深井软岩巷道钢管混凝土支架复合支护技术∗

刘珂铭 高延法 郭 贺 张凤银 张 磊 李 赏

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京市海淀区,100083)

深井软岩巷道钢管混凝土支架复合支护技术∗

刘珂铭 高延法 郭 贺 张凤银 张 磊 李 赏

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京市海淀区,100083)

针对口孜东煤矿－967 m水平轨道石门软岩巷道变形严重支护困难的问题,结合现场考察、室内测试、现场试验与监测等方法,分析了围岩变形特征和巷道失稳破坏的原因,在此基础上,依据承压环强化支护理论,提出了2种基于钢管混凝土支架的高强度复合支护方案。工程应用表明2种封闭式高强度复合支护体均能有效抑制围岩向巷道空间内移动,围岩最大移近量小于90 mm,满足巷道变形要求,同时支护体整体结构完好,工程应用效果优良。

深井软岩巷道 巷道支护 钢管混凝土支架 封闭式 复合支护

深部煤炭的开采将受到高地应力、高渗透压、高地温和强烈的开采扰动影响。同时,深部岩体所处地质条件和应力场的复杂性,导致巷道矿压显现剧烈,巷道围岩表现出显著的塑性大变形和持续流变特性,巷道围岩的控制难度较浅部地层大为增加。针对深井软岩巷道的稳定性控制,现阶段常用的是锚网索喷、锚注、U型钢支架等相互配合的联合支护形式。但是,采深的逐渐加大对现有支护形式提出极大的挑战,传统的联合支护形式不能很好地解决深井软岩巷道支护问题。因此,需要研发更合理、支护反力更大的巷道支护技术。

1 钢管混凝土结构

1.1 钢管混凝土短柱力学性能分析

钢管混凝土构件即是在空钢管内灌注核心混凝土,在受荷载初期,由于钢材的泊松比较大,所以在相同纵向压应变下,钢管的横向变形大于混凝土的横向变形,二者各自独立作用;随着载荷的增大,核心混凝土的横向变形系数逐渐接近钢管的横向变形系数,二者开始产生相互作用的紧箍力,但是这种紧箍力在钢管处于弹性及弹塑性阶段时很小,该阶段钢管混凝土构件的承载力基本为二者的代数和;进一步增加载荷,混凝土内部裂缝逐渐贯通扩展,核心混凝土的横向变形系数开始超过钢管,借助钢管的约束作用,混凝土处于三向受压状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗变形能力,同时混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力,增强了钢管的几何稳定性,能够避免钢管壁过早的发生屈曲破坏,二者在力学性能上的共生现象使材料的强度得到充分发挥,承载能力大幅提高。钢管和核心混凝土的受力特点如图1所示。

图1 钢管和混凝土受力状态示意图

文献中的试验测试表明,井下最常用的ø194 mm×8 mm的钢管混凝土短柱的轴压塑性极限承载能力可达454 t,是同等钢材线密度的U36型钢试件的2.7倍,承载优势明显。

1.2 井下灌注式钢管混凝土支架

井下灌注式钢管混凝土支架充分利用了上述复合材料的优势而发明的一种高强度支架,由地面加工支架并在井下安装、灌注。相关试验表明,在相同用钢量的条件下,钢管混凝土支架的极限承载力可达U型钢支架的2～5倍。其次,支架具有圆柱状断面,惯性矩大且无异向性,不易扭曲变形,支架间采用连杆连接,不会出现U型钢支架的结构失稳现象。

目前,钢管混凝土支架已经在全国20多个煤矿中的深井巷道、软岩巷道、动压巷道、特殊硐室和巷道交岔点等难支护巷道中得到了成功应用。

2 工程背景

口孜东煤矿－967 m水平北翼轨道石门钢管混凝土支架支护段埋深约1010 m,净断面6.0 m×4.8 m(宽×高),巷道围岩以泥岩、砂质泥岩等泥质构造为主,地质构造复杂,层理、节理和裂隙极为发育。现场取样对巷道围岩的物理力学性质进行室内测试,测试表明岩石天然单轴抗压强度为12.1～24.8 MPa,孔隙率4.7%～8.5%,岩石中粘土矿物含量高达69.7%,其中高岭石含量81%,伊－蒙混层矿物含量17%,伊利石含量2%。

巷道掘进初期根据不同地段实际情况采用锚网索喷或U29型钢支架进行单一支护,后来由于巷道变形量大,支护体破坏严重,支护形式逐步升级为锚网索喷＋U36型钢支架的联合支护方式,支护60 d后,巷道底鼓量达1.2 m,严重影响巷道正常使用。巷道后期返修在原有联合支护的基础上增加了钢筋混凝土碹体支护,但是巷道的稳定性仍然得不到有效控制,巷道变形量持续增大,变形呈现出四面来压的特点,巷道顶底板和两帮都有很大变形,原本6 m宽的巷道变形后宽度已不足4 m,底鼓累计量达4 m以上,严重影响安全和使用。

3 钢管混凝土支架复合支护方案设计

3.1 巷道变形破坏原因分析

北翼轨道石门巷道变形破坏的原因主要为以下几方面:

(1)巷道围岩岩性较软,粘土矿物含量较高,伊－蒙混层的存在导致围岩易吸水膨胀,高岭石的含量较大,使得岩石吸水后具有较强的崩解性。这导致围岩与空气、水接触后易风化、泥化,容易丧失完整性与整体性,降低了围岩的自承载能力。

(2)巷道埋深大,所处地段地质构造复杂,顶底板岩层滑面、裂隙较为发育,在深部高应力作用下,这些力学弱面会产生滑移变形和扩容,进而产生较大的塑性变形;后期的多次返修进一步劣化了围岩结构与强度,加剧了巷道变形。

(3)支护设计不合理、协调性差、支护强度不足。软弱围岩的可锚性较差,锚杆安装后,即使施加较大的预紧力,其锚固范围也很小,围岩发生变形时,托盘处围岩直接挤出散落,托盘上的力不能有效施加到围岩中;U型钢支架承载力较低且为半封闭式,导致巷道底鼓严重,巷道帮、顶的变形和压力也成倍增长,使整个支护结构破坏失稳;后期虽然使用钢筋混凝土碹体支护,但混凝土的硬化需要较长的时间,且U型钢支架提供的径向力相对较小,碹体强度提升缓慢,无法有效抑制围岩的早期快速变形;各支护体间的协调性差,进而导致各个击破,巷道最终整体失稳破坏。

3.2 支护方案设计原则

支护方案设计应遵循以下原则:

(1)开挖后及时进行临时支护,封闭围岩。由于泥岩吸水膨胀,风化易崩解,巷道开挖后应及时封闭围岩隔绝空气,避免高含水率泥岩风化碎裂,对支护体造成形变压力。

(2)采用封闭式高强度支护。巷道开挖后软弱围岩变形速度较快且持续时间长,变形呈现四面来压状态,过度让压必然导致巷道无法正常使用,造成支护失败。巷道支护应采用全断面高强度封闭式支护,防止出现薄弱点,降低应力集中程度。

(3)设计合理的让压方式。临时支护和二次支护都应具有一定的可缩性,以适应软弱围岩的变形。壁后填充结构应具有一定的韧性,应与支护体整体强度和刚度相适应。

3.3 复合支护方案设计

依据深井软岩巷道承压环强化支护理论,综合考虑巷道不同地段围岩结构特征、物理力学性质、巷道变形程度等因素,设计了2种支护方案,巷道扩修后先做一次锚网喷支护,后使用钢管混凝土支架做二次支护,复合支护后巷道净断面尺寸宽6.3 m×高4.5 m。具体支护方案如下:

方案Ⅰ:锚网喷＋ø194 mm×10 mm钢管混凝土支架＋壁后填充混凝土碹体,支架间距0.7 m。

方案Ⅱ:锚网喷＋ø219 mm×10 mm钢管混凝土支架＋壁后填充混凝土碹体,支架间距0.7 m。

3.3.1 钢管混凝土支架设计

(1)支架结构与参数选型。依据工程类比法,支架断面设计为浅底拱圆形;方案I中支架主体钢管选用ø194 mm×10 mm的无缝钢管,考虑到如支护段巷道围岩变形较大,故采用方案Ⅱ中ø219 mm×10 mm的无缝钢管以增加支护反力;支架主体结构包括顶拱段,两帮段和底拱段。支架主体结构参数见表1。

表1 浅底拱圆形支架主体结构参数表

(2)核心混凝土配比。钢管内核心混凝土强度等级按C40配比,为使支架较早形成高强度支护力,核心混凝土中掺加一定剂量的早强剂和钢纤维。

(3)承载力计算。按照文献中的计算方法,求得ø194 mm×10 mm支架的支护反力可达0.9 MPa;ø219 mm×10 mm支架的支护反力可达1.1 MPa。按照文献中的计算方法,方案Ⅰ形成的承压环支护体提供的最大支护反力可达1.64 MPa;方案Ⅱ形成的承压环支护体提供的最大支护反力可达2.08 MPa,巷道每米支护费用较方案Ⅰ增加约850元。

3.3.2 锚网喷支护与壁后填充设计

巷道扩修后初喷50 mm厚的混凝土喷层以封闭围岩,随后施加锚网喷支护,锚杆采用ø22 mm ×2500 mm左旋螺纹钢无纵筋高强锚杆,间排距700 mm×700 mm;金属网采用ø6 mm钢筋焊制,网孔规格100 mm×100 mm。

壁后填充采用250 mm厚C20混凝土碹体,杜绝破碎围岩与空气、水分的接触。

复合支护方案整体设计如图2所示。

4 工程应用

4.1 巷道支护施工流程

巷道支护工艺流程:巷道卧底、刷扩→初喷混凝土喷层→锚网索喷支护→安装空钢管支架→壁后填充混凝土碹体→钢管支架集中灌注核心混凝土。

4.2 巷道围岩变形监测

北翼轨道石门钢管混凝土支架支护段总长70 m,其中采用方案I支护段长46 m,使用支架66架。选取2个断面,采用十字布线法对巷道围岩的收敛变形进行监测。支护后30 d内每3 d观测一次,后期每10 d观测一次,持续监测90 d。方案I支护段围岩变形监测如图3(a)所示。

图2 复合支护方案设计图

方案II支护段巷道长24 m,使用支架34架。围岩变形监测方法同上,围岩变形监测如图3(b)所示。

图3 方案I和方案II支护段围岩变形监测图

监测表明:2种支护方案均能有效控制巷道围岩的收敛变形,支护后50 d内,巷道围岩变形相继趋于稳定,最大变形量小于90 mm,能够满足巷道变形要求,并且支架整体结构完好,应用效果良好。

5 结论

(1)北翼轨道石门巷道围岩属于低强度泥质软岩,在深部高应力作用下,巷道围岩变形以膨胀、扩容为主,应在全断面施加封闭式高强度支护以控制围岩的收敛变形。

(2)设计了2种基于钢管混凝土支架的封闭式高强度复合支护方案。

方案Ⅰ:锚网喷＋ø194 mm×10 mm钢管混凝土支架＋250 mm厚混凝土碹体。

方案Ⅱ:锚网喷＋ø219 mm×10 mm钢管混凝土支架＋250 mm厚混凝土碹体。

理论计算表明方案Ⅱ支护体提供的最大支护反力可比方案Ⅰ提高约0.4 MPa,适用于巷道围岩条件差、变形量较大地段的支护。

(3)基于钢管混凝土支架的复合支护方案设计灵活,与原有联合支护形式相比,该复合支护技术能够有效控制巷道围岩的收敛变形,维护巷道的长期稳定,研究结果为类似条件巷道的支护设计提供新的思路,有一定借鉴作用。

[1] 康红普,王金华,林健．煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J]．岩石力学与工程学报,2010(4)

[2] 徐磊,桑普天,王凌燕．深部软岩巷道喷、棚、锚、注联合支护技术研究[J]．中国煤炭,2011(11)

[3] 王其洲,谢文兵,祖梦柯．高应力软岩巷道围岩控制技术研究[J]．中国煤炭,2011(10)

[4] 康红普．深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术[J]．煤炭科学技术,2013(9)

[5] 王军．钢管混凝土圆弧拱的抗弯力学性能实验研究与工程应用[D]．北京:中国矿业大学(北京), 2014

[6] 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实验及应用[J]．岩石力学与工程学报,2010(增1)

[7] 刘国磊．钢管混凝土支架性能与软岩巷道承压环强化支护理论研究[D]．北京:中国矿业大学(北京),2013[8] 李学彬,高延法,杨仁树等．大断面软岩斜井高强度钢管混凝土支架支护技术[J]．煤炭学报,2013(10)

[9] 李学彬,杨仁树,高延法等．深井软岩巷道塑性区承压环的理论分析[J]．煤矿开采,2013(5)

[10] 高延法,王军,黄万朋等．直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用[J]．隧道建设,2014(1)

[11] 张少峰．鹤壁三矿钢管混凝土支架技术应用[D]．北京:中国矿业大学(北京),2012

[12] 黄万朋,高延法,王军．扰动作用下深部岩巷长期大变形机制及控制技术[J]．煤炭学报,2014(5)

[13] 高延法,冯绍伟,刘珂铭等．极软岩返修巷道钢管混凝土支架支护方案研究[J]．中国煤炭,2014(11)

Composite support technology of concrete-filled steel tube support in deep soft rock roadway

Liu Keming,Gao Yanfa,Guo He,Zhang Fengyin,Zhang Lei,Li Shang
(School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

Aimed at the problem that the soft roadway of orbital cross-hole at the depth level of-967 m in Kouzidong Coal Mine transformed severely and was hard to support,comprehensive methods that including site inspection,laboratory test,field test and monitoring were used to analysis the features of surrounding rock deformation and the reasons of buckling failure.On the basis of above analysis,two high strength composite support schemes based on concrete-filled steel tube support were put forward according to the strengthening support theory of pressure bearing ring.The engineering application results showed that these two enclosed type composite support systems could effectively restrain the surrounding rock from moving to the roadway,and the maximum deformation of surrounding rock was less than 90 mm,which met the requirement of roadway deformation.The massive structure of support system was in good condition,and the engineering application effect was also good.

deep soft rock roadway,roadway support,concrete-filled steel tube support, enclosed type,composite support

TD353

A

刘珂铭(1988－),男,山东临沂人,博士研究生,主要从事深井软岩巷道支护、矿山岩体力学等方面的研究工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金项目(51474218, 51134025)