鲁村煤矿井底车场钢管混凝土支架支护应用

文增生，史春芝

(沂源县鲁村煤矿有限公司,山东 淄博 256104)

0 引言

钢管混凝土支架由空钢管热煨弯曲成巷道所需断面形状，井下现场灌注成型，具有强大支护能力，是同类U型钢支架的4～5倍，施工速度大于U型钢支架[1-4]。钢管混凝土支架的结构设计与施工工艺由中国矿业大学(北京)高延法教授提出，目前已在全国数十个矿井成功应用，取得良好效果[5-8]。其中典型的深井如华丰煤矿，采深1300多米[9]；典型的软岩矿井如查干淖尔一号井，粘土含量60%，粘土中蒙脱石含量80%[10]。

沂源县鲁村煤矿位于沂源煤田，矿井始建于1978年，年产量20万t，采用一对斜井开拓。近年来为提高产量投建混合立井，-270m井底车场开掘中遭遇红土岩地层，围岩强度低，岩性较差，导致掘进缓慢，支护特别困难。

该文分析了-270m井底车场围岩地质特征，设计了以钢管混凝土支架为主要措施的支护方案，并进行了钢管混凝土支架承载力计算分析。

1 -270m井底车场地质特征分析

1.1 -270m井底车场平面布置

图1 混合井-270m井底车场平面图

-270m井底车场埋深600m，刀形布置，车场平面布置如图1，车场巷道已掘进一半，阴影部分为马头门过渡段、等待室交叉点和绕道，最后施工，断面较大，交叉点存在，并且施工扰动较大，掘进支护将存在较大困难，准备采用钢管混凝土支架进行支护。

1.2 -270m井底车场围岩特征及巷道破坏分析

-270m井底车场巷道围岩尚未成岩，岩石强度低，巷道稳定性差。经山东泰山矿产资源检测研究院岩石力学检测分析证实，巷道围岩为红色泥质粉砂岩，岩石单周抗压强度5.9～8.2MPa，内摩擦角38.8°，凝聚力0.6MPa。围岩中的粘土矿物含量为35.2%，岩石遇水具有一定的膨胀性。

目前马头门支护采用锚网喷+钢筋混凝土砌碹，锚杆长3m，间排距为1.0m×0.8m，挂普通钢筋网喷层，砌碹厚度600mm，中等配筋率。混合井左边先施工，施工6个月内巷道稳定。此后混合井右边开始施工，此时左边混凝土开裂、片帮，并越来越严重。绕道采用锚喷网+29U型钢支架支护，施工后6个月全面返修。

通过对-270井底车场围岩特征及巷道破坏分析，其变形破坏原因主要有3点：①围岩单轴抗压强度低，巷道自身承载力太低；②巷道交叉布置或近距离施工扰动影响；③现有支护体强度不足，不能有效应对扰动影响。

2 -270m井底车场支护方案设计

支护方案设计原则：满足断面尺寸与支护强度要求；简化设计；成本合理，施工方便，结构可靠。

-270m井底车场钢管混凝土支架试验段长度约40m，巷道断面为圆形，试验支架数量50架，支架分布如图2，其中马头门过渡段支架间距0.8m，净断面由4.8m×4.1m递减至3.4m×3.4m；交叉口支架间距0.75m，净断面3.4m×3.4m；等候室支架间距0.8m，净断面3.0m×3.0m；绕道支架间距0.8m，净断面3.4m×3.4m。

图2 钢管混凝土支架支护分布图

支护以钢管混凝土支架为主要技术手段，巷道开挖后挂网打锚杆做临时护顶支护，然后架设钢管支架，支架后覆盖彩条布并全断面布置钢筋网，钢管支架灌注混凝土，壁后充填混凝土，支架外喷混凝土覆盖，完成全部支护措施。

2.1 钢管混凝土支架设计

钢管采用20#结构用无缝钢管，分Φ194×8mm和Φ194×10mm规格，单位重量分别为36.7kg/m和45.4kg/m。试验段设计有马头门过渡段钢管支架设计、交叉点支架设计、等候室支架设计和绕道支架设计。

(1)马头门过渡段钢管支架结构设计。支架所用钢管型号Φ194×10mm，支架分4段，套管连接，支架间使用顶杆连接，支护长度2.4m，共4架，断面逐渐缩小，第一架钢管支架结构设计如图3。

图3 马头门过渡段钢管支架设计图

(2)交叉点钢管支架结构设计。交叉点是支护中的难点，交叉点使用支架搭接更是难度大增。交叉点支架所用钢管型号Φ194×10mm，交叉点长度3m，共4架搭接支架和1架支撑支架，搭接支架间距0.75m。支撑架的顶弧段和反底拱段分别焊置4对工字钢搭接角架，搭接架顶弧段和反底拱段延长，并在延长起始点焊置工字钢搭接角架，正好与支撑架相扣，保证紧密连接，良好传递压力。搭接架分2种断面结构，结构设计如图4。

(3)等候室钢管支架结构设计。等候室支架与交叉点支撑架相同，其目的是保护支撑架免受端头效应，共同承担交叉点压力。支架所用钢管型号Φ194mm×10mm，支护长度1.6m，共2架。

图4 交叉点钢管支架设计图

(4)绕道钢管支架结构设计。绕道支护长度32m，根据其他矿井施工经验，端头钢管支架容易产生破坏，为避免该效应，在绕道两端使用Φ194mm×10mm加强支架，绕道中间使用Φ194×8mm普通支架。其中加强支架6架，普通支架34架。支架结构设计如图5。

图5 绕道钢管支架设计图

(5)核心混凝土配比设计。核心混凝土设计为强度等级C40混凝土，核心混凝土基本配料为水泥、砂子和石子，同时为满足泵送要求、减少混凝土用量加入减水剂，掺量2%；为防止混凝土干缩导致核心混凝土与钢管剥离加入膨胀剂，掺量8%；为增加混凝土的韧性和抗变形能力加入钢纤维，掺量5%，按水泥重量比掺入。

2.2 锚网喷支护及壁后充填设计

巷道开挖后立即对围岩喷射30～50mm厚混凝土封闭，然后挂网打锚杆，为节省材料使用塑料网，锚杆长度3.0m，排距1000mm，顶部紧密，两帮疏松。架设钢管混凝土支架，在支架后铺设彩条布与钢筋网，钢筋网紧贴支架，彩条布与围岩预留200mm空间，以C40混凝土或喷浆混凝土充填。绕道综合支护效果如图6。

图6 绕道综合支护设计图

3 钢管混凝土支架承载能力验算

以绕道Ф194mm×10mm钢管混凝土支架为计算对象。钢管选用20#结构用无缝钢管，钢材的屈服极限fs=215N/mm2，钢管的横截面积As=5778mm2。设计混凝土强度等级C40，混凝土轴心抗压强度fc1=19.1N/mm2，钢管内填混凝土横截面的净面积Ac=23767mm2。

3.1 钢管混凝土短柱承载力

根据《现代钢管混凝土结构(修订版)》[11]，钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值为

式中：θ为套箍指标。

=2573(kN)

3.2 支架承载能力计算

根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》，考虑钢管支架在压弯时，受长细比与偏心率影响，因此计算钢管混凝土支架的极限承载力时需要乘上相应的折减系数，因此钢管混凝土支架的极限承载能力表示为：

Nu=φl·φe·N0=φ·N0

式中：Nu—钢管混凝土支架的极限承载力；N0—钢管混凝土轴压短柱承载力；φ—折减系数；考虑长细比和偏心率的影响，折减系数取φ=0.778。

支架上部半圆拱的极限承载平衡方程为：

Nu=φlφθN0=φN0=2573×0.78=2001kN

因此Ф194×10mm钢管混凝土支架承载能力为2001(kN)，约200t。

3.3 支架支护反力计算

图7 钢管混凝土支架结构力学模型

巷道中钢管混凝土支架结构力学模型如图7。根据该力学模型，马头门处钢管混凝土支架支护反力为：

式中：S—支架间距，0.8m；R—巷道计算半径，2.23m；σ0—支架的支护反力；Nu—支架极限承载力。求出钢管混凝土支架的支护反力为：σ0=1.14MPa

同理对目前使用的U29型钢支架进行计算得支护反力为0.28MPa。钢管混凝土支架的承载能力是U29型钢支架的4倍，与U29型钢支架支护间距相同，可以满足巷道稳定要求。

4 结论

以鲁村煤矿-270m井底车场为工程背景，分析了围岩地质特征，提出基于钢管混凝土支架的综合支护方案，并对绕道钢管混凝土支架进行了承载能力计算分析。

(1)-270m井底车场围岩主要泥质粉砂岩，岩石强度低，承载能力差，现有锚网喷+U29型钢支架支护和锚网喷+混凝土砌碹支护不能满足支护要求，需要提高支护反力。

(2)-270m井底车场巷道断面全部为圆形，支护布置分4段：马头门过渡段，支架型号Ф194mm×10mm，间距0.8m，4架；交叉口，支架型号Ф194mm×10mm，间距0.75m，搭接架3架，支撑架1架；等候室，支架型号Ф194mm×10mm，间距0.75m，2架；

绕道，两端加强支架型号Ф194mm×10mm，中间普通支架型号Ф194mm×8mm，间距0.8m，加强支架6架，普通支架34架。

(3)绕道钢管混凝土支架承载力验算得出Ф194×10mm支架支护反力为1.14MPa，是U29型钢支架4倍，满足巷道支护要求。

参考文献：

[1] 高延法,王波,李冰，等.深井软岩巷道钢管混凝土支架支护实验研究[A]//全国冲击地压研讨会暨2008全国煤矿安全、高效、洁净开采技术新进展研讨会论文集[C].2008:333-338.

[2] 高延法,王波,曲广龙，等.钢管混凝土支架力学性能实验及其在巷道支护中的应用[A]//第八届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会[C].2009,C15-1-10.

[3] 高延法,王波,王军，等.深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用[J].岩石力学与工程学报,2010，29(增1):2604-2609．

[4] 牛学良.深井软岩巷道稳定性控制理论与技术研究[D].山东科技大学，2008.

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[6] 李冰.深井软岩巷道钢管混凝土支架支护稳定性分析及工程应用[D].中国矿业大学(北京)，2009:46-65.

[7] 张长福.动压软岩巷道钢管混凝土支架支护性能与经济效益分析[D].中国矿业大学(北京)，2010.

[8] 王军,田英楠,韩立强，等.钢管混凝土支架附着式振动器[J].煤矿机械，2010,31(6):130-133.

[9] 王军.华丰煤矿深井巷道钢管混凝土支架支护技术研究[D].中国矿业大学(北京)，2011.

[10] 文增生，张宗坤，单吉成.沂源鲁村煤矿千米混合立井围岩稳定性分析与施工措施[J].山东国土资源，2010，26(12)：15-17.

[11] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社，2007.