深井軟巖巷道鋼管混凝土支架復(fù)合支護技術(shù)?

劉珂銘 高延法 郭 賀 張鳳銀 張 磊 李 賞

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

深井軟巖巷道鋼管混凝土支架復(fù)合支護技術(shù)?

劉珂銘 高延法 郭 賀 張鳳銀 張 磊 李 賞

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

針對口孜東煤礦－967 m水平軌道石門軟巖巷道變形嚴重支護困難的問題,結(jié)合現(xiàn)場考察、室內(nèi)測試、現(xiàn)場試驗與監(jiān)測等方法,分析了圍巖變形特征和巷道失穩(wěn)破壞的原因,在此基礎(chǔ)上,依據(jù)承壓環(huán)強化支護理論,提出了2種基于鋼管混凝土支架的高強度復(fù)合支護方案。工程應(yīng)用表明2種封閉式高強度復(fù)合支護體均能有效抑制圍巖向巷道空間內(nèi)移動,圍巖最大移近量小于90 mm,滿足巷道變形要求,同時支護體整體結(jié)構(gòu)完好,工程應(yīng)用效果優(yōu)良。

深井軟巖巷道 巷道支護 鋼管混凝土支架 封閉式 復(fù)合支護

深部煤炭的開采將受到高地應(yīng)力、高滲透壓、高地溫和強烈的開采擾動影響。同時,深部巖體所處地質(zhì)條件和應(yīng)力場的復(fù)雜性,導(dǎo)致巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈,巷道圍巖表現(xiàn)出顯著的塑性大變形和持續(xù)流變特性,巷道圍巖的控制難度較淺部地層大為增加。針對深井軟巖巷道的穩(wěn)定性控制,現(xiàn)階段常用的是錨網(wǎng)索噴、錨注、U型鋼支架等相互配合的聯(lián)合支護形式。但是,采深的逐漸加大對現(xiàn)有支護形式提出極大的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的聯(lián)合支護形式不能很好地解決深井軟巖巷道支護問題。因此,需要研發(fā)更合理、支護反力更大的巷道支護技術(shù)。

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

1.1 鋼管混凝土短柱力學(xué)性能分析

鋼管混凝土構(gòu)件即是在空鋼管內(nèi)灌注核心混凝土,在受荷載初期,由于鋼材的泊松比較大,所以在相同縱向壓應(yīng)變下,鋼管的橫向變形大于混凝土的橫向變形,二者各自獨立作用;隨著載荷的增大,核心混凝土的橫向變形系數(shù)逐漸接近鋼管的橫向變形系數(shù),二者開始產(chǎn)生相互作用的緊箍力,但是這種緊箍力在鋼管處于彈性及彈塑性階段時很小,該階段鋼管混凝土構(gòu)件的承載力基本為二者的代數(shù)和;進一步增加載荷,混凝土內(nèi)部裂縫逐漸貫通擴展,核心混凝土的橫向變形系數(shù)開始超過鋼管,借助鋼管的約束作用,混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和抗變形能力,同時混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力,增強了鋼管的幾何穩(wěn)定性,能夠避免鋼管壁過早的發(fā)生屈曲破壞,二者在力學(xué)性能上的共生現(xiàn)象使材料的強度得到充分發(fā)揮,承載能力大幅提高。鋼管和核心混凝土的受力特點如圖1所示。

圖1 鋼管和混凝土受力狀態(tài)示意圖

文獻中的試驗測試表明,井下最常用的?194 mm×8 mm的鋼管混凝土短柱的軸壓塑性極限承載能力可達454 t,是同等鋼材線密度的U36型鋼試件的2.7倍,承載優(yōu)勢明顯。

1.2 井下灌注式鋼管混凝土支架

井下灌注式鋼管混凝土支架充分利用了上述復(fù)合材料的優(yōu)勢而發(fā)明的一種高強度支架,由地面加工支架并在井下安裝、灌注。相關(guān)試驗表明,在相同用鋼量的條件下,鋼管混凝土支架的極限承載力可達U型鋼支架的2～5倍。其次,支架具有圓柱狀斷面,慣性矩大且無異向性,不易扭曲變形,支架間采用連桿連接,不會出現(xiàn)U型鋼支架的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象。

目前,鋼管混凝土支架已經(jīng)在全國20多個煤礦中的深井巷道、軟巖巷道、動壓巷道、特殊硐室和巷道交岔點等難支護巷道中得到了成功應(yīng)用。

2 工程背景

口孜東煤礦－967 m水平北翼軌道石門鋼管混凝土支架支護段埋深約1010 m,凈斷面6.0 m×4.8 m(寬×高),巷道圍巖以泥巖、砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)構(gòu)造為主,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,層理、節(jié)理和裂隙極為發(fā)育。現(xiàn)場取樣對巷道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)進行室內(nèi)測試,測試表明巖石天然單軸抗壓強度為12.1～24.8 MPa,孔隙率4.7%～8.5%,巖石中粘土礦物含量高達69.7%,其中高嶺石含量81%,伊－蒙混層礦物含量17%,伊利石含量2%。

巷道掘進初期根據(jù)不同地段實際情況采用錨網(wǎng)索噴或U29型鋼支架進行單一支護,后來由于巷道變形量大,支護體破壞嚴重,支護形式逐步升級為錨網(wǎng)索噴＋U36型鋼支架的聯(lián)合支護方式,支護60 d后,巷道底鼓量達1.2 m,嚴重影響巷道正常使用。巷道后期返修在原有聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上增加了鋼筋混凝土碹體支護,但是巷道的穩(wěn)定性仍然得不到有效控制,巷道變形量持續(xù)增大,變形呈現(xiàn)出四面來壓的特點,巷道頂?shù)装搴蛢蓭投加泻艽笞冃?原本6 m寬的巷道變形后寬度已不足4 m,底鼓累計量達4 m以上,嚴重影響安全和使用。

3 鋼管混凝土支架復(fù)合支護方案設(shè)計

3.1 巷道變形破壞原因分析

北翼軌道石門巷道變形破壞的原因主要為以下幾方面:

(1)巷道圍巖巖性較軟,粘土礦物含量較高,伊－蒙混層的存在導(dǎo)致圍巖易吸水膨脹,高嶺石的含量較大,使得巖石吸水后具有較強的崩解性。這導(dǎo)致圍巖與空氣、水接觸后易風(fēng)化、泥化,容易喪失完整性與整體性,降低了圍巖的自承載能力。

(2)巷道埋深大,所處地段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,頂?shù)装鍘r層滑面、裂隙較為發(fā)育,在深部高應(yīng)力作用下,這些力學(xué)弱面會產(chǎn)生滑移變形和擴容,進而產(chǎn)生較大的塑性變形;后期的多次返修進一步劣化了圍巖結(jié)構(gòu)與強度,加劇了巷道變形。

(3)支護設(shè)計不合理、協(xié)調(diào)性差、支護強度不足。軟弱圍巖的可錨性較差,錨桿安裝后,即使施加較大的預(yù)緊力,其錨固范圍也很小,圍巖發(fā)生變形時,托盤處圍巖直接擠出散落,托盤上的力不能有效施加到圍巖中;U型鋼支架承載力較低且為半封閉式,導(dǎo)致巷道底鼓嚴重,巷道幫、頂?shù)淖冃魏蛪毫σ渤杀对鲩L,使整個支護結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn);后期雖然使用鋼筋混凝土碹體支護,但混凝土的硬化需要較長的時間,且U型鋼支架提供的徑向力相對較小,碹體強度提升緩慢,無法有效抑制圍巖的早期快速變形;各支護體間的協(xié)調(diào)性差,進而導(dǎo)致各個擊破,巷道最終整體失穩(wěn)破壞。

3.2 支護方案設(shè)計原則

支護方案設(shè)計應(yīng)遵循以下原則:

(1)開挖后及時進行臨時支護,封閉圍巖。由于泥巖吸水膨脹,風(fēng)化易崩解,巷道開挖后應(yīng)及時封閉圍巖隔絕空氣,避免高含水率泥巖風(fēng)化碎裂,對支護體造成形變壓力。

(2)采用封閉式高強度支護。巷道開挖后軟弱圍巖變形速度較快且持續(xù)時間長,變形呈現(xiàn)四面來壓狀態(tài),過度讓壓必然導(dǎo)致巷道無法正常使用,造成支護失敗。巷道支護應(yīng)采用全斷面高強度封閉式支護,防止出現(xiàn)薄弱點,降低應(yīng)力集中程度。

(3)設(shè)計合理的讓壓方式。臨時支護和二次支護都應(yīng)具有一定的可縮性,以適應(yīng)軟弱圍巖的變形。壁后填充結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的韌性,應(yīng)與支護體整體強度和剛度相適應(yīng)。

3.3 復(fù)合支護方案設(shè)計

依據(jù)深井軟巖巷道承壓環(huán)強化支護理論,綜合考慮巷道不同地段圍巖結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)、巷道變形程度等因素,設(shè)計了2種支護方案,巷道擴修后先做一次錨網(wǎng)噴支護,后使用鋼管混凝土支架做二次支護,復(fù)合支護后巷道凈斷面尺寸寬6.3 m×高4.5 m。具體支護方案如下:

方案Ⅰ:錨網(wǎng)噴＋?194 mm×10 mm鋼管混凝土支架＋壁后填充混凝土碹體,支架間距0.7 m。

方案Ⅱ:錨網(wǎng)噴＋?219 mm×10 mm鋼管混凝土支架＋壁后填充混凝土碹體,支架間距0.7 m。

3.3.1 鋼管混凝土支架設(shè)計

(1)支架結(jié)構(gòu)與參數(shù)選型。依據(jù)工程類比法,支架斷面設(shè)計為淺底拱圓形;方案I中支架主體鋼管選用?194 mm×10 mm的無縫鋼管,考慮到如支護段巷道圍巖變形較大,故采用方案Ⅱ中?219 mm×10 mm的無縫鋼管以增加支護反力;支架主體結(jié)構(gòu)包括頂拱段,兩幫段和底拱段。支架主體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 淺底拱圓形支架主體結(jié)構(gòu)參數(shù)表

(2)核心混凝土配比。鋼管內(nèi)核心混凝土強度等級按C40配比,為使支架較早形成高強度支護力,核心混凝土中摻加一定劑量的早強劑和鋼纖維。

(3)承載力計算。按照文獻中的計算方法,求得?194 mm×10 mm支架的支護反力可達0.9 MPa;?219 mm×10 mm支架的支護反力可達1.1 MPa。按照文獻中的計算方法,方案Ⅰ形成的承壓環(huán)支護體提供的最大支護反力可達1.64 MPa;方案Ⅱ形成的承壓環(huán)支護體提供的最大支護反力可達2.08 MPa,巷道每米支護費用較方案Ⅰ增加約850元。

3.3.2 錨網(wǎng)噴支護與壁后填充設(shè)計

巷道擴修后初噴50 mm厚的混凝土噴層以封閉圍巖,隨后施加錨網(wǎng)噴支護,錨桿采用?22 mm ×2500 mm左旋螺紋鋼無縱筋高強錨桿,間排距700 mm×700 mm;金屬網(wǎng)采用?6 mm鋼筋焊制,網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm。

壁后填充采用250 mm厚C20混凝土碹體,杜絕破碎圍巖與空氣、水分的接觸。

復(fù)合支護方案整體設(shè)計如圖2所示。

4 工程應(yīng)用

4.1 巷道支護施工流程

巷道支護工藝流程:巷道臥底、刷擴→初噴混凝土噴層→錨網(wǎng)索噴支護→安裝空鋼管支架→壁后填充混凝土碹體→鋼管支架集中灌注核心混凝土。

4.2 巷道圍巖變形監(jiān)測

北翼軌道石門鋼管混凝土支架支護段總長70 m,其中采用方案I支護段長46 m,使用支架66架。選取2個斷面,采用十字布線法對巷道圍巖的收斂變形進行監(jiān)測。支護后30 d內(nèi)每3 d觀測一次,后期每10 d觀測一次,持續(xù)監(jiān)測90 d。方案I支護段圍巖變形監(jiān)測如圖3(a)所示。

圖2 復(fù)合支護方案設(shè)計圖

方案II支護段巷道長24 m,使用支架34架。圍巖變形監(jiān)測方法同上,圍巖變形監(jiān)測如圖3(b)所示。

圖3 方案I和方案II支護段圍巖變形監(jiān)測圖

監(jiān)測表明:2種支護方案均能有效控制巷道圍巖的收斂變形,支護后50 d內(nèi),巷道圍巖變形相繼趨于穩(wěn)定,最大變形量小于90 mm,能夠滿足巷道變形要求,并且支架整體結(jié)構(gòu)完好,應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

(1)北翼軌道石門巷道圍巖屬于低強度泥質(zhì)軟巖,在深部高應(yīng)力作用下,巷道圍巖變形以膨脹、擴容為主,應(yīng)在全斷面施加封閉式高強度支護以控制圍巖的收斂變形。

(2)設(shè)計了2種基于鋼管混凝土支架的封閉式高強度復(fù)合支護方案。

方案Ⅰ:錨網(wǎng)噴＋?194 mm×10 mm鋼管混凝土支架＋250 mm厚混凝土碹體。

方案Ⅱ:錨網(wǎng)噴＋?219 mm×10 mm鋼管混凝土支架＋250 mm厚混凝土碹體。

理論計算表明方案Ⅱ支護體提供的最大支護反力可比方案Ⅰ提高約0.4 MPa,適用于巷道圍巖條件差、變形量較大地段的支護。

(3)基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護方案設(shè)計靈活,與原有聯(lián)合支護形式相比,該復(fù)合支護技術(shù)能夠有效控制巷道圍巖的收斂變形,維護巷道的長期穩(wěn)定,研究結(jié)果為類似條件巷道的支護設(shè)計提供新的思路,有一定借鑒作用。

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Composite support technology of concrete-filled steel tube support in deep soft rock roadway

Liu Keming,Gao Yanfa,Guo He,Zhang Fengyin,Zhang Lei,Li Shang
(School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

Aimed at the problem that the soft roadway of orbital cross-hole at the depth level of-967 m in Kouzidong Coal Mine transformed severely and was hard to support,comprehensive methods that including site inspection,laboratory test,field test and monitoring were used to analysis the features of surrounding rock deformation and the reasons of buckling failure.On the basis of above analysis,two high strength composite support schemes based on concrete-filled steel tube support were put forward according to the strengthening support theory of pressure bearing ring.The engineering application results showed that these two enclosed type composite support systems could effectively restrain the surrounding rock from moving to the roadway,and the maximum deformation of surrounding rock was less than 90 mm,which met the requirement of roadway deformation.The massive structure of support system was in good condition,and the engineering application effect was also good.

deep soft rock roadway,roadway support,concrete-filled steel tube support, enclosed type,composite support

TD353

A

劉珂銘(1988－),男,山東臨沂人,博士研究生,主要從事深井軟巖巷道支護、礦山巖體力學(xué)等方面的研究工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金項目(51474218, 51134025)