毛永江，李少華，王海彬

(中煤礦山建設(shè)集團(tuán)第三十工程處，安徽 宿州 234000)

1 工程概況

查干淖爾一號(hào)井主斜井泥巖段軟巖含有較高的蒙脫石、伊利石、高嶺石等，巖土吸水膨脹性極強(qiáng)，圍巖的強(qiáng)度極低，圍巖變形非常強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為：①巷道收斂量大，甚至整個(gè)巷道封閉；②巷道收斂速度快，高達(dá)每天幾十毫米；③持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一般持續(xù)幾個(gè)月。進(jìn)入泥巖段后采取剛性支架+泡沫板+網(wǎng)噴+砌碹支護(hù)方式，一個(gè)月后巷道變形達(dá)到1～2m。泥巖段巷道先后采用16#工字鋼和U36型鋼支架返修3次，但均宣告失敗，耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度，給整個(gè)礦井的整體建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重影響。鑒于此，通過(guò)組織專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)論證，參考相關(guān)專(zhuān)家研究成果[1-6]，決定采用強(qiáng)度較高的鋼管混凝土支架進(jìn)行支護(hù)。

2 泥巖段鋼管混凝土支架支護(hù)方案

巷道斷面形狀采用淺底拱圓形，巷道掘進(jìn)斷面：寬×高=6800mm×5850mm。使用鋼管混凝土支護(hù)后巷道斷面：凈寬×凈高=5000mm×3928mm，支架間距500mm，二次成巷時(shí)，在鋼管混凝土支架上使用Φ6.5mm盤(pán)圓制作的鋼筋網(wǎng)，噴漿厚度100mm，巷道鋪底采用鋼筋混凝土，鋼筋規(guī)格為Φ20mm，間排距為200mm×200mm，鋪底厚為1228mm，噴射混凝土強(qiáng)度為C25，鋪底混凝土強(qiáng)度為C40。支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土支架支護(hù)斷面圖

施工流程：

安全檢查(如敲幫問(wèn)頂)→開(kāi)始人工風(fēng)鎬自上而下擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)斷面→初噴30～50mm成形，做好臨時(shí)支護(hù)→鋪設(shè)5mm厚鋼板、下底梁，架棚腿、棚梁、上拉桿、鋼板網(wǎng)和強(qiáng)力抗拉網(wǎng)→頂、幫充填→初噴至與支架平行→下一循環(huán)作業(yè)。

架設(shè)3架后開(kāi)始鋼管混凝土支架注漿→滯后迎頭3m(或6d左右)扎鋼筋、鋪底→滯后迎頭5m(或10～15d左右)掛內(nèi)層金屬網(wǎng)復(fù)噴→頂、幫部壁后注漿。

3 支架承載力計(jì)算

3.1 支架短柱承載能力計(jì)算

支架鋼管型號(hào)為Ф194mm×10mm，鋼材的屈服極限fs=215N/mm2，鋼管的橫截面積As=5778mm2。設(shè)計(jì)混凝土型號(hào)C40，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c1=19.1N/mm2，混凝土中加入鋼纖維，強(qiáng)度增加30%，加入鋼纖維的核心抗壓強(qiáng)度為fc=25N/mm2，鋼管內(nèi)填混凝土橫截面的凈面積Ac=23767mm2。

根據(jù)《現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(修訂版)》，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)軸壓短柱極限承載力設(shè)計(jì)值N0為：

(1)

式中，套箍指標(biāo)θ為：

將相關(guān)參數(shù)代入得

N0=2828kN

3.2 支架承載能力計(jì)算

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS28：90)，考慮鋼管支架在壓彎時(shí)，受長(zhǎng)細(xì)比與偏心率影響，考慮相應(yīng)的折減系數(shù)，極限承載能力表

示為：

Nu=φl(shuí)·φe·N0=φ·N0

(2)

式中:Nu為鋼管混凝土支架的極限承載力；N0為鋼管混凝土軸壓短柱承載力；φ為折減系數(shù)；考慮長(zhǎng)細(xì)比和偏心率的影響，折減系數(shù)取φ=0.78。

支架上部半圓拱的極限承載能力為：

Nu=2206kN

即支架承載能力為2206kN，約220t。

3.3 支架支護(hù)反力計(jì)算

巷道中鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

根據(jù)該力學(xué)模型，支架受力平衡方程為

(3)

式中：S為支架間距，取0.5m；R為巷道計(jì)算半徑，2.947m；σ0為支架的支護(hù)反力；Nu為支架極限承載力。

代入相關(guān)參數(shù)獲得鋼管混凝土支架的支護(hù)反力為：σ0=1.5MPa。

即支架間距0.5m時(shí)支護(hù)反力為1.5MPa。

4 鋼管混凝土支架支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在主斜井204～244m段鋼管混凝土支架施工過(guò)程中布置6個(gè)位移觀(guān)測(cè)點(diǎn)，巷道變形量測(cè)量點(diǎn)布置示意圖如圖3所示，觀(guān)測(cè)內(nèi)容包括兩幫、頂板和底板位移量，兩幫通過(guò)絕對(duì)位移進(jìn)行觀(guān)測(cè)，頂板通過(guò)激光確定位移量，底板通過(guò)腰線(xiàn)確定位移量，圍巖相對(duì)變化速率、變化量，判斷支護(hù)效果和圍巖的穩(wěn)定狀況，為完善支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。

圖3 巷道變形量測(cè)量點(diǎn)布置示意圖

在斜巷布置的6個(gè)表面位移觀(guān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行定期觀(guān)測(cè)，記錄觀(guān)測(cè)結(jié)果。從中選擇2#測(cè)點(diǎn)對(duì)其觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，繪制巷道變形特征曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 巷道變形關(guān)系曲線(xiàn)

由圖4知，頂板最大下沉量18mm，兩幫最大移近量33mm，底板最大上臌量24mm；變形速度較大的是兩幫9mm/d，總體變形量和變形速度不大，兩幫和頂板3～10d變形明顯；因施工工序復(fù)雜，進(jìn)度較慢，每天只能架設(shè)一架棚，通常掘進(jìn)6架棚后開(kāi)始鋪底，因此底臌量于1～6 d變化較快，待澆筑混凝土后3d底臌變化趨勢(shì)較小。

從巷道總體變形看基本沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形加速，從兩幫和頂板變化位移來(lái)看，出現(xiàn)明顯加速時(shí)間是巷道開(kāi)掘3～10d后，底臌加速開(kāi)始于巷道開(kāi)掘1～6d，巷道整體到28d之后趨于平穩(wěn)。因此，在巷道開(kāi)掘3～10d范圍內(nèi)進(jìn)行壁后注漿加固，不僅可以避免巷道出現(xiàn)加速變形，而且可以將空隙充填密實(shí)，將圍巖和鋼管混凝土支架形成一個(gè)整體(避免因某一部位有空隙使得支架受力失穩(wěn)造成破壞)，取得良好效果。

根據(jù)近3個(gè)月的測(cè)量觀(guān)測(cè)，巷道變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，到目前近半年的時(shí)間已無(wú)變化，鋼管混凝土支架沒(méi)有明顯變形。巷道變形達(dá)到穩(wěn)定，巷道尺寸滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，至今運(yùn)行良好，這說(shuō)明采用鋼管混凝土支架的高強(qiáng)度支護(hù)和及時(shí)的壁后注漿措施極大的降低巷道兩幫收斂、頂板下沉和底板鼓起，有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

5 主要結(jié)論

查干淖爾一號(hào)井煤礦主斜井巷道泥巖段原采用剛性支架+雙層泡沫板+網(wǎng)噴+砌碹聯(lián)合支護(hù)方式，巷道破壞嚴(yán)重，表現(xiàn)為巷道斷面縮小、底臌嚴(yán)重、剛性支架變形和混凝土破碎等。采用鋼管混凝土支架支護(hù)后，施工長(zhǎng)度40m，支架型號(hào)為Φ194mm×10mm，支架間距0.5m，支架支護(hù)反力為1.5MPa，巷道圍巖變形控制在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，支架完好，無(wú)變形破壞，巷道穩(wěn)定，說(shuō)明鋼管混凝土支架能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)泥巖段的支護(hù)要求。

[1] 高延法等.深井軟巖巷道鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(5)：2604-2609.

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[5] 李冰.深井軟巖巷道鋼管混凝土支架支護(hù)穩(wěn)定性分析及工程應(yīng)用[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2009.

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