鋼管混凝土支架支護設計與應用①

王 思 申 磊 劉國磊

(1.冀中能源峰峰集團，河北邯鄲 056002;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

鋼管混凝土支架支護設計與應用①

王 思1②申 磊1劉國磊2

(1.冀中能源峰峰集團，河北邯鄲 056002;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

冀中能源峰峰集團大淑村礦東一采區-450m水平新東翼皮帶巷和軌道巷均處于172102工作面停采保護煤柱下方，處于應力集中區域，前期開挖的軌道巷圍巖變形嚴重，表現為:斷面縮小、底鼓嚴重、錨索拉斷、U型鋼支架破壞;對新掘皮帶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，根據支架載荷監測結果，表明支架完好，巷道穩定。

應力集中區;鋼管混凝土支架;支護

1 工程背景

冀中能源峰峰集團大淑村礦井田位于峰峰礦區東北部，地處河北省武安市、磁縣和峰峰礦區接壤地帶，行政區劃屬武安市所轄。井田東西走向長4.8 km，南北平均寬約 2.0 km，礦區面積9.7568km2。礦井于2003年12月23日正式投產，設計年生產能力90萬噸，2006年生產能力核定為125萬噸/年。目前大淑村礦生產水平為-450m，分東一、西二兩個生產采區，東三、南四兩個開拓準備采區。

鋼管混凝土支架使用地點位于大淑村礦東一采區-450水平新東翼皮帶巷進入采空泄壓區的巷道內，長度為70m，如圖1所示。

圖1 新東翼皮帶巷位置及鋼管混凝土支架支護段位置

新東翼皮帶巷位于東一上山采區內，北部為172101及174101工作面采空區，南部為東翼大巷保護煤柱，西部為東一采區上山保護煤柱，東部為172102采空區，該段巷道內2#及4#煤層均未開采，巷道所處位置臨近采空泄壓區，屬于應力集中區。

巷道施工涉及到的地層為二疊系山西組及石炭系太原組地層，綜合柱狀圖如圖2所示。二疊系山西組地層巖性以粉砂巖、砂巖及煤層為主，石炭系太原組地層巖性以粉砂巖、砂巖、煤層、石灰巖為主，東翼大巷大部分段在該組地層中施工。

圖2 綜合柱狀圖

該區域地質構造以77孔背斜及由其產生的向北延展的次生背斜為主要構造。77孔背斜軸向近南北向，背斜西翼煤巖層走向北東40°～60°，傾向北西，傾角5°～16°，一般 9°。背斜東翼煤巖層走向南東，傾向北東，傾角3°～24°，接近次生背斜附近煤巖層呈近水平。斷裂構造是該區域的次要構造，斷裂構造以北東走向為主間或有北西走向，傾向以南東向為主，斷裂構造均為正斷層。經開采證實該區域節理發育方向以北東向為主。

由于巷道處于應力集中區，巷道圍巖壓力大，變形破壞嚴重。新東翼軌道巷與新東翼皮帶巷地質條件相近，主要采用傳統的錨網噴+U型鋼支架支護方式，巷道破壞嚴重，主要表現為巷道斷面縮小、底鼓嚴重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。

2 鋼管混凝土支架支護技術概述

鋼管混凝土是在鋼管外殼內填裝混凝土組成的現代構件。其工作原理:鋼管殼約束作用使混凝土處于三向受壓狀態，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度，內填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。

鋼管混凝土支架是由中國礦業大學(北京)的高延法教授發明并成功應用到深井軟巖巷道支護中，為解決深井軟巖巷道支護問題開辟一條新的途徑。

鋼管混凝土支架支護技術的主要優點有:

1)鋼管混凝土支架的承載能力是相同重量U型鋼支架的2～5倍。(根據實驗室試驗，相同斷面的鋼管混凝土支架承載能力為210 t，U29型鋼支架承載能力約為40t，U36型鋼支架承載能力約為50t)

2)鋼管混凝土支架支護的成巷速度，比U型鋼支架支護快:支架注漿工藝滯后于支架安裝，平行作業，不影響支護速度。

3)鋼管混凝土支架支護巷道圍巖可以讓壓變形:鋼管混凝土支架支護可預留變形層，盡管支架不變形，但圍巖可以讓壓變形。

4)鋼管混凝土支架支護總成本較低:盡管支架加工要增加約20%的成本，但鋼管混凝土支架承載能力強，性價比高，巷道不用返修，如果考慮到巷道返修成本等，與U型鋼支護相比總成本較低。

由于鋼管混凝土支架的突出優點，目前已經成功應用于黑龍江鶴崗礦業公司、新汶礦業集團華豐煤礦、中煤集團平朔分公司井工三礦、沈煤集團清水礦、長治三元集團黃山煤業有限公司、鶴煤集團三礦等。

3 鋼管混凝土支架支護技術在大淑村礦的應用

3.1 鋼管混凝土支架支護方案

鋼管混凝土支架應用于大淑村礦新東翼皮帶巷的應力集中區范圍，應力集中區巷道長度約70m，共安設鋼管混凝土支架88架，支架間距為0.8m。鋼管混凝土支架支護斷面如圖3所示，詳細支護參數見表1。

圖3 巷道鋼管混凝土支架支護斷面圖

表1 新東翼皮帶巷應力集中區支護參數表

3.2 鋼管混凝土支架支護能力計算

鋼管混凝土支架采用20號無縫鋼管，鋼管混凝土支架的彎曲半徑為2200 mm，計算參數見表2。

表2 鋼管混凝土支架計算參數

Φ194×8鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力計算如下:

鋼管截面積為:混凝土截面積為:

鋼管混凝土結構軸壓短柱極限承載力設計值為:套箍系數:將有關參數代入公式(1)得:

鋼管混凝土支架支護反力計算:

新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架處于四面來壓狀態，其中頂部變形較為為嚴重，選擇頂部半圓拱作為計算研究對象。頂部半圓拱兩端簡化為固定絞支座，假設圍巖對支架頂拱施加均布圍壓，如圖4所示。

圖4 鋼管混凝土支架計算模型

支護反力計算如下:

式中:s—支架間距，設為0.8m;σ—支架支護反力;R—支架半徑;

N0—鋼管混凝土軸壓穩定承載力。代入(2)，計算得，σ =1.24MPa。

考慮彎曲效應對鋼管混凝土柱影響系數δ1，參考實驗室結果與理論計算，取δ1=1.05。考慮支架尺寸與結構效應的折減系數δ2，根據實驗室多次弧墻半圓拱支架的測試結果知，弧墻半圓拱加反底拱時的折減系數較大，初步確定δ2=0.8。所以，新東翼皮帶巷φ194×8 mm鋼管混凝土支架的支護力為 σ'= δ1δ2σ =1.04MPa。

3.3 施工工藝

基本工藝流程:巷道開幫挑頂初噴100mm厚混凝土層錨桿支護安裝空鋼管支架鋼管支架灌注混凝土等待圍巖變形至與支架接觸，復噴50 mm厚混凝土層。

3.4 支架載荷監測

每隔10架支架在支架直墻段安設支架載荷監測裝置，如圖5所示，采用千分尺監測測量懸臂的兩端頭移近量δ，測量精度10-6mm，根據實驗室測得的鋼管混凝土短柱彈性模量E，由N=δE即可得到支架載荷值。

圖5 支架荷載監測裝置

東一采區-450m水平新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架支護施工工藝較簡單，施工速度較快。正在進行支架載荷監測工作，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6所示。

圖6 新東翼皮帶巷鋼管混凝土支架支護效果

4 結語

1)新東翼軌道巷與新東翼皮帶巷地質條件相近，均處于應力集中區，軌道巷錨網噴+U型鋼支架支護方式，巷道破壞嚴重，表現為巷道斷面縮小、底鼓嚴重、錨索和錨桿破壞、U型鋼支架破壞等。

2)東一采區-450m水平新東翼皮帶巷應力集中區域采用鋼管混凝土支架支護，施工長度70 m，支架型號為φ194×8mm，支架間距0.8m，支架支護反力為1.04MPa。

3)目前東一采區-450m水平新東翼皮帶巷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。

［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，2007

［3］ 陳為高，周建軍.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

［4］ 郭天福，滕文虎.基于松動圈圍巖支護理論的軟巖巷道返修錨網支護設計［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

［5］ 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

Design and application of supporting for the stand of concrete-filled steel tube

WANG Si1，SHEN Lei1，LIU Guolei2

(1.Jizhong Energy Fengfeng Group，Handan Hebei056002;2.College of Mechanics and Architectural Engineering in China University of Mining and Technology，Beijing 100083)

New east flank belt lane and orbit lane of-450m horizon in east-one working area of Dashu county mine in Jizhong Energy Fengfeng Group are both in the region of stress concentration，and below the mining-stopped protecting coal pillar of 172102 working face.The wall rock of the premining orbit lane is distorted significantly，marked by shrinking section，serious floor heave，broken anchor cable and destroyed steel stand of U-shaped.Stand supporting of concrete-filled steel tube is used in the new-mined belt lane and its principle，charicteristic and ability of supporting，as well as its plan design and technological processes are introduced.At present，the stand has been in use.According to the monitoring result of stand load，the stand is in good order and the lane is stable.

the region of stress concentration;stand of concrete-filled steel tube;support

TD353+.3

A

1672-7169(2012)01-0050-05

2011-09-30

王思(1970- ):男，河北臨章人，采礦工程師，冀中能源峰峰集團公司大淑村礦安全副礦長。