钢管混凝土组合支架在深井巷道交岔点支护中的应用研究

2019-06-05胡兆峰

中国煤炭 2019年5期

胡兆峰王军

(1.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿，山东省泰安市，271413；2.山东建筑大学土木工程学院，山东省济南市，250101)

巷道交岔点断面较大，受尺寸效应影响围岩应力集中显著，围岩荷载大，支护体往往发生大变形甚至严重破坏，造成围岩难以支护。特别是位于松软破碎、高地应力、膨胀性软岩及深部巷道的交岔点，其支护更加困难。常规U型钢架棚支护或锚网索支护都难以满足交岔点支护稳定要求，巷道交岔点也逐渐变成矿山巷道支护特殊困难地点。因此，研究支护稳定、结构简单且施工方便的巷道交岔点支护技术意义重大。

装配灌注式钢管混凝土支架是近年来发展起来的一种高强支护结构，它是通过地面分段弯管、井下装配并现场灌注混凝土而成的支护形式，充分利用了钢管和混凝土材料的优势。核心混凝土借助钢管管壳的约束作用，处于三向受压状态，使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗变形能力；受混凝土约束钢管的几何稳定性增强，避免钢管发生屈曲破坏，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，适用于深井软岩巷道支护。目前，井下灌注式钢管混凝土组合支架已在全国多个煤矿中的深井、软岩、破碎带及动压等难支护巷道，取得了良好的支护效果。

本文借鉴钢管混凝土支架良好支护特点，设计了适用于千米深井巷道交岔点的钢管混凝土组合支架结构形式，并对交岔点钢管混凝土组合支架进行分类研究，而后针对华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点进行了支护破坏分析，设计了基于钢管混凝土组合支架的复合支护方案并应用于工程实践。

1 钢管混凝土组合支架结构性能

1.1 钢管混凝土组合支架结构特性

钢管混凝土组合支架以钢管混凝土为基本结构材料，依据交岔点断面设计支架组合形式，一般由1～2架支撑架和多架搭接架组合而成。钢管混凝土组合支架采用圆形截面，截面惯性矩大且无异向性，不易扭曲变形，支架间采用顶杆连接，消除大尺寸支架的压杆失稳效应。为消除薄软节点，对注浆口进行了结构补强，对接头套管进行功能强化，对支架受弯侧进行抗弯强化等，保证支架整体结构性能最优化。与U36型钢支架的对比实验表明，相同钢材线密度条件下，ø194 mm×8 mm型钢管混凝土组合支架极限承载能力可达U36型钢的3.17倍。

钢管混凝土组合支架中搭接架一般沿主巷道布置，支架形式与主巷道支架一致；支撑架一般布置在旁支巷道，其上通常承载3～8架搭接架一帮传来的荷载，荷载以集中力形式作用于支撑架上，因此支撑架是交岔点的关键承载体，所以支撑架材料型号和结构刚度一般是搭接架的两倍以上。

1.2 钢管混凝土组合支架结构形式

钢管混凝土组合支架依据巷道交岔点断面设计，组合后不改变巷道交岔形式和断面尺寸。依据交岔平面形式，组合支架有正交型、斜交型和分叉型三类，每一种类型又分为同等断面组合型和大小断面组合型，组合支架的搭接点是结构关键位置，同等断面组合通常采用工字钢挡板对接方式，大小断面组合通常采用接头套管插接对接方式，两种组合方式具体结构形式如下：

工字钢挡板对接型钢管混凝土组合支架如图1所示，工字钢分别焊接在支撑架与搭接架上，工字钢叠合对接。这种对接方式可实现搭接架与支撑架之间压力和推力的传递，对接处类似铰接，不能传递弯矩，焊缝是受力关键点，决定组合结构整体承载力。

接头套管插接型钢管混凝土组合支架如图2所示，套管焊接在支撑架上，搭接架侧帮段直接插入套管。搭接架侧腿与支撑架拱轴线对应，搭接架传来荷载直接作用在支撑架上，对接处轴力传递良好，由支撑架承载力决定组合结构整体承载力，设计时应尽量避免对接处产生过大弯矩作用。

下面将对-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点原支护破坏进行分析，由此确定交岔点返修支护设计和组合支架选型。

图1 工字钢挡板对接型钢管混凝土组合支架

图2 接头套管插接型钢管混凝土组合支架

2 巷道交岔点破坏分析与支架选型

华丰煤矿-1100 m水平中央泵房与泵房通道交岔点如图3所示。由图3可以看出，中央泵房与泵房通道有2个巷道交岔点，原支护采用相同技术方案，通常1～2年全面返修1次，严重影响泵房使用。

图3 巷道交岔点平面位置图

2.1 工程地质分析

-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点埋深1250 m，-1100 m中央泵房为五水平主排水系统，服务年限长。-1100 m中央泵房为主巷道，穿层掘进，围岩主要是粉砂岩和中砂岩，岩层倾角33°～36°，钻取粉砂岩制作试件，测得其单轴抗压平均值为51.02 MPa，中砂岩强度略低，垂向地应力约为32.5 MPa，钻孔应力计监测显示围岩水平应力介于35～47 MPa之间，大于垂向地应力。由于埋深较大，在高地应力作用下围岩整体表现出软岩特征，巷道成型后常年流变。深部高应力是交岔点围岩变形的主要原因。

2.2 原支护变形分析

2.2.1 原支护变形特征

巷道交岔点原有支护形式为：初喷混凝土作临时支护，锚喷+锚网喷作为永久支护。锚杆型号ø25 mm×2400 mm，间排距1000 mm×1000 mm，金属网规格为ø5 mm的钢筋网，网孔100 mm×100 mm，混凝土强度等级C20；8 m锚索加强支护，后架设直墙半圆拱形U29型钢支架做二次加强支护；反底拱采用锚杆支护，浇筑800 mm厚的混凝土，锚杆型号ø18 mm×1500 mm，间排距1000 mm×1000 mm。

原有支护条件下，巷道支护施工6个月后，巷道下沉和收敛平均变形量超过1000 mm，而且变形量不断增加。初次支护1年后泵房被迫返修，原有支护下交岔点变形如图4所示。

图4 巷道交岔点变形情况

2.2.2 原支护变形影响因素

(1)巷道埋深大，围岩稳定蠕变阶段加长，巷道围岩应力集中，围岩支护让压变形量大，支护体强度不够，失去自承载能力。

(2)支护设计不合理、强度不足。复合支护相互协调性差，同时U29型钢底部不封闭，支护强度低，不能有效控制围岩变形。

2.3 支护结构选型分析

依据工程分析，-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点围岩荷载大，常规支护不能满足要求。泵房断面大，泵房通道断面小，属于大套小断面形式，巷道垂直交叉开挖空间大，支护体结构与施工工艺设计更为复杂。

通过工程类比，采用钢管混凝土组合支架组合结构进行交岔点支护设计。主要设计内容有：

(1)选择合理的支架组合结构形式，主要包括支架布局和交叉角度；

(2)单个支架结构设计，主要包括支架形状设计和钢管型号选择；

(3)支撑架与搭接架之间的对接结构设计。

3 交岔点钢管混凝土组合支架结构设计

3.1 交岔点支架整体结构

-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点，为两巷道水平相交而成，交岔点为L型。交岔点支护设计采用钢管混凝土组合支架+锚网喷+400 mm厚混凝土喷层。该交岔点钢管混凝土组合支架包括1架支撑架和4架搭接架，搭接架对称分布在支撑架轴线两侧，搭接架间距800 mm，支架平面布置如图5所示，支架整体结构如图6所示。各相邻支架之间用顶杆连接，顶杆可限定支架的平面外位移，有利于交岔点支架的整体稳定性。

图5 交岔点支架布置示意图

图6 交岔点支架整体结构

3.2 支撑架结构设计

由于泵房通道断面较小(净宽3.8 m，净高3.4 m)，将其作为支撑架安装空间，可以缩小支撑架结构断面，增加整体稳定性，有利于保证搭接架充分发挥支撑性能。设计2架支撑架并排支护，通道最外侧支撑架倾斜安装，与搭接架斜腿倾斜角度相同，利于轴力传递，并尽可能降低节点弯矩。

支撑架断面设计为直墙半圆拱形，钢管型号ø219 mm×10 mm，即外径219 mm，壁厚10 mm。支架分为3段，钢管内加焊抗弯圆钢，各段支架以接头套管连接，支撑架顶部焊接与搭接架相连的接头套管，连接套管型号ø219 mm×10 mm，长度350 mm，支撑架结构如图7所示。

3.3 搭接架结构设计

-1100 m中央泵房常规支架选用ø194 mm×8 mm斜墙半圆拱形钢管混凝土支架，能够保持巷道稳定，主巷道搭接架钢管型号仍选用ø194 mm×8 mm，搭接架形状仍为斜墙半圆拱形，支架分3节，各节之间以法兰连接，支架端头焊接钢板封闭钢管，每架支架设置注浆孔和排气孔。搭接架共4架，搭接架以支撑架中心线对称布置，各对支架尺寸不同，单独设计，其中1号搭接架和2号搭接架结构相同，3号和4号结构相同，2号和3号搭接架结构如图8所示。

图7 泵房通道支撑架结构设计图

图8 中央泵房1号和4号搭接架结构设计图

4 交岔点支架施工工艺与支护效果

4.1 交岔点支架施工工艺

交岔点支架安装顺序为：①拆除原有U型钢支架；②扩帮至巷道所需断面要求；③喷涂100 mm厚的混凝土喷层；④挂金属网；⑤进行锚杆锚索施工；⑥反底拱锚网索支护；⑦安装支撑架；⑧安装搭接架。

交岔点支架施工工艺为：①在预定位置安装支撑架；②由支撑架一侧依次向另一侧顺序安装搭接架；③调整支架，安装顶杆，以固定支架位置；④交岔点支架安装完成后，支架壁后空隙以木板背实；⑤使用混凝土输送泵向支架内灌注C40混凝土。-1100 m中央泵房-泵房通道交岔点钢管混凝土组合支架返修后初始状态如图9所示。

图9 中央泵房交岔点返修后初始状态

图10 -1100 m中央泵房与泵房通道交岔点支护

图11 -1100 m中央泵房与管子井通道交岔点支护

4.2 支护效果

华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点于2013年7月采用钢管混凝土组合支架返修完毕。支撑架连接套管焊缝支护1年内无可见开裂，支护3年后微开裂，采用电焊补强，保证了交岔点支架承载力。巷道交岔点顶板变形量与两帮收敛量均低于100 mm，支护3年来巷道交岔点稳定性良好，巷道交岔点使用情况如图10和图11所示。