如圖4所示。

圖4 巷道變形關系曲線

由圖4知，頂板最大下沉量18mm，兩幫最大移近量33mm，底板最大上臌量24mm；變形速度較大的是兩幫9mm/d，總體變形量和變形速度不大，兩幫和頂板3～10d變形明顯；因施工工序復雜，進度較慢，每天只能架設一架棚，通常掘進6架棚后開始鋪底，因此底臌量于1～6 d變化較快，待澆筑混凝土后3d底臌變化趨勢較小。

從巷道總體變形看基本沒有出現明顯變形加速，從兩幫和頂板變化位移來看，出現明顯加速時間是巷道開掘3～10d后，底臌加速開始于巷道開掘1～6d，巷道整體到28d之后趨于平穩。因此，在巷道開掘3～10d范圍內進行壁后注漿加固，不僅可以避免巷道出現加速變形，而且可以將空隙充填密實，將圍巖和鋼管混凝土支架形成一個整體(避免因某一部位有空隙使得支架受力失穩造成破壞)，取得良好效果。

根據近3個月的測量觀測，巷道變形已經趨于穩定，到目前近半年的時間已無變化，鋼管混凝土支架沒有明顯變形。巷道變形達到穩定，巷道尺寸滿足生產要求，至今運行良好，這說明采用鋼管混凝土支架的高強度支護和及時的壁后注漿措施極大的降低巷道兩幫收斂、頂板下沉和底板鼓起，有利于巷道圍巖的穩定。

5 主要結論

查干淖爾一號井煤礦主斜井巷道泥巖段原采用剛性支架+雙層泡沫板+網噴+砌碹聯合支護方式，巷道破壞嚴重，表現為巷道斷面縮小、底臌嚴重、剛性支架變形和混凝土破碎等。采用鋼管混凝土支架支護后，施工長度40m，支架型號為Φ194mm×10mm，支架間距0.5m，支架支護反力為1.5MPa，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，說明鋼管混凝土支架能夠滿足現場泥巖段的支護要求。

[1] 高延法等.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(5)：2604-2609.

[2] 吳志杰等.高應力軟巖巷道支護技術[J].煤炭技術，2008，27(7)：72-73.

[3] 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)：65-68

[4] 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].北京：中國礦業大學(北京)，2008.

[5] 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].北京：中國礦業大學(北京)，2009.

[6] 張曉鳳,顏偉.鋼管混凝土支架在華豐煤礦深井支護中的應用[J].煤礦機械，2011，32(7)：194-196.