深井巷道鋼管混凝土支架支護性能與工程應用研究

朱兆凱解玉峰漆寒冬郭賀張磊

（1.山東能源新礦集團華豐煤礦，山東泰安 271416；2.中國礦業大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京 100083）

深井巷道鋼管混凝土支架支護性能與工程應用研究

朱兆凱1解玉峰1漆寒冬1郭賀2張磊2

（1.山東能源新礦集團華豐煤礦，山東泰安 271416；2.中國礦業大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京 100083）

隨著煤礦開采深度的增加，深井巷道難支護問題變得特別突出。本文以千米深井華豐煤礦-1100中央泵房為研究對象，首先分析了-1100中央泵房地質條件和原有支護巷道變形破壞情況，設計并進行了鋼管混凝土和U型鋼圓弧拱試件抗彎性能的對比實驗。然后設計-1100中央泵房鋼管混凝土支架支護方案，主體鋼管選用Φ219×8無縫鋼管，鋼管內充填C40早強型混凝土。工程應用表明，在深井巷道支護中，鋼管混凝土支架能夠提供較強的支護反力，控制巷道變形，維持巷道穩定，表現出良好的支護性能。

深井巷道支護 華豐煤礦 鋼管混凝土支架

我國探明煤炭儲量埋深大于1000m的約50%，煤礦采深正以每年8～12m的速度增加。采深超過1000m的煤礦已經有57處，包括山東能源集團華豐煤礦、冀中能源邢東煤礦、國投新集口孜東煤礦、徐礦集團古城煤礦、河南煤化鶴壁三礦等等。深井巷道面臨高地壓、高巖溶水壓、高溫和易擾動地質環境，支護困難，返修率高，支護總成本居高不下。

鋼管混凝土材料具有優良承壓性能［1-2］，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［3-6］，鋼管混凝土支架已經應用于全國近30個工程項目，并已經取得優良成果。本文結合千米深井巷道華豐煤礦-1100m中央泵房的工程地質條件和圍巖變形特點，采用高強度鋼管混凝土支架支護方案，大幅度提高了巷道徑向支護反力，減少了巷道的變形破壞。工程應用表明，鋼管混凝土支架支護近三年來巷道穩定，鋼管混凝土支架無變形。

1 1100水平大巷地質條件分析

1.1 1100中央泵房地質條件描述

-1100中央泵房埋深1250m，為五水平主排水系統，服務年限長。該區煤巖層賦存穩定，結構比較簡單，煤巖層走向為80°～85°，傾角為30°～33°，平均32°。-1100m水平大巷為穿層掘進，所穿過巖石大部分為粉砂巖、中砂巖，揭露的主要標志層依次為煤8（2）、煤8（1）、煤7（3）、和煤7（2）。煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

1.2 1100中央泵房支護現狀及破壞分析

-1100中央泵房現有支護采用馬蹄形斷面，光面爆破，兩導兩起四次成巷施工；初噴混凝土作臨時支護，噴錨噴+錨網噴做永久支護；泵房整體打8米的高強注漿錨索做加強支護，后架設U36型鋼支架做二次加強支護。反底拱采用錨桿支護，錨桿間排距為1000× 1000mm，錨桿布置垂直于巷道輪廓線，夾角不小于75°。

原有支護巷道破壞嚴重，巷道兩幫變形嚴重，U型鋼支架頂部成尖角形狀；底鼓量大，泵房電機傾斜，軌道凸起無法使用，如圖2。

圖3 實驗臺立體效果圖

圖4 試件實驗結構圖（mm）

通過對-1100中央泵房巷道變形破壞分析，其變形破壞原因如下：（1）巷道埋深大。埋深達1250m，地質構造復雜，構造應力影響大，圍巖變形在很大程度上表現為軟巖巖性；（2）巷道穿層多，造成圍巖巖性變化。巖性強度較低的層位圍巖變形加劇，造成巷道不同分段不同部位受力不均勻，增加巷道應力集中和拉壓應力分布不均勻，加劇了巷道不同圍巖段的變形。（3）原有支護設計不合理、強度不足。復合支護形式多，相互協調性差，同時-1100中央泵房使用不封閉馬蹄形U36型鋼支架支護，U36型鋼支架強度較低，降低了支護體兩幫穩定性。

圖5 鋼管混凝土試件破壞形態

圖6 U36型鋼試件破壞形態

圖7 鋼管混凝土試件載荷-位移圖

圖8 U36型鋼試件載荷-位移圖

2 鋼管混凝土圓弧拱試驗研究

2.1 試件結構

為了對比鋼管混凝土支架與U型鋼支架的支護性能，中國礦業大學（北京）高延法課題組進行了Φ194×8鋼管混凝土支架和U36型鋼支架的抗彎力學性能實驗［7-8］。試件為π/2圓弧拱，如圖3圖4所示，試件兩端預留50mm變形空間，試件兩端50mm以外固定約束，在試件頂部中央位置逐步施加在400mm長的承壓板上，測試該弧段試件能承受的最大載荷和試件各部位的變形破壞情況。

2.2 核心混凝土配比

根據《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS28：90）將早強核心混凝土強度等級設計為C40，水泥采用快硬硫鋁酸鹽42.5水泥，粗骨料碎石粒徑小于20mm，細骨料采用細度模數2.2～3.0河沙。同時，為了保證混凝土的早期強度，添加適量早強劑、緩凝劑和減水劑。核心混凝土配比表見表1。

圖9 斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架結構圖

圖10 錨桿支護設計圖

圖11 圍巖注漿加固設計圖

表1 核心混凝土配比表（單位:kg/m3）

2.3 試件加載方式

在支架頂部長400mm正方形承壓板約束處施加位移荷載，直至達到試件極限抗彎強度后撤去載荷。測點布置從試件中間向兩側每隔50cm設置一組測點，每組分為外側、中間、內側三個測點，每個測點沿垂直方向布置位移傳感器，最后得出位移-載荷曲線。

2.4 支架試件的實驗結果與分析

鋼混支架和U型鋼試件破壞形態如圖5～圖6，荷載-位移曲線如圖7～圖8，實驗結果匯總見表2。實驗數據顯示，鋼管混凝土圓弧拱試件最大承受荷載是礦用U36型鋼支架的2.38倍，鋼混圓弧拱試件承受最大位移是礦用U36型鋼試件的2.37倍［7-12］。因此，華豐煤礦-1000m中央泵房返修支護設計中采用Φ219×8鋼管混凝土支架是可行的。

表2 實驗結果匯總表

圖12 1000中央泵房支護效果

3 1100m中央泵房支護方案設計

-1100m中央泵房支護方案設計如下：（1）擴修斷面：寬8090mm ×高6760mm，擴修后做一次錨網噴支護，加強底角支護，使用錨索；（2）設置柔性讓壓層：頂部200mm、兩幫200mm，使用鋼管混凝土支架做二次支護；鋼管混凝土支架支護后凈斷面寬7 2 0 0 m m×高6300mm，支架間距600mm。（3）鋼管混凝土支架支護完畢后復噴混凝土，然后進行圍巖注漿加固。鋼管混凝土支架是主要支護手段，重視底板支護和圍巖注漿加固。

3.1 鋼管混凝土支架設計

鋼管材質選用20#無縫鋼管，規格為Φ219×8mm，單位重量為41.6kg/m。-1100m中央泵房修復使用斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架，鋼管混凝土支架分為主體結構和附屬結構。主體結構包括三段支架管和接頭套管，三段支架管分別為：頂拱段、左幫段和右幫段，附屬結構是為適應相鄰支架連接、灌注混凝土等設計所需部件。

（1）鋼管混凝土支架結構設計。斜墻半圓拱鋼管混凝土支架理論重量為760.7kg/架。鋼管混凝土支架結構如圖9。

（2）鋼管混凝土支架連接設計。支架主體三段之間采用接頭套管連接，相鄰支架之間采用鋼管混凝土連桿連接。

3.2 錨網噴支護和圍巖注漿加固支護設計

（1）錨網噴支護設計。1）巷道擴修后立即對圍巖噴射30～50mm厚混凝土；2）掛普通金屬網打錨桿，錨桿間距800mm；3）架設鋼管混凝土支架，在支架后鋪設強力抗拉網，強力抗拉網和錨網間插花式排列水泥背板或木背板做柔性變形層，當柔性變形層達到變形極限后復噴150mm厚混凝土。錨桿選用φ22×2400mm高強螺紋鋼樹脂藥卷錨桿，上部間距1000mm，底角部間距800mm，排距800mm，錨桿布置如圖10。在不妨礙泵房電機基礎的前提重新開挖底板，并澆筑鋼筋混凝土，混凝土強度等級C50。

（2）圍巖注漿加固設計。使用全斷面多孔同時注漿技術，一次完成一個或多個斷面注漿，實現快速高效注漿效果。注漿加固設計如圖11。

4 鋼混支架支護性能

（1）高性價比：同一巷道斷面，鋼管混凝土支架承載力提高2倍，成本僅提高0.2～0.5倍。（2）施工簡單：井下安裝不需要卡攬或螺栓，混凝土灌注滯后作業。（3）鋼管混凝土支架支護性能良好，支護近三年來巷道穩定，鋼管混凝土支架無變形。-1000m中央泵房支護效果見圖12。

5 主要結論

本文以華豐煤礦-1000中央泵房為工程背景，進行了鋼管混凝土和U型鋼圓弧拱試件抗彎性能實驗，設計了鋼管混凝土支架等相關支護方案，取得了良好的支護效果。主要結論如下：（1）-1000中央泵房埋深1250m，巷道所處巖層多為砂巖，圍巖荷載大于巖石強度，巷道破壞嚴重，常規的錨網噴支護和U型鋼支護已完全不能滿足支護要求，迫切需要適應深井巷道的支護技術。（2）鋼管混凝土和U型鋼圓弧拱抗彎力學性能實驗表明，相同用鋼量鋼混支架是U型鋼支架承載力3倍以上，成本僅提高0.2～0.5倍。（3）對-1000中央泵房進行支護設計，首先對圍巖進行錨網噴支護，然后采用鋼混支架支護，并設置預留變形空間，最后對圍巖注漿加固。鋼管混凝土支架采用斜墻半圓拱形斷面，鋼管型號Φ219×8mm，間距600mm。（4）鋼管混凝土支架支護性能良好，支護近三年來巷道穩定，鋼管混凝土支架無變形。

［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］胡曙光.丁慶軍.鋼管混凝土［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］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.

［4］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.

［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）增1：2604～2609.

［6］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.

［7］高延法，王軍，等.直墻半圓拱形鋼管混凝土支護力學性能實驗及應用［J］.隧道建設，2014（34）1：6-12.

［8］曲廣龍.鋼管混凝土支架結構抗彎性能研究及應用［D］.中國礦業大學（北京），2013：84-100.

［9］劉國磊.鋼管混凝土支架性能與軟巖巷道承壓環強化支護理論研究［D］.中國礦業大學（北京），2013.

［10］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.

［11］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）：130～133.

［12］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），2009.