查干淖爾一號(hào)井交叉點(diǎn)巷道支護(hù)技術(shù)研究

毛永江 李少華（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)第三十工程處，安徽宿州 234000）

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查干淖爾一號(hào)井交叉點(diǎn)巷道支護(hù)技術(shù)研究

毛永江 李少華
（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)第三十工程處，安徽宿州 234000）

【摘要】查干淖爾一號(hào)井風(fēng)井區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，屬于典型的軟巖巷道，圍巖破碎，兩幫變形和底臌現(xiàn)象十分嚴(yán)重，局部巷道甚至引發(fā)頂板冒落，同時(shí)巷道的掘進(jìn)、維護(hù)問(wèn)題突出，巷道工程質(zhì)量和掘進(jìn)速度已受到嚴(yán)重影響。針對(duì)該巷道支護(hù)的突出問(wèn)題，本文采用理論分析及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法，對(duì)其力學(xué)特性、變形破壞機(jī)理、支護(hù)技術(shù)等進(jìn)行了研究，提出了采用鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)支護(hù)+強(qiáng)力抗拉網(wǎng)+網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了鋼管混凝土支架的支護(hù)效果，表明支架可以有效控制圍巖變形，尤其是軟巖條件下的交叉點(diǎn)支護(hù)，取得了良好效果。

【關(guān)鍵詞】軟巖巷道 支護(hù)技術(shù) 鋼管混凝土支架 交叉點(diǎn) 變形監(jiān)測(cè)

1 地質(zhì)特征

查干淖爾一號(hào)井設(shè)計(jì)8.0 Mt/年，風(fēng)井井口標(biāo)高+1037m，風(fēng)井落底標(biāo)高+837.5m。主要巷道和硐室設(shè)計(jì)在2煤中，2煤是本井田主要可采煤層，可采煤層厚度3.10～41.95m，平均22.32m，該煤層白堊系下統(tǒng)巴彥花組煤系地層。

1.1 煤層頂?shù)装鍘r性

組成煤層頂、底板的巖石主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，其次為各類砂巖。各種巖石的力學(xué)強(qiáng)度低，多為軟巖類巖石，而泥巖又遇水膨脹、軟化、崩解，流變、蠕變現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，呈層狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體各向異性。因此組成煤層頂、底板巖石的強(qiáng)度很低，穩(wěn)定性差，如表1所示。

由于白堊系下統(tǒng)巴彥花組煤系地層形成年代較晚，地層膠結(jié)性較差，且本區(qū)巴彥花組地層巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等軟巖組成，其主要由粘土礦物組成，局部地層粘土礦物含量高達(dá)60.6%，粘土礦物中蒙脫石含量達(dá)到82%，遇水極易軟化。

1.2 變形機(jī)理

通過(guò)山東科技大學(xué)對(duì)2號(hào)煤層頂?shù)装鍘r石礦物成分化驗(yàn)得知：

（1）該軟巖具有極高的流變性、可塑性，支架后面的軟巖層向有空間的地方流動(dòng)，支架受力不均勻時(shí)，容易形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力增長(zhǎng)到一定程度，支護(hù)體薄弱處變形量加劇，造成支架破壞。

（2）軟弱圍巖具有崩解性、膨脹性，特別是潮濕、遇水后圍巖膨脹加快，隨時(shí)間變化壓力急劇增高，變形加大，使支架受到破壞。

（3）水滲流使軟巖變形不可逆轉(zhuǎn)，圍巖蠕變由衰減階段、穩(wěn)定階段到加速階段的三個(gè)階段，造成工程不穩(wěn)定期持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。

1.3 變形破壞特征

巷道表現(xiàn)為四周普遍受壓，并且全斷面收縮，同時(shí)底臌現(xiàn)象十分嚴(yán)重，局部巷道甚至引發(fā)頂板冒落和兩幫破壞，巷道先采取剛性支架+錨網(wǎng)噴+鎖腿錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，一個(gè)月后巷道變形達(dá)到1m～2m，甚至垮塌。巷道先后采用16#工字鋼、12#礦用工字鋼和U36支架支護(hù)，但均宣告失敗，耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度和工程質(zhì)量，給整個(gè)礦井的整體建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重影響。

表1　煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)性質(zhì)

巷道變形如圖1和圖2。鑒于此，通過(guò)組織專家現(xiàn)場(chǎng)論證，參考相關(guān)專家研究成果［1-4］，決定采用強(qiáng)度較高的鋼管混凝土支架進(jìn)行支護(hù)。

2 鋼管混凝土支架支護(hù)方案

2.1 鋼管混凝土支架在2煤輔助運(yùn)輸大巷的應(yīng)用

巷道返修采用淺底拱圓形鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)+強(qiáng)力抗拉網(wǎng)+網(wǎng)噴+壁厚注漿+底板錨索束聯(lián)合支護(hù)，巷道掘進(jìn)斷面：寬×高=6711mm×5700mm，使用鋼管混凝土支架后巷道斷面：寬×高=5400mm×4200mm，支架間距700mm，二次成巷時(shí)，在鋼管混凝土支架上使用φ6.5mm盤(pán)圓制作的鋼筋網(wǎng)，噴漿厚度100mm，巷道鋪底采用鋼筋混凝土，鋼筋規(guī)格為φ20mm，間排距為200×200mm，噴射混凝土強(qiáng)度為C25，鋪底混凝土強(qiáng)度為C40。支護(hù)斷面如圖3所示。

2.2 鋼管混凝土支架在交叉點(diǎn)（以風(fēng)井區(qū)一號(hào)交叉點(diǎn)為例）中的應(yīng)用

一號(hào)交叉點(diǎn)巷道返修時(shí)采用淺底拱圓形鋼管混凝土支架+強(qiáng)力抗拉網(wǎng)+網(wǎng)噴+壁厚注漿+底板錨索束聯(lián)合支護(hù)。使用鋼管混凝土支護(hù)后巷道斷面：凈寬×凈高=5000mm×4300mm，支架間距700mm，二次成巷時(shí)，在鋼管混凝土支架上使用φ6.5mm盤(pán)圓制作的鋼筋網(wǎng)，噴漿厚度100mm，巷道鋪底采用鋼筋混凝土，鋼筋規(guī)格為φ 20mm，間排距為200×200mm，噴射混凝土強(qiáng)度為C25，鋪底混凝土強(qiáng)度為C40。支護(hù)斷面如圖4所示。

一號(hào)交叉點(diǎn)共計(jì)使用鋼管混凝土支架32架，其中正常架23架，支撐架1架，異形架8架。異形架支架之間全面用工字鋼連接（工字鋼兩端切弧焊接）；異形架支架按照編號(hào)正確對(duì)接法蘭，對(duì)接時(shí)切割口兩側(cè)編號(hào)必須一致，異形支架4#和5#、3#和6#、2#和7#、1#和8#關(guān)于支撐架中線對(duì)稱分布。

交叉點(diǎn)施工流程：

安全檢查（如敲幫問(wèn)頂）→開(kāi)始人工風(fēng)鎬自上而下擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面→初噴30～50mm成形，做好臨時(shí)支護(hù)→鋪設(shè)5mm厚鋼板、下底梁，架棚腿、棚梁、上拉桿、強(qiáng)力抗拉網(wǎng)→頂、幫充填→初噴至與支架平行→下一循環(huán)作業(yè)。

架設(shè)6架后開(kāi)始鋼管混凝土支架注漿→扎鋼筋、鋪底→掛內(nèi)層金屬網(wǎng)復(fù)噴→頂、幫部壁后注漿→底板錨索束（鋪底5天后施工）。

2.3 底板錨索束

巷道成巷后底板施工3道錨索束，鉆孔參數(shù)：錨索鉆孔孔徑為φ 90mm；孔深8000mm，采用五花布置，中間孔位于巷道中心線上，垂直底板，兩側(cè)孔距幫0.5m，外擺15°。

每個(gè)孔采用3根8600mm長(zhǎng)、φ17.8mm鋼絞線制作的錨索束，托盤(pán)采用雙托盤(pán)，使用錨索漲拉器漲緊至單根鋼絞線120KN。如圖5和圖6所示：

3 支架承載力計(jì)算

3.1 支架短柱承載能力計(jì)算

支架鋼管型號(hào)為Ф194×10mm，鋼材的屈服極限fs=215N/ mm2，鋼管的橫截面積As=5778mm2。設(shè)計(jì)混凝土型號(hào)C40，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c1=19.1N/mm2，混凝土中加入鋼纖維，強(qiáng)度增加30%，加入鋼纖維的核心抗壓強(qiáng)度為fc=25N/mm2，鋼管內(nèi)填混凝土橫截面的凈面積Ac=23767mm2。

根據(jù)《現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（修訂版）》，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力設(shè)計(jì)值N0為：

將相關(guān)參數(shù)代入得，

N0=2828kN

3.2 支架承載能力計(jì)算

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS28：90），考慮鋼管支架在壓彎時(shí)，受長(zhǎng)細(xì)比與偏心率影響，考慮相應(yīng)的折減系數(shù)，極限承載能力表示為：

式中，Nu—鋼管混凝土支架的極限承載力；

N0—鋼管混凝土軸壓短柱承載力；

φ—折減系數(shù)；考慮長(zhǎng)細(xì)比和偏心率的影響，折減系數(shù)取φ=0.78。支架上部半圓拱的極限承載能力為：

Nu=2206kN

即支架承載能力為2206kN，約220t。

3.3 巷道中鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖7所示

支架半圓拱承受均勻圍壓力。若圓心角α較大（拱較深），時(shí)，拱的剪力和彎矩都很小。半圓拱，拱的剪力和彎矩相對(duì)軸力很小。在此，僅考慮軸力作用下計(jì)算支架支護(hù)反力，并假設(shè)半圓拱上軸力均可以達(dá)到鋼管混凝土柱的極限承載力（考慮長(zhǎng)細(xì)比影響），如此根據(jù)該力學(xué)模型，支架受力平衡方程為：

式中，S—支架間距，取0.7m；

R—巷道計(jì)算半徑，3.078m （以一號(hào)交叉點(diǎn)正常架和支撐架半徑計(jì)算）；

σ0—支架的支護(hù)反力；

Nu—支架極限承載力。

代入相關(guān)參數(shù)獲得鋼管混凝土支架的支護(hù)反力為：σ0=1.03MPa。

即支架間距0.7m時(shí)支護(hù)反力為1.03Pa。

4 支護(hù)效果分析

在一號(hào)交叉點(diǎn)段鋼管混凝土支架施工過(guò)程中布置4組位移觀測(cè)點(diǎn)，從中選擇3#測(cè)點(diǎn)對(duì)其觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，繪制巷道變形特征曲線如圖8所示。

由圖7知，頂板下沉量小于50mm，兩幫移近量小于60mm，底板上鼓量小于40mm；總體變形量不大，兩幫和頂板7～15天變形明顯；因施工工序復(fù)雜，進(jìn)度較慢，每天只能架設(shè)一架，通常返修6架后開(kāi)始注漿，因此底鼓量于5～12天變化較快，待澆筑混凝土后7天底鼓變化趨勢(shì)較小。

從兩幫和頂?shù)装遄兓灰苼?lái)看，都出現(xiàn)明顯加速時(shí)間是7～12天，巷道整體到20天之后趨于平穩(wěn)。因此，在巷道開(kāi)掘7～12天范圍內(nèi)進(jìn)行壁后注漿加固和底板錨索束施工，可以有效控制巷道變形，根據(jù)近3個(gè)月的測(cè)量觀測(cè)，巷道變形達(dá)到穩(wěn)定，巷道尺寸滿足生產(chǎn)要求，至今運(yùn)行良好。

5 結(jié)語(yǔ)

查干淖爾一號(hào)井風(fēng)井區(qū)巷道和交叉點(diǎn)原采用剛性支架+錨網(wǎng)+網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，表現(xiàn)為巷道斷面縮小、底鼓嚴(yán)重、剛性支架嚴(yán)重變形，甚至巷道垮塌。采用鋼管混凝土支架支護(hù)后，特別是在軟巖條件下施工交叉點(diǎn)時(shí)，不斷優(yōu)化支架方案后最終采用特殊的鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)，巷道圍巖變形控制在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，支架完好，無(wú)變形破壞，巷道穩(wěn)定，說(shuō)明鋼管混凝土支架能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)要求。

參考文獻(xiàn)：

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［4］李冰.深井軟巖巷道鋼管混凝土支架支護(hù)穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用［D］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2009.

作者簡(jiǎn)介：毛永江（1987—），男，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，助理工程師，2009年本科畢業(yè)于河南理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，現(xiàn)在中煤礦山建設(shè)集團(tuán)第三十工程處查干淖爾項(xiàng)目部技術(shù)主管。

【Abstract】Chagan area geology condition airshaft， Nur complex， belongs to the typical soft rock roadway， surrounding rock， two for deformation and floor heave phenomenon is very serious， and even lead to local roadway roof fall， at the same time， the tunneling roadway maintenance problems， roadway engineering quality and speed have been severely affected. Outstanding problems in supporting the roadway， the article uses the theoretical analysis and field observation methods， on the mechanical properties， deformation and failure mechanism， the supporting technology are studied， the concrete filled steel tube scaffold + anchor net support + strength tensile Net + net spray support scheme. Monitoring data analysis of concrete filled steel tubular scaffold support effect through the field deformation， can effectively control the deformation of surrounding rock show support， especially the intersection under soft rock support， and achieved good results.

【Key words】Soft rock roadway； Support Technology ； steel tubular support filled with concrete； Crosspoint； deformation monitoring