鋼管混凝土支架力學性能及千米深井巷道應用研究

魏禮剛（山東能源新礦集團華豐煤礦，山東泰安　271413）

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鋼管混凝土支架力學性能及千米深井巷道應用研究

魏禮剛
（山東能源新礦集團華豐煤礦，山東泰安271413）

【摘 要】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。本文研究了鋼管混凝土支架的力學特性，應用工程類比法，并以千米深井華豐煤礦-1100m風井聯絡巷為研究對象，設計了鋼管混凝土支架復合支護方案：支架斷面采用圓形，支架主體鋼管選用Φ219×8無縫鋼管，鋼管內充填C40早強型混凝土，輔以錨網噴支護和高效圍巖注漿加固。工程應用表明：基于鋼管混凝土支架的復合支護技術，在千米深井巷道中，能有效抑制巷道變形，維護巷道的長期穩定和支護結構的安全可靠。

【關鍵詞】千米深井巷道鋼管混凝土支架力學性能

煤炭是我國主體能源。近年來，受經濟增速放緩、能源結構調整等因素影響煤炭需求量大幅下降，國務院宣布從2016年起，政府需引導在安全生產等方面不達標的煤礦有序退出市場［1］。

展望“十三五”期間煤炭工業的發展，煤炭工業協會認為，在經濟發展新常態下，能源革命有新的要求，煤炭作為主體能源地位不會改變。隨著經濟結構不斷優化，國家推動能源結構調整，非化石能源比重增長，煤炭將繼續低速增長但仍會保持較大規模。

華豐煤礦煤炭儲量豐富，年產原煤百萬噸，可采儲量在30年以上，開采深度達到海拔-1200米。據統計，我國煤炭資源儲量埋深在千米以下的約為2.95萬億噸，占煤炭資源總量的53%，未來10多年內很多煤礦將進入到1000～1500米的開采深度。隨著開采深度的增加，千米深井巷道地質條件變得更為復雜，大地壓、大變形、難支護等一系列問題導致作業環境惡化、巷道維護困難、地質災害增多［2，3］，現有錨桿（索）、U型鋼等支護技術已無法解決深井支護難題，由此，鋼管混凝土支架作為一種新型的千米深井巷道支護方式應運而生。

鋼管混凝土支架是近年來發明的一種具有高承載力、高性價比和施工簡單等特點的高強度支架，從2008年開始已成功應用于全國近30個煤礦。文章以華豐煤礦-1100m水平風井聯絡巷為工程背景，詳細介紹了以鋼管混凝土支架為主體的復合支護技術在千米深井巷道中的應用，為其他地質條件類似的千米深井巷道的穩定控制提供借鑒。

1　鋼管混凝土支架力學性能研究

1.1鋼管混凝土短柱軸向抗壓性能

鋼管混凝土結構是一種鋼管與核心混凝土組成的組合構件，鋼管混凝土短柱的軸向抗壓能力是衡量這種構件材料強度的基本指標。

同等鋼材線密度的U36型鋼試件實測的短柱軸向塑性極限承載能力為167噸［4］；Φ194×8型鋼管混凝土短柱軸向抗壓承載能力可達454噸。可見，Φ194×8型鋼管混凝土短柱受壓能力可達U36型鋼的2.7倍，鋼管混凝土結構軸向抗壓強度優勢明顯。

1.2鋼管混凝土的抗彎性能

中國礦業大學（北京）課題組［5，6］分別對Φ194×8型鋼管混凝土、U36型鋼和22b型工字鋼圓弧拱做了抗彎性能試驗研究。3種試件鋼材線密度、試件形狀與跨度均相同，在圓弧拱拱頂集中荷載分級加壓的條件下，三者的極限承載力分別為1145kN、480 kN和150 kN。Φ194×8型鋼管混凝土圓弧拱抗彎能力優勢明顯。

1.3鋼管混凝土支架承載能力

中國礦業大學（北京）課題組［7，8］分別對U36型鋼和Φ194×8型鋼管混凝土支架做了支架承載力試驗測試。其中，鋼管混凝土支架內灌注C40混凝土，支架形狀均為橢圓形，長軸約4.5m，短軸約3.9m。試驗測得Φ194×8型鋼管混凝土支架極限承載力可達1709kN，U36型鋼支架的極限承載力為644kN。可認為同等鋼材線密度條件下，鋼管混凝土支架極限承載能力可達U型鋼支架極限承載能力的2.65倍。

1.4鋼管混凝土結構特性

井下使用的U型鋼支架和工字鋼支架在千米深井巷道中常出現扭轉變形和平面外失穩現象［9，10］。而圓鋼管混凝土結構的截面為圓形，在垂直于軸線的平面內具有各向同性，對軟巖變形和圍巖壓力具有更強的適應性。

2　工程背景

華豐煤礦-1100m水平風井聯絡巷埋深1230～1250m，揭露地層巖性為煤8（2）至煤7（2）之間的巖層，所穿巖石大部分為粉砂巖、中砂巖、細砂巖，巖層傾角平均30°。巖石單軸抗壓強度30～40MPa，垂向地應力為32MPa，水平構造應力在35～47MPa之間。該聯絡巷斷層及煤層附近頂板較為破碎，巷道掘進過程中受到煤6采動影響，巷道變形量大，破壞嚴重，后期又受到煤4采動影響，巷道圍巖變形強烈。

3　巷道原有支護方案及變形特點

圖1　-1100m風井聯絡巷原有支護設計圖

圖2　錨網噴+鋼管混凝土支架支護斷面圖

3.1原有支護方案及變形特點

-1100m風井聯絡巷原有斷面為直徑4800mm的圓形斷面。原有支護形式如下：

（1）一次支護。光面爆破，一次成巷，成巷后初噴50mm厚C20混凝土噴層。

（2）二次支護。錨網噴+鋼筋混凝土碹體。錨桿采用φ25mm，長2400mm的高強螺紋鋼樹脂藥卷錨桿，間排距400×400mm，打兩遍；金屬網采用φ10mm鋼筋焊接而成的鋼筋網，網孔100×100mm；鋼筋混凝土碹厚300mm，混凝土強度等級C40。-1100m風井聯絡巷原有支護設計如圖1所示。

在原有支護形式-1100m風井聯絡巷斷面縮小嚴重，最嚴重地段直徑僅有約1m的空間可以回風，鋼筋混凝土碹斷裂、掉落，混凝土噴層開裂，鋼筋網破裂并外露，錨桿托盤掉落、桿體內收，部分錨桿從桿體中間剪斷。后使用U36型鋼進行返修，仍不能取得理想效果。

3.2風井聯絡巷變形破壞原因分析

巷道破壞原因可歸納為以下幾點：

（1）巷道埋深達1250m，地壓增大和復雜的構造應力作用是其破壞的主要原因。

（2）巷道穿層較多造成圍巖巖性變化大，巷道不同圍巖段和部位受力不均。

（3）支護設計強度不足。各支護形式之間協調性差。錨網噴和鋼筋混凝土碹體所能提供的支護力較小，U36型鋼底部不封閉，支護強度低，不能有效控制圍巖變形。

4　鋼管混凝土支架支護復合支護方案

結合巷道圍巖地質資料與變形破壞特征，設計了“錨網噴+鋼管混凝土支架+圍巖注漿”的復合支護方案：

（1）擴修巷道原圓形斷面：擴修至直徑5570mm的圓形斷面，后做錨網噴一次支護。

（2）設置柔性變形空間200mm，使用鋼管混凝土支架做二次支護，支護后巷道凈斷面直徑為4800mm。

（3）鋼管混凝土支架支護完畢后復噴混凝土，監測支架承載力。

4.1鋼管混凝土支架支護設計

（1）支架結構與選型。依據工程類比法，主體鋼管選用Φ219×8 型20#無縫鋼管。支架斷面形狀設計為圓形，內徑R=2400mm，主體結構分4段：頂拱段、左幫段、右幫段和反底拱段。支架間采用鋼管混凝土頂桿連接，支架間距800mm。

（2）核心混凝土設計為強度等級為C50膨脹型混凝土。

4.2錨網噴支護設計

（1）巷道擴修后立即對圍巖噴射30圖1 -1100m風井聯絡巷原有支護設計圖50mm厚混凝土，封閉圍巖，防止巖塊風化掉落，隔絕圍巖與空氣間水分交換。混凝土噴層強度等級C20。

（2）掛普通金屬網打錨桿。采用φ22mm×2400mm高強螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為800mm×800mm；金屬網采用φ5mm鋼筋焊接而成，網孔100mm×100mm。

（3）復噴150mm厚混凝土，此步措施可以暫時滯后，先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布置木背板做柔性變形層，當柔性變形層達到極限后復噴混凝土。錨網噴+鋼管混凝土支架設計見圖2。

4.3圍巖注漿加固設計

為了防止巷道在高地應力的長期作用下發生屈服、破壞，產生大范圍的破碎區和塑性區，需對巷道圍巖注漿加固，進一步提高圍巖自承能力。注漿加固設計圖見圖3。

圖3　圍巖注漿加固設計圖

（1）注漿時機。對鋼管混凝土支架承載力進行檢測，當承載力達到設計值的80%時，對圍巖進行注漿加固。

（2）注漿材料。選水泥漿液注漿，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6～0.7；注漿管長2.4m，間排距1.6m。

（3）注漿參數。注漿壓力為2.0～2.5MPa，注漿時間控制在120min，使用全斷面多孔同時注漿技術，實現快速高效注漿效果。

5　巷道圍巖變形監測

采用十字布點法對巷道兩幫和頂底板變形進行觀測，測量儀器選用測桿和卷尺，測點布設方式見圖4。每隔5架布設1組測點，共布設5組。每3d觀測1次，持續監測150d。

監測結果表明：支護后7d內巷道變形較慢，支護后10～20d，巷道變形速度最快，30d以后巷道圍巖變形基本趨于穩定，5組觀測結果表明圍巖最大移近量控制在80～150mm，充分表明鋼管混凝土支架復合支護結構能夠有效抑制巷道圍巖的收斂變形，維持巷道穩定，并且支架整體結構完好，沒有出現損壞。

6　結語

（1）華豐煤礦-1100m水平風井聯絡巷在深部復雜高應力作用下，呈現軟巖變形特征，原有“錨網噴+鋼筋混凝土碹體+U36型鋼”支護協調性差，支護強度低，難以保證巷道圍巖的長期穩定。

（2）文章采用鋼管混凝土支架復合支護方案進行返修：支架選用圓形斷面，主體鋼管選用Φ219×8型20#無縫鋼管，內灌C40核心混凝土，輔助錨網噴支護和圍巖注漿加固。

（3）工程應用表明：基于鋼管混凝土支架的復合支護方案承載能力強大，能夠有效維護風井聯絡巷圍巖的長期穩定和支護結構的安全可靠。

參考文獻：

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［8］王軍.鋼管混凝土圓弧拱的抗彎力學性能試驗研究與工程應用［D］.中國礦業大學（北京），2014.

［9］高延法，謝浩等.鋼管混凝土支架在深井巷道中的支護實驗研究［J］.煤礦開采，2015，20（3）:50-53.

［10］高延法，劉珂銘等.鋼管混凝土支架在千米深井中央泵房中的應用［J］.煤礦安全，2015，46（5）:164-171.