鋼管混凝土在軟弱圍巖巷道施工中的應用

歐 欽，王俊超

(1.四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司，四川 廣元 648017;2.四川廣旺集團船景煤業有限責任公司，四川 宜賓 645250)

礦井開采深度的不斷加大使復雜軟弱巷道圍巖的變形破壞問題顯得極為突出，頂板垮落以及片幫事故不斷，對煤礦的安全生產造成嚴重影響。其主要原因是大部分埋深較大的軟巖巷道工程需要穿過極軟弱巖體等地質狀況較差的部分，巖體自身強度較弱，很難發揮自身的支護作用，給井巷工程施工帶來了很大的困難。近年來，鋼管混凝土支護技術在深部軟巖支護中已經被廣泛采用。本文以船景煤礦施工的+255 m南機軌運輸大巷為研究對象，闡述了鋼管混凝土支護系統結構、原理及具體設計參數。現場的成功應用表明，該支護在深水平、高應力、軟巖區域巷道支護效果較為明顯，能夠滿足工程實踐需要。

1 鋼管混凝土支架聯合支護

1.1 鋼管混凝土支架結構設計

+255 m 南機軌運輸大巷斷面形狀為直墻半圓拱形，寬4.8 m，高4.0 m，其中墻高1.6 m，拱高2.4 m.鑒于巷道兩幫變形量較大，鋼管混凝土支架直墻段采用抗彎型，鋼管內側焊置d40 mm 圓鋼進行抗彎強化。

根據深部軟巖巷道支護經驗和工程類比法，結合+255 m 南機軌運輸大巷斷層破碎帶軟巖巷道的具體地質條件，選用d168 mm×8 mm 鋼管混凝土支架，支架間距為0.8 m.鋼管混凝土支架參數見表1，支架結構見圖1.

表1 鋼管混凝土支架參數表

圖1 鋼管支架結構圖

1.2 核心混凝土

鋼管支架核心混凝土的強度等級為C40，具體規格和配比見表2，表3.

表2 混凝土基本資料表

表3 1 立方混凝土材料配比表

2 鋼管混凝土支架支護方案設計

鋼管混凝土支架安裝后，在支架壁后填充木背板或矸石袋，形成環形讓壓空間，填充寬度200 mm. 支架兩幫和頂部使用錨索+11#工字鋼加固，加固支護圖見圖2，圖3.

圖2 支架支護斷面圖

圖3 I－I 剖面圖

根據理論計算，d168 mm ×8 mm 鋼管混凝土支架承載力為2 010 kN，在支架間距0.8 m 的條件下，支護反力為0.98 MPa.

3 鋼管混凝土支架支護成本核算

3.1 鋼管混凝土支架成本

鋼管混凝土支架是在地面經過熱煨、焊接，經防銹處理后形成空鋼管支架，在井下組裝后再進行灌注混凝土而成，見圖4.

圖4 鋼管混凝土支架現場照片

與U29 或者U32 型鋼可縮性支架相比，原材料無縫鋼管價格稍貴，加工工藝較復雜，運輸距離較遠(約2 500 km)，具體價格見表4.

表4 鋼管支架重量與價格表

3.2 礦用混凝土輸送泵成本

現場澆灌混凝土采用井下專用礦用混凝土泵施工，其主要特點:體積小、結構簡單、全液壓操作且效率高、進度快、質量好，極為適用于礦井狹窄空間的混凝土灌注施工作業環境。

鋼管混凝土支架灌注采用井下專用礦用混凝土輸送泵施工，速度快，壓力大，密實度較好，能夠充分發揮鋼管混凝土支架高強支護作用。

目前，礦用混凝土輸送泵還可以用于礦上井下井壁、支架等混凝土灌注施工，甚至可以用于巷道圍巖壁后注漿，用于注漿堵水工作或者進行探放水作業。

支架支護方案材料成本見表5.

4 鋼管混凝土支架支護施工工藝

鋼管混凝土支護作業基本工藝流程:巷道開挖→初噴30 mm 厚混凝土層→錨網+臨時點柱支護→安裝空鋼管支架→壁后充填木背板或矸石袋→灌注混凝土→監測鋼管混凝土支架承載力，承載力達到設計值80%時(10 ～20 天)→根據現場施工情況以及礦山壓力判斷是否進行圍巖注漿加固。

表5 支架支護方案材料成本表

4.1 空鋼管支架安裝

巷道開挖后初噴30 mm 后可立即進行空鋼管支架架設，具體工序如下:

1)以巷道中心線和腰線為準，確定支架位置，清理巷道兩幫底部積矸或碎渣，安裝空鋼管支架兩幫段，扣好支架頂桿。

2)架設頂拱段，將2 個接頭套管同時裝在頂拱段上，把頂拱段的端頭對齊兩幫段的端頭，即:兩幫段的定位鋼筋插入頂拱段，見圖5.

圖5 空鋼管支架架設圖

3)把接頭套管從頂拱段推下，直到頂住兩幫段的定位環，同時扣好支架頂桿，見圖5.

4)每安裝10 架支架錨固1 架，兩幫段錨固在兩幫圍巖，頂弧段錨固在頂板。

空鋼管支架架設好之后，在支架與圍巖之間采用矸石袋或者木背板塞緊，插花式排列，使鋼管混凝土支架具有初撐力，更有利于發揮其作用。

4.2 鋼管支架灌注混凝土

鋼管支架灌注混凝土支護工序較為復雜，工程量比較大，主要工序如下:

1)灌注準備工作。

初步設計要求每安裝10 ～15 架空鋼管支架，灌注混凝土1 次，灌注前需做好各項準備工作。

材料準備:1 臺混凝土輸送泵，2 根高壓膠管(5套連接管路，5 ～8 個4 英寸閘板閥，1 個礦車，水泥、砂子、石子及外加劑)。

支架準備:頂桿、鋼帶連接完好，支架與圍巖必須用木楔塞緊，保證支架固定牢靠，穩定不動。

2)灌注施工順序。

a)混凝土輸送泵要平放在巷道，平放處要求無積矸且干凈整潔，通過高壓膠管與支架注漿短管連接。

b)布置2 組人員，一組人員連接好電纜、布置好水管，輸送泵空載15 ～20 min;另一組人員摻和混凝土干料，每次1 ～2 個礦車。

c)拌制混凝土時，根據現場情況若確定需要攪拌機，則每次攪拌1 m3，嚴格按照C40 配比，添加水泥、砂子、石子及其他外加劑;同時要求混凝土攪拌均勻細膩，坍落度不得小于160 mm，須符合泵送混凝土要求。

d)上述工序完成后，連接注漿管路，工序依次為:礦用輸送泵—高壓輸送管—高壓膠管—閘閥—支架注漿口，閘閥開通。

初次使用輸送泵時，根據規定應事先泵送一罐水泥砂漿以潤滑管路，然后正常泵送注漿。在給支架灌注混凝土前預先往鋼管內放入少量干凈水，灌注過程中應特別留意混凝土澆灌速度，若發現料斗下料速度變慢，必須及時反泵幾次，防止管路堵塞。每次注漿時提前連接好5 架支架的輸送管路，便于管路連接，節約時間，防止輸送管內混凝土凝固不能用。

e)在每架支架灌注結束前，需從頂部排漿孔流出約3 鐵鍬混凝土作為結束標識點。

f)在每架支架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。再連接下一架，繼續灌注，直到10 架全部灌注完畢。

g)所有支架灌注完畢后先停泵，卸掉攪拌箱的多余混凝土，正反泵水洗管路及輸送泵管道，拆卸管路，停泵，停水，最后方可斷電。

4.3 施工效果及礦壓觀測

根據施工作業組織設計及現場操作規范，鋼管混凝土支架安裝與礦用混凝土輸送泵灌注平行作業，而且灌注速度快，幾乎不影響空鋼管支架安裝。通過對比U29 型可縮性鋼支架、11#工字鋼支架施工工藝及作業速度可知:鋼管混凝土支架成巷速度與U29 型鋼支架、11#工字鋼支架成巷速度相當，但支護效果有了較大的提高，增強了圍巖穩定性，減小了圍巖變形量，使其控制在300 mm.

圍巖變形速度與平均速率見圖6，7.

圖6 圍巖位移變化曲線圖

圖7 圍巖移近速度變化曲線圖

由圖6，7 可以看出:頂底板、兩幫及底板移近量及平均移近速率在第18 天后基本走向穩定，其最大移近量分別為206 m、128 mm、134 mm，最大變形速率為13.2 mm/d、10.5 mm/d、11.5 mm/d，可見初期的變形速率相對較大，但隨著支護時間的增加，移近速率逐漸降低。穩定后頂底板、兩幫及底板變形的平均速率為1.4 mm/d、0.7 mm/d、1.3 mm/d，表明該支護體系基本滿足了圍巖的穩定需要。

5 結 論

1)通過在現場的成功應用，鋼管混凝土支架聯合支護有效地提高了支護體系的承載能力;礦壓觀測也表明支護初期受掘進工作面初次開挖影響，圍巖變形劇烈，處于三向應力平衡階段，但隨著支護體與圍巖逐漸達到耦合狀態，圍巖變形趨于平穩。

2)工程應用表明，該聯合支護在深水平、高應力、軟巖區域巷道支護效果較為明顯，為深部應力集中區破碎軟巖巷道的支護提供了一條有效的途徑，為今后類似的深部軟巖支護提供了一定的數據及參考。

［1］ 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構［M］.修訂版.北京:人民交通出版社，2007:82－89.

［2］ 鐘善桐.鋼管混凝土結構［M］.北京:清華大學出版社，2004:67－81.

［3］ 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(S1):2604－2609.

［4］ 李學彬，高延法，黃萬朋，等.動壓軟巖巷道鋼管混凝土支架支護圍巖穩定性分析［J］.科技導報，2012(16):42－47.