平巷钢支架支护技术应用及大断面钢支架定额编制

高 超

(河钢集团矿业公司司家营南区矿山分公司)

司家营南区矿山分公司成立于2016年12月，由原田兴铁矿和原大贾庄铁矿组成，目前为国内最大的在建地下铁矿。矿床分布于饱和含水层的第四系，受地质条件及以前唐山大地震的影响，矿区内地质构造发生明显变化，裂隙发育，含水丰富。平巷掘进过程中，多遇裂隙破碎带，基岩构造裂隙含水层段涌水量达420.5 m3/h，属于大水矿山[1]。矿山在平巷施工遇到断层破碎带时，主要以混凝土砌碹的施工方式进行支护，而砌碹支护具有连续浇筑施工周期长，拱部浇筑施工困难，养护时间长等缺点。因此，探究一种方便、快捷的刚性支护形式是目前冶金矿山施工的一个重要课题。

冶金矿山行业定额编制中平硐平巷钢支架支护定额仅有断面小于10 m2的子目，探究大断面钢支架支护技术既是冶金矿山项目施工的一个重要课题，也是工程结算面临的一个难题。现阶段使用的《冶金矿山井巷工程预算定额》(2010年版)的部分行业定额已经不能满足南区分公司矿山基建的正常需求，亟需补充、完善工程预算定额。

1 可缩性钢支架支护

1.1 钢支架组成

目前普遍使用刚性支架和可缩性支架，可缩性钢支架主要包括以下几部分：

(1)顶梁。顶梁为圆弧拱形，分为单节拱和多节拱，其数量视巷道断面类型、断面大小、支架受力情况选取。

(2)柱腿。柱腿有2种形式，一种是直腿型支架，上部为圆弧形，下部为直线段；第二种是曲腿型支架，全部为曲线形，有一个曲率半径。柱腿下面焊有底座，增大柱腿受力面积。

(3)卡缆。卡缆是支架节与节间的卡紧装置，起节间连接作用，同时紧固两节型钢接头部分，使型钢之间具有摩擦力，从而保证拱形支架具有一定的工作阻力和可缩性。卡缆使重叠处型钢压紧并使型钢能承受一定载荷,卡缆按定位方式分为耳定位、腰定位和底定位3种，按结构形式分为螺栓连接式(双槽形夹板式和单槽形夹板式)和楔式2种。卡缆定位方式和结构形式分别见图1、图2。

图1 卡缆定位方式

图2 单槽型夹板式卡缆

(4)架间拉杆。架间拉杆将支架纵向连接起来，形成整体，增强支架整体相对稳定性。

(5)背板。背板是钢支架与围岩之间的填充材料，使钢支架与围岩接触紧密，改善支架的受力状况，提高其承载能力并保持围岩的稳定性。

1.2 钢支架受力分析

图3为钢支架侧帮和拱顶受力情况。其中，R为钢支架顶梁半径，h1为墙高，φ为中心角，q1,q2为应力强度。

图3 钢支架侧帮和拱顶受力示意

由钢支架左半部分受力简图(图4)可知，拱顶弯矩为[2]

(1)

式中，M1为拱顶弯矩，N·m；q1为作用于拱顶的均布荷载，N/m；q2为作用于侧帮的均布荷载，N/m ；R为钢支架拱半径，m；h1为墙高，m。

图4 侧帮和拱顶受力简化示意图(左半部分受力分析)

取内缘所对应的应力值σ1和外缘所对应的应力值σ2的最大值σmax，与钢支架极限强度值比较，当最大应力值σmax无限接近于极限强度值[σ]时，计算出最大承载能力下的最大外荷载q1max和q2max。

1.3 支护参数

可缩性钢支架的优点在于当围岩作用于支架上的荷载压力达到一定值时，型钢搭接段会产生缩动，使围岩作用于支架上的压力下降，从而避免围岩压力大于支架的承载力而造成支架破坏。

根据现场施工揭露出的破碎带分析可知，前方围岩级别为V，岩体松散破碎，涌水量大。在采取合理有效的治理涌水措施下，本次设计钢拱架为36U可缩性支架，采用4节三心拱直腿型支架[3]。各节搭接长度为500 mm，柱腿底部加焊220 mm×170 mm×25 mm钢板；钢支架每个搭接段内采用2套36U双槽型夹板式卡缆连接，卡缆固定间距为300 mm；钢支架采用φ25 mm树脂锚杆固定，锚入岩体深度不小于2.5 m，每架钢支架锚杆眼10个，其中，左右柱腿各3个，拱部4个。钢支架之间采用φ25 mm螺纹钢拉杆焊接连接，每根拉杆长度为500 mm，每个钢支架用8根，左右柱腿各用3根，上拱架用2根。

钢支架榀距与钢支架所受的荷载力有关，其中顶板方向每米巷道的均布荷载力F0计算公式为[4]

F0=PμkμB,

(2)

式中,F0为巷道的均布荷载力，N/m；Pμ为标准的单位荷载，N/m；kμ为过载荷可靠系数；B为巷道宽度，m。

支护密度等于每米巷道计算荷载力F0与单架钢支架最大外荷载q1max和q2max之比，即

(3)

式中,F0为巷道的均布荷载力，N/m；L为钢支架榀距，m;其他参数符号意义同上。

依据式(1)～式(3)计算得出本次钢支架支护榀距L=0.5 m。钢支架支护见图5。

现场施工时，依据实际地质条件适当调整了支护参数，在岩石破碎严重地段还进行了挂网作业，确保钢支架支护时的施工安全。锚杆、钢筋网、钢支架的配合使用使得支护效果更佳。

2 大断面钢支架定额编制

本次定额编制本着合法性、准确性、合理性为原则，主要采取技术测定法和比较类推法2种测定方法[5]，同时参考《煤炭建设井巷工程概算定额》(2007基价)平硐及平巷金属支架支护定额和《冶金矿山井巷工程预算定额》(2010版)平硐平巷钢支架断面小于10 m2定额进行编制。

图5 钢支架支护示意(单位：mm)

2.1 材料消耗量统计

根据施工组织设计和现场施工实际情况，记录每跨钢支架钢材消耗量，见表1。

表1 每跨钢支架材料消耗量

2.2 人工消耗量指标

预算定额中的人工消耗量指标包括完成该分项工程所必须的基本用工和其他用工数量，不分工种和工资等级，均以综合工日表示。依据《冶金矿山井巷工程预算定额》(2010版)，综合工日单价取定为48元/工日。

2.3 补充定额编制结果

由于篇幅有限，仅列出断面≤12 m2、≤15 m2的定额子目，平硐平巷大断面钢支架支护补充定额编制部分结果见表2。定额编制结果完全符合《冶金矿山井巷工程预算定额》(2010版)编制要求。

3 结 语

通过施工前对可缩性钢支架支护性能的测算及施工时支护参数的调整，顺利通过巷道破碎带，为以后其他类似巷道支护奠定了基础。同时，此次定额编制以现场实际情况为主，邀请了设计单位、施工单位、监理单位、定额监管单位协助完成，避免了因利益原因、主观意识原因等造成定额编制的错误。补充定额(编号：KB0401～KB0424)编制完成后报备冶金工业建设工程定额总站并通过认证(冶建定[2015]27号)，具有法律效益。

[1] 宋爱东，郭献章，刘大金.司家营铁矿南区防治水措施初探[J].河北冶金，2013(1)：1-4.

[2] 王 刚,丁红岗.U型钢支护能力分析[J].现代矿业，2016(2)：179-182.

[3] 张 盛,张易飞,王云龙.不同水平应力对U钢支架支护巷道稳定性影响的研究[J].中国矿业，2012，21(8)：79-82.

[4] 汪成兵,勾攀峰,韦四江.U型钢可缩性支架支护设计及应用研究[J].有色金属:矿山部分，2006，58(3)：30-34.

[5] 徐忠伟.浅谈工程预算定额的编制[J]，科技创新导报，2008(30)：66.

表2 平硐平巷大断面钢支架支护补充定额(部分) 100架