鋼管混凝土組合支架在深井巷道交岔點支護(hù)中的應(yīng)用研究

胡兆峰 王 軍

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東省泰安市，271413；2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東省濟(jì)南市，250101)

巷道交岔點斷面較大，受尺寸效應(yīng)影響圍巖應(yīng)力集中顯著，圍巖荷載大，支護(hù)體往往發(fā)生大變形甚至嚴(yán)重破壞，造成圍巖難以支護(hù)。特別是位于松軟破碎、高地應(yīng)力、膨脹性軟巖及深部巷道的交岔點，其支護(hù)更加困難。常規(guī)U型鋼架棚支護(hù)或錨網(wǎng)索支護(hù)都難以滿足交岔點支護(hù)穩(wěn)定要求，巷道交岔點也逐漸變成礦山巷道支護(hù)特殊困難地點。因此，研究支護(hù)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單且施工方便的巷道交岔點支護(hù)技術(shù)意義重大。

裝配灌注式鋼管混凝土支架是近年來發(fā)展起來的一種高強支護(hù)結(jié)構(gòu)，它是通過地面分段彎管、井下裝配并現(xiàn)場灌注混凝土而成的支護(hù)形式，充分利用了鋼管和混凝土材料的優(yōu)勢。核心混凝土借助鋼管管殼的約束作用，處于三向受壓狀態(tài)，使核心混凝土具有更高的抗壓強度和抗變形能力；受混凝土約束鋼管的幾何穩(wěn)定性增強，避免鋼管發(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，適用于深井軟巖巷道支護(hù)。目前，井下灌注式鋼管混凝土組合支架已在全國多個煤礦中的深井、軟巖、破碎帶及動壓等難支護(hù)巷道，取得了良好的支護(hù)效果。

本文借鑒鋼管混凝土支架良好支護(hù)特點，設(shè)計了適用于千米深井巷道交岔點的鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)形式，并對交岔點鋼管混凝土組合支架進(jìn)行分類研究，而后針對華豐礦-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點進(jìn)行了支護(hù)破壞分析，設(shè)計了基于鋼管混凝土組合支架的復(fù)合支護(hù)方案并應(yīng)用于工程實踐。

1 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)性能

1.1 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)特性

鋼管混凝土組合支架以鋼管混凝土為基本結(jié)構(gòu)材料，依據(jù)交岔點斷面設(shè)計支架組合形式，一般由1～2架支撐架和多架搭接架組合而成。鋼管混凝土組合支架采用圓形截面，截面慣性矩大且無異向性，不易扭曲變形，支架間采用頂桿連接，消除大尺寸支架的壓桿失穩(wěn)效應(yīng)。為消除薄軟節(jié)點，對注漿口進(jìn)行了結(jié)構(gòu)補強，對接頭套管進(jìn)行功能強化，對支架受彎側(cè)進(jìn)行抗彎強化等，保證支架整體結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)化。與U36型鋼支架的對比實驗表明，相同鋼材線密度條件下，?194 mm×8 mm型鋼管混凝土組合支架極限承載能力可達(dá)U36型鋼的3.17倍。

鋼管混凝土組合支架中搭接架一般沿主巷道布置，支架形式與主巷道支架一致；支撐架一般布置在旁支巷道，其上通常承載3～8架搭接架一幫傳來的荷載，荷載以集中力形式作用于支撐架上，因此支撐架是交岔點的關(guān)鍵承載體，所以支撐架材料型號和結(jié)構(gòu)剛度一般是搭接架的兩倍以上。

1.2 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)形式

鋼管混凝土組合支架依據(jù)巷道交岔點斷面設(shè)計，組合后不改變巷道交岔形式和斷面尺寸。依據(jù)交岔平面形式，組合支架有正交型、斜交型和分叉型三類，每一種類型又分為同等斷面組合型和大小斷面組合型，組合支架的搭接點是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置，同等斷面組合通常采用工字鋼擋板對接方式，大小斷面組合通常采用接頭套管插接對接方式，兩種組合方式具體結(jié)構(gòu)形式如下：

工字鋼擋板對接型鋼管混凝土組合支架如圖1所示，工字鋼分別焊接在支撐架與搭接架上，工字鋼疊合對接。這種對接方式可實現(xiàn)搭接架與支撐架之間壓力和推力的傳遞，對接處類似鉸接，不能傳遞彎矩，焊縫是受力關(guān)鍵點，決定組合結(jié)構(gòu)整體承載力。

接頭套管插接型鋼管混凝土組合支架如圖2所示，套管焊接在支撐架上，搭接架側(cè)幫段直接插入套管。搭接架側(cè)腿與支撐架拱軸線對應(yīng)，搭接架傳來荷載直接作用在支撐架上，對接處軸力傳遞良好，由支撐架承載力決定組合結(jié)構(gòu)整體承載力，設(shè)計時應(yīng)盡量避免對接處產(chǎn)生過大彎矩作用。

下面將對-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點原支護(hù)破壞進(jìn)行分析，由此確定交岔點返修支護(hù)設(shè)計和組合支架選型。

圖1 工字鋼擋板對接型鋼管混凝土組合支架

圖2 接頭套管插接型鋼管混凝土組合支架

2 巷道交岔點破壞分析與支架選型

華豐煤礦-1100 m水平中央泵房與泵房通道交岔點如圖3所示。由圖3可以看出，中央泵房與泵房通道有2個巷道交岔點，原支護(hù)采用相同技術(shù)方案，通常1～2年全面返修1次，嚴(yán)重影響泵房使用。

圖3 巷道交岔點平面位置圖

2.1 工程地質(zhì)分析

-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點埋深1250 m，-1100 m中央泵房為五水平主排水系統(tǒng)，服務(wù)年限長。-1100 m中央泵房為主巷道，穿層掘進(jìn)，圍巖主要是粉砂巖和中砂巖，巖層傾角33°～36°，鉆取粉砂巖制作試件，測得其單軸抗壓平均值為51.02 MPa，中砂巖強度略低，垂向地應(yīng)力約為32.5 MPa，鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測顯示圍巖水平應(yīng)力介于35～47 MPa之間，大于垂向地應(yīng)力。由于埋深較大，在高地應(yīng)力作用下圍巖整體表現(xiàn)出軟巖特征，巷道成型后常年流變。深部高應(yīng)力是交岔點圍巖變形的主要原因。

2.2 原支護(hù)變形分析

2.2.1 原支護(hù)變形特征

巷道交岔點原有支護(hù)形式為：初噴混凝土作臨時支護(hù)，錨噴+錨網(wǎng)噴作為永久支護(hù)。錨桿型號?25 mm×2400 mm，間排距1000 mm×1000 mm，金屬網(wǎng)規(guī)格為?5 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100 mm×100 mm，混凝土強度等級C20；8 m錨索加強支護(hù)，后架設(shè)直墻半圓拱形U29型鋼支架做二次加強支護(hù)；反底拱采用錨桿支護(hù)，澆筑800 mm厚的混凝土，錨桿型號?18 mm×1500 mm，間排距1000 mm×1000 mm。

原有支護(hù)條件下，巷道支護(hù)施工6個月后，巷道下沉和收斂平均變形量超過1000 mm，而且變形量不斷增加。初次支護(hù)1年后泵房被迫返修，原有支護(hù)下交岔點變形如圖4所示。

圖4 巷道交岔點變形情況

2.2.2 原支護(hù)變形影響因素

(1)巷道埋深大，圍巖穩(wěn)定蠕變階段加長，巷道圍巖應(yīng)力集中，圍巖支護(hù)讓壓變形量大，支護(hù)體強度不夠，失去自承載能力。

(2)支護(hù)設(shè)計不合理、強度不足。復(fù)合支護(hù)相互協(xié)調(diào)性差，同時U29型鋼底部不封閉，支護(hù)強度低，不能有效控制圍巖變形。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型分析

依據(jù)工程分析，-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點圍巖荷載大，常規(guī)支護(hù)不能滿足要求。泵房斷面大，泵房通道斷面小，屬于大套小斷面形式，巷道垂直交叉開挖空間大，支護(hù)體結(jié)構(gòu)與施工工藝設(shè)計更為復(fù)雜。

通過工程類比，采用鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行交岔點支護(hù)設(shè)計。主要設(shè)計內(nèi)容有：

(1)選擇合理的支架組合結(jié)構(gòu)形式，主要包括支架布局和交叉角度；

(2)單個支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括支架形狀設(shè)計和鋼管型號選擇；

(3)支撐架與搭接架之間的對接結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 交岔點鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 交岔點支架整體結(jié)構(gòu)

-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點，為兩巷道水平相交而成，交岔點為L型。交岔點支護(hù)設(shè)計采用鋼管混凝土組合支架+錨網(wǎng)噴+400 mm厚混凝土噴層。該交岔點鋼管混凝土組合支架包括1架支撐架和4架搭接架，搭接架對稱分布在支撐架軸線兩側(cè)，搭接架間距800 mm，支架平面布置如圖5所示，支架整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。各相鄰支架之間用頂桿連接，頂桿可限定支架的平面外位移，有利于交岔點支架的整體穩(wěn)定性。

圖5 交岔點支架布置示意圖

圖6 交岔點支架整體結(jié)構(gòu)

3.2 支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于泵房通道斷面較小(凈寬3.8 m，凈高3.4 m)，將其作為支撐架安裝空間，可以縮小支撐架結(jié)構(gòu)斷面，增加整體穩(wěn)定性，有利于保證搭接架充分發(fā)揮支撐性能。設(shè)計2架支撐架并排支護(hù)，通道最外側(cè)支撐架傾斜安裝，與搭接架斜腿傾斜角度相同，利于軸力傳遞，并盡可能降低節(jié)點彎矩。

支撐架斷面設(shè)計為直墻半圓拱形，鋼管型號?219 mm×10 mm，即外徑219 mm，壁厚10 mm。支架分為3段，鋼管內(nèi)加焊抗彎圓鋼，各段支架以接頭套管連接，支撐架頂部焊接與搭接架相連的接頭套管，連接套管型號?219 mm×10 mm，長度350 mm，支撐架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.3 搭接架結(jié)構(gòu)設(shè)計

-1100 m中央泵房常規(guī)支架選用?194 mm×8 mm斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架，能夠保持巷道穩(wěn)定，主巷道搭接架鋼管型號仍選用?194 mm×8 mm，搭接架形狀仍為斜墻半圓拱形，支架分3節(jié)，各節(jié)之間以法蘭連接，支架端頭焊接鋼板封閉鋼管，每架支架設(shè)置注漿孔和排氣孔。搭接架共4架，搭接架以支撐架中心線對稱布置，各對支架尺寸不同，單獨設(shè)計，其中1號搭接架和2號搭接架結(jié)構(gòu)相同，3號和4號結(jié)構(gòu)相同，2號和3號搭接架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 泵房通道支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖8 中央泵房1號和4號搭接架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

4 交岔點支架施工工藝與支護(hù)效果

4.1 交岔點支架施工工藝

交岔點支架安裝順序為：①拆除原有U型鋼支架；②擴(kuò)幫至巷道所需斷面要求；③噴涂100 mm厚的混凝土噴層；④掛金屬網(wǎng)；⑤進(jìn)行錨桿錨索施工；⑥反底拱錨網(wǎng)索支護(hù)；⑦安裝支撐架；⑧安裝搭接架。

交岔點支架施工工藝為：①在預(yù)定位置安裝支撐架；②由支撐架一側(cè)依次向另一側(cè)順序安裝搭接架；③調(diào)整支架，安裝頂桿，以固定支架位置；④交岔點支架安裝完成后，支架壁后空隙以木板背實；⑤使用混凝土輸送泵向支架內(nèi)灌注C40混凝土。-1100 m中央泵房-泵房通道交岔點鋼管混凝土組合支架返修后初始狀態(tài)如圖9所示。

圖9 中央泵房交岔點返修后初始狀態(tài)

圖10 -1100 m中央泵房與泵房通道交岔點支護(hù)

圖11 -1100 m中央泵房與管子井通道交岔點支護(hù)

4.2 支護(hù)效果

華豐礦-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點于2013年7月采用鋼管混凝土組合支架返修完畢。支撐架連接套管焊縫支護(hù)1年內(nèi)無可見開裂，支護(hù)3年后微開裂，采用電焊補強，保證了交岔點支架承載力。巷道交岔點頂板變形量與兩幫收斂量均低于100 mm，支護(hù)3年來巷道交岔點穩(wěn)定性良好，巷道交岔點使用情況如圖10和圖11所示。

5 結(jié)語

(1)巷道交岔點鋼管混凝土組合支架復(fù)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制深井軟巖巷道交岔點的大變形，支護(hù)體承載能力強。

(2)提出了適用于深井軟巖巷道交岔點的鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)形式，采用該鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)，易于施工、經(jīng)濟(jì)可靠，支架組合結(jié)構(gòu)承載能力可得到有效保障。

(3)基于所提出的巷道交岔點鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計了-1100 m中央泵房和泵房通道交岔點的支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場支護(hù)試驗。巷道交岔點至今穩(wěn)定性良好，能夠滿足使用要求，解決了深井軟巖巷道交岔點支護(hù)問題。