查干淖尔一号井交叉点巷道支护技术研究

毛永江 李少华（中煤矿山建设集团第三十工程处，安徽宿州 234000）



查干淖尔一号井交叉点巷道支护技术研究

毛永江 李少华
（中煤矿山建设集团第三十工程处，安徽宿州 234000）

【摘要】查干淖尔一号井风井区地质条件复杂，属于典型的软岩巷道，围岩破碎，两帮变形和底臌现象十分严重，局部巷道甚至引发顶板冒落，同时巷道的掘进、维护问题突出，巷道工程质量和掘进速度已受到严重影响。针对该巷道支护的突出问题，本文采用理论分析及现场观测等方法，对其力学特性、变形破坏机理、支护技术等进行了研究，提出了采用钢管混凝土支架+锚网支护+强力抗拉网+网喷联合支护方案。通过现场变形监测数据分析了钢管混凝土支架的支护效果，表明支架可以有效控制围岩变形，尤其是软岩条件下的交叉点支护，取得了良好效果。

【关键词】软岩巷道 支护技术 钢管混凝土支架 交叉点 变形监测

1 地质特征

查干淖尔一号井设计8.0 Mt/年，风井井口标高+1037m，风井落底标高+837.5m。主要巷道和硐室设计在2煤中，2煤是本井田主要可采煤层，可采煤层厚度3.10～41.95m，平均22.32m，该煤层白垩系下统巴彦花组煤系地层。

1.1 煤层顶底板岩性

组成煤层顶、底板的岩石主要以泥岩、砂质泥岩为主，其次为各类砂岩。各种岩石的力学强度低，多为软岩类岩石，而泥岩又遇水膨胀、软化、崩解，流变、蠕变现象严重，围岩多为泥质胶结，呈层状结构，块状构造，岩体各向异性。因此组成煤层顶、底板岩石的强度很低，稳定性差，如表1所示。

由于白垩系下统巴彦花组煤系地层形成年代较晚，地层胶结性较差，且本区巴彦花组地层岩性主要为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等软岩组成，其主要由粘土矿物组成，局部地层粘土矿物含量高达60.6%，粘土矿物中蒙脱石含量达到82%，遇水极易软化。

1.2 变形机理

通过山东科技大学对2号煤层顶底板岩石矿物成分化验得知：

（1）该软岩具有极高的流变性、可塑性，支架后面的软岩层向有空间的地方流动，支架受力不均匀时，容易形成应力集中，当应力增长到一定程度，支护体薄弱处变形量加剧，造成支架破坏。

（2）软弱围岩具有崩解性、膨胀性，特别是潮湿、遇水后围岩膨胀加快，随时间变化压力急剧增高，变形加大，使支架受到破坏。

（3）水渗流使软岩变形不可逆转，围岩蠕变由衰减阶段、稳定阶段到加速阶段的三个阶段，造成工程不稳定期持续时间很长。

1.3 变形破坏特征

巷道表现为四周普遍受压，并且全断面收缩，同时底臌现象十分严重，局部巷道甚至引发顶板冒落和两帮破坏，巷道先采取刚性支架+锚网喷+锁腿锚杆+锚索联合支护方式，一个月后巷道变形达到1m～2m，甚至垮塌。巷道先后采用16#工字钢、12#矿用工字钢和U36支架支护，但均宣告失败，耗费了大量的人力、物力和财力，严重影响了工程进度和工程质量，给整个矿井的整体建设带来严重影响。

表1　煤层顶底板岩层物理力学性质

巷道变形如图1和图2。鉴于此，通过组织专家现场论证，参考相关专家研究成果［1-4］，决定采用强度较高的钢管混凝土支架进行支护。

2 钢管混凝土支架支护方案

2.1 钢管混凝土支架在2煤辅助运输大巷的应用

巷道返修采用浅底拱圆形钢管混凝土支架+锚网+强力抗拉网+网喷+壁厚注浆+底板锚索束联合支护，巷道掘进断面：宽×高=6711mm×5700mm，使用钢管混凝土支架后巷道断面：宽×高=5400mm×4200mm，支架间距700mm，二次成巷时，在钢管混凝土支架上使用φ6.5mm盘圆制作的钢筋网，喷浆厚度100mm，巷道铺底采用钢筋混凝土，钢筋规格为φ20mm，间排距为200×200mm，喷射混凝土强度为C25，铺底混凝土强度为C40。支护断面如图3所示。

2.2 钢管混凝土支架在交叉点（以风井区一号交叉点为例）中的应用

一号交叉点巷道返修时采用浅底拱圆形钢管混凝土支架+强力抗拉网+网喷+壁厚注浆+底板锚索束联合支护。使用钢管混凝土支护后巷道断面：净宽×净高=5000mm×4300mm，支架间距700mm，二次成巷时，在钢管混凝土支架上使用φ6.5mm盘圆制作的钢筋网，喷浆厚度100mm，巷道铺底采用钢筋混凝土，钢筋规格为φ 20mm，间排距为200×200mm，喷射混凝土强度为C25，铺底混凝土强度为C40。支护断面如图4所示。

一号交叉点共计使用钢管混凝土支架32架，其中正常架23架，支撑架1架，异形架8架。异形架支架之间全面用工字钢连接（工字钢两端切弧焊接）；异形架支架按照编号正确对接法兰，对接时切割口两侧编号必须一致，异形支架4#和5#、3#和6#、2#和7#、1#和8#关于支撑架中线对称分布。

交叉点施工流程：

安全检查（如敲帮问顶）→开始人工风镐自上而下扩刷至设计断面→初喷30～50mm成形，做好临时支护→铺设5mm厚钢板、下底梁，架棚腿、棚梁、上拉杆、强力抗拉网→顶、帮充填→初喷至与支架平行→下一循环作业。

架设6架后开始钢管混凝土支架注浆→扎钢筋、铺底→挂内层金属网复喷→顶、帮部壁后注浆→底板锚索束（铺底5天后施工）。

2.3 底板锚索束

巷道成巷后底板施工3道锚索束，钻孔参数：锚索钻孔孔径为φ 90mm；孔深8000mm，采用五花布置，中间孔位于巷道中心线上，垂直底板，两侧孔距帮0.5m，外摆15°。

每个孔采用3根8600mm长、φ17.8mm钢绞线制作的锚索束，托盘采用双托盘，使用锚索涨拉器涨紧至单根钢绞线120KN。如图5和图6所示：

3 支架承载力计算

3.1 支架短柱承载能力计算

支架钢管型号为Ф194×10mm，钢材的屈服极限fs=215N/ mm2，钢管的横截面积As=5778mm2。设计混凝土型号C40，混凝土轴心抗压强度fc1=19.1N/mm2，混凝土中加入钢纤维，强度增加30%，加入钢纤维的核心抗压强度为fc=25N/mm2，钢管内填混凝土横截面的净面积Ac=23767mm2。

根据《现代钢管混凝土结构（修订版）》，钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值N0为：

将相关参数代入得，

N0=2828kN

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》（CECS28：90），考虑钢管支架在压弯时，受长细比与偏心率影响，考虑相应的折减系数，极限承载能力表示为：

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=0.78。支架上部半圆拱的极限承载能力为：

Nu=2206kN

即支架承载能力为2206kN，约220t。

3.3 巷道中钢管混凝土支架结构力学模型如图7所示

支架半圆拱承受均匀围压力。若圆心角α较大（拱较深），时，拱的剪力和弯矩都很小。半圆拱，拱的剪力和弯矩相对轴力很小。在此，仅考虑轴力作用下计算支架支护反力，并假设半圆拱上轴力均可以达到钢管混凝土柱的极限承载力（考虑长细比影响），如此根据该力学模型，支架受力平衡方程为：

式中，S—支架间距，取0.7m；

R—巷道计算半径，3.078m （以一号交叉点正常架和支撑架半径计算）；

σ0—支架的支护反力；

Nu—支架极限承载力。

代入相关参数获得钢管混凝土支架的支护反力为：σ0=1.03MPa。

即支架间距0.7m时支护反力为1.03Pa。

4 支护效果分析

在一号交叉点段钢管混凝土支架施工过程中布置4组位移观测点，从中选择3#测点对其观测数据进行整理分析，绘制巷道变形特征曲线如图8所示。

由图7知，顶板下沉量小于50mm，两帮移近量小于60mm，底板上鼓量小于40mm；总体变形量不大，两帮和顶板7～15天变形明显；因施工工序复杂，进度较慢，每天只能架设一架，通常返修6架后开始注浆，因此底鼓量于5～12天变化较快，待浇筑混凝土后7天底鼓变化趋势较小。

从两帮和顶底板变化位移来看，都出现明显加速时间是7～12天，巷道整体到20天之后趋于平稳。因此，在巷道开掘7～12天范围内进行壁后注浆加固和底板锚索束施工，可以有效控制巷道变形，根据近3个月的测量观测，巷道变形达到稳定，巷道尺寸满足生产要求，至今运行良好。

5 结语

查干淖尔一号井风井区巷道和交叉点原采用刚性支架+锚网+网喷+锚索联合支护方式，巷道破坏严重，表现为巷道断面缩小、底鼓严重、刚性支架严重变形，甚至巷道垮塌。采用钢管混凝土支架支护后，特别是在软岩条件下施工交叉点时，不断优化支架方案后最终采用特殊的钢管混凝土支架结构，巷道围岩变形控制在预留变形量范围内，支架完好，无变形破坏，巷道稳定，说明钢管混凝土支架能够满足现场的支护要求。

参考文献：

［1］高延法，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（5）：2604-2609.

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

［3］王波.软岩巷道变形机理分析与钢管混凝土支架支护技术研究［D］.北京：中国矿业大学（北京），2008.

［4］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］.北京：中国矿业大学（北京），2009.

作者简介：毛永江（1987—），男，汉族，辽宁朝阳人，助理工程师，2009年本科毕业于河南理工大学测绘工程学院，现在中煤矿山建设集团第三十工程处查干淖尔项目部技术主管。

【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