胡兆峰 王 軍

(1.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司華豐煤礦，山東省泰安市，271413；2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東省濟(jì)南市，250101)

巷道交岔點(diǎn)斷面較大，受尺寸效應(yīng)影響圍巖應(yīng)力集中顯著，圍巖荷載大，支護(hù)體往往發(fā)生大變形甚至嚴(yán)重破壞，造成圍巖難以支護(hù)。特別是位于松軟破碎、高地應(yīng)力、膨脹性軟巖及深部巷道的交岔點(diǎn)，其支護(hù)更加困難。常規(guī)U型鋼架棚支護(hù)或錨網(wǎng)索支護(hù)都難以滿(mǎn)足交岔點(diǎn)支護(hù)穩(wěn)定要求，巷道交岔點(diǎn)也逐漸變成礦山巷道支護(hù)特殊困難地點(diǎn)。因此，研究支護(hù)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且施工方便的巷道交岔點(diǎn)支護(hù)技術(shù)意義重大。

裝配灌注式鋼管混凝土支架是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，它是通過(guò)地面分段彎管、井下裝配并現(xiàn)場(chǎng)灌注混凝土而成的支護(hù)形式，充分利用了鋼管和混凝土材料的優(yōu)勢(shì)。核心混凝土借助鋼管管殼的約束作用，處于三向受壓狀態(tài)，使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力；受混凝土約束鋼管的幾何穩(wěn)定性增強(qiáng)，避免鋼管發(fā)生屈曲破壞，二者在力學(xué)性能上的“共生現(xiàn)象”使材料的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，適用于深井軟巖巷道支護(hù)。目前，井下灌注式鋼管混凝土組合支架已在全國(guó)多個(gè)煤礦中的深井、軟巖、破碎帶及動(dòng)壓等難支護(hù)巷道，取得了良好的支護(hù)效果。

本文借鑒鋼管混凝土支架良好支護(hù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于千米深井巷道交岔點(diǎn)的鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)交岔點(diǎn)鋼管混凝土組合支架進(jìn)行分類(lèi)研究，而后針對(duì)華豐礦-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)進(jìn)行了支護(hù)破壞分析，設(shè)計(jì)了基于鋼管混凝土組合支架的復(fù)合支護(hù)方案并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)性能

1.1 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)特性

鋼管混凝土組合支架以鋼管混凝土為基本結(jié)構(gòu)材料，依據(jù)交岔點(diǎn)斷面設(shè)計(jì)支架組合形式，一般由1～2架支撐架和多架搭接架組合而成。鋼管混凝土組合支架采用圓形截面，截面慣性矩大且無(wú)異向性，不易扭曲變形，支架間采用頂桿連接，消除大尺寸支架的壓桿失穩(wěn)效應(yīng)。為消除薄軟節(jié)點(diǎn)，對(duì)注漿口進(jìn)行了結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)接頭套管進(jìn)行功能強(qiáng)化，對(duì)支架受彎側(cè)進(jìn)行抗彎強(qiáng)化等，保證支架整體結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)化。與U36型鋼支架的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，相同鋼材線密度條件下，?194 mm×8 mm型鋼管混凝土組合支架極限承載能力可達(dá)U36型鋼的3.17倍。

鋼管混凝土組合支架中搭接架一般沿主巷道布置，支架形式與主巷道支架一致；支撐架一般布置在旁支巷道，其上通常承載3～8架搭接架一幫傳來(lái)的荷載，荷載以集中力形式作用于支撐架上，因此支撐架是交岔點(diǎn)的關(guān)鍵承載體，所以支撐架材料型號(hào)和結(jié)構(gòu)剛度一般是搭接架的兩倍以上。

1.2 鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)形式

鋼管混凝土組合支架依據(jù)巷道交岔點(diǎn)斷面設(shè)計(jì)，組合后不改變巷道交岔形式和斷面尺寸。依據(jù)交岔平面形式，組合支架有正交型、斜交型和分叉型三類(lèi)，每一種類(lèi)型又分為同等斷面組合型和大小斷面組合型，組合支架的搭接點(diǎn)是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置，同等斷面組合通常采用工字鋼擋板對(duì)接方式，大小斷面組合通常采用接頭套管插接對(duì)接方式，兩種組合方式具體結(jié)構(gòu)形式如下：

工字鋼擋板對(duì)接型鋼管混凝土組合支架如圖1所示，工字鋼分別焊接在支撐架與搭接架上，工字鋼疊合對(duì)接。這種對(duì)接方式可實(shí)現(xiàn)搭接架與支撐架之間壓力和推力的傳遞，對(duì)接處類(lèi)似鉸接，不能傳遞彎矩，焊縫是受力關(guān)鍵點(diǎn)，決定組合結(jié)構(gòu)整體承載力。

接頭套管插接型鋼管混凝土組合支架如圖2所示，套管焊接在支撐架上，搭接架側(cè)幫段直接插入套管。搭接架側(cè)腿與支撐架拱軸線對(duì)應(yīng)，搭接架傳來(lái)荷載直接作用在支撐架上，對(duì)接處軸力傳遞良好，由支撐架承載力決定組合結(jié)構(gòu)整體承載力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免對(duì)接處產(chǎn)生過(guò)大彎矩作用。

下面將對(duì)-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)原支護(hù)破壞進(jìn)行分析，由此確定交岔點(diǎn)返修支護(hù)設(shè)計(jì)和組合支架選型。

圖1 工字鋼擋板對(duì)接型鋼管混凝土組合支架

圖2 接頭套管插接型鋼管混凝土組合支架

2 巷道交岔點(diǎn)破壞分析與支架選型

華豐煤礦-1100 m水平中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)如圖3所示。由圖3可以看出，中央泵房與泵房通道有2個(gè)巷道交岔點(diǎn)，原支護(hù)采用相同技術(shù)方案，通常1～2年全面返修1次，嚴(yán)重影響泵房使用。

圖3 巷道交岔點(diǎn)平面位置圖

2.1 工程地質(zhì)分析

-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)埋深1250 m，-1100 m中央泵房為五水平主排水系統(tǒng)，服務(wù)年限長(zhǎng)。-1100 m中央泵房為主巷道，穿層掘進(jìn)，圍巖主要是粉砂巖和中砂巖，巖層傾角33°～36°，鉆取粉砂巖制作試件，測(cè)得其單軸抗壓平均值為51.02 MPa，中砂巖強(qiáng)度略低，垂向地應(yīng)力約為32.5 MPa，鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)顯示圍巖水平應(yīng)力介于35～47 MPa之間，大于垂向地應(yīng)力。由于埋深較大，在高地應(yīng)力作用下圍巖整體表現(xiàn)出軟巖特征，巷道成型后常年流變。深部高應(yīng)力是交岔點(diǎn)圍巖變形的主要原因。

2.2 原支護(hù)變形分析

2.2.1 原支護(hù)變形特征

巷道交岔點(diǎn)原有支護(hù)形式為：初噴混凝土作臨時(shí)支護(hù)，錨噴+錨網(wǎng)噴作為永久支護(hù)。錨桿型號(hào)?25 mm×2400 mm，間排距1000 mm×1000 mm，金屬網(wǎng)規(guī)格為?5 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100 mm×100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20；8 m錨索加強(qiáng)支護(hù)，后架設(shè)直墻半圓拱形U29型鋼支架做二次加強(qiáng)支護(hù)；反底拱采用錨桿支護(hù)，澆筑800 mm厚的混凝土，錨桿型號(hào)?18 mm×1500 mm，間排距1000 mm×1000 mm。

原有支護(hù)條件下，巷道支護(hù)施工6個(gè)月后，巷道下沉和收斂平均變形量超過(guò)1000 mm，而且變形量不斷增加。初次支護(hù)1年后泵房被迫返修，原有支護(hù)下交岔點(diǎn)變形如圖4所示。

圖4 巷道交岔點(diǎn)變形情況

2.2.2 原支護(hù)變形影響因素

(1)巷道埋深大，圍巖穩(wěn)定蠕變階段加長(zhǎng)，巷道圍巖應(yīng)力集中，圍巖支護(hù)讓壓變形量大，支護(hù)體強(qiáng)度不夠，失去自承載能力。

(2)支護(hù)設(shè)計(jì)不合理、強(qiáng)度不足。復(fù)合支護(hù)相互協(xié)調(diào)性差，同時(shí)U29型鋼底部不封閉，支護(hù)強(qiáng)度低，不能有效控制圍巖變形。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型分析

依據(jù)工程分析，-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)圍巖荷載大，常規(guī)支護(hù)不能滿(mǎn)足要求。泵房斷面大，泵房通道斷面小，屬于大套小斷面形式，巷道垂直交叉開(kāi)挖空間大，支護(hù)體結(jié)構(gòu)與施工工藝設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

通過(guò)工程類(lèi)比，采用鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行交岔點(diǎn)支護(hù)設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：

(1)選擇合理的支架組合結(jié)構(gòu)形式，主要包括支架布局和交叉角度；

(2)單個(gè)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括支架形狀設(shè)計(jì)和鋼管型號(hào)選擇；

(3)支撐架與搭接架之間的對(duì)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 交岔點(diǎn)鋼管混凝土組合支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 交岔點(diǎn)支架整體結(jié)構(gòu)

-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)，為兩巷道水平相交而成，交岔點(diǎn)為L(zhǎng)型。交岔點(diǎn)支護(hù)設(shè)計(jì)采用鋼管混凝土組合支架+錨網(wǎng)噴+400 mm厚混凝土噴層。該交岔點(diǎn)鋼管混凝土組合支架包括1架支撐架和4架搭接架，搭接架對(duì)稱(chēng)分布在支撐架軸線兩側(cè)，搭接架間距800 mm，支架平面布置如圖5所示，支架整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。各相鄰支架之間用頂桿連接，頂桿可限定支架的平面外位移，有利于交岔點(diǎn)支架的整體穩(wěn)定性。

圖5 交岔點(diǎn)支架布置示意圖

圖6 交岔點(diǎn)支架整體結(jié)構(gòu)

3.2 支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于泵房通道斷面較小(凈寬3.8 m，凈高3.4 m)，將其作為支撐架安裝空間，可以縮小支撐架結(jié)構(gòu)斷面，增加整體穩(wěn)定性，有利于保證搭接架充分發(fā)揮支撐性能。設(shè)計(jì)2架支撐架并排支護(hù)，通道最外側(cè)支撐架傾斜安裝，與搭接架斜腿傾斜角度相同，利于軸力傳遞，并盡可能降低節(jié)點(diǎn)彎矩。

支撐架斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形，鋼管型號(hào)?219 mm×10 mm，即外徑219 mm，壁厚10 mm。支架分為3段，鋼管內(nèi)加焊抗彎圓鋼，各段支架以接頭套管連接，支撐架頂部焊接與搭接架相連的接頭套管，連接套管型號(hào)?219 mm×10 mm，長(zhǎng)度350 mm，支撐架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.3 搭接架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

-1100 m中央泵房常規(guī)支架選用?194 mm×8 mm斜墻半圓拱形鋼管混凝土支架，能夠保持巷道穩(wěn)定，主巷道搭接架鋼管型號(hào)仍選用?194 mm×8 mm，搭接架形狀仍為斜墻半圓拱形，支架分3節(jié)，各節(jié)之間以法蘭連接，支架端頭焊接鋼板封閉鋼管，每架支架設(shè)置注漿孔和排氣孔。搭接架共4架，搭接架以支撐架中心線對(duì)稱(chēng)布置，各對(duì)支架尺寸不同，單獨(dú)設(shè)計(jì)，其中1號(hào)搭接架和2號(hào)搭接架結(jié)構(gòu)相同，3號(hào)和4號(hào)結(jié)構(gòu)相同，2號(hào)和3號(hào)搭接架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 泵房通道支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖8 中央泵房1號(hào)和4號(hào)搭接架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 交岔點(diǎn)支架施工工藝與支護(hù)效果

4.1 交岔點(diǎn)支架施工工藝

交岔點(diǎn)支架安裝順序?yàn)椋孩俨鸪蠻型鋼支架；②擴(kuò)幫至巷道所需斷面要求；③噴涂100 mm厚的混凝土噴層；④掛金屬網(wǎng)；⑤進(jìn)行錨桿錨索施工；⑥反底拱錨網(wǎng)索支護(hù)；⑦安裝支撐架；⑧安裝搭接架。

交岔點(diǎn)支架施工工藝為：①在預(yù)定位置安裝支撐架；②由支撐架一側(cè)依次向另一側(cè)順序安裝搭接架；③調(diào)整支架，安裝頂桿，以固定支架位置；④交岔點(diǎn)支架安裝完成后，支架壁后空隙以木板背實(shí)；⑤使用混凝土輸送泵向支架內(nèi)灌注C40混凝土。-1100 m中央泵房-泵房通道交岔點(diǎn)鋼管混凝土組合支架返修后初始狀態(tài)如圖9所示。

圖9 中央泵房交岔點(diǎn)返修后初始狀態(tài)

圖10 -1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)支護(hù)

圖11 -1100 m中央泵房與管子井通道交岔點(diǎn)支護(hù)

4.2 支護(hù)效果

華豐礦-1100 m中央泵房與泵房通道交岔點(diǎn)于2013年7月采用鋼管混凝土組合支架返修完畢。支撐架連接套管焊縫支護(hù)1年內(nèi)無(wú)可見(jiàn)開(kāi)裂，支護(hù)3年后微開(kāi)裂，采用電焊補(bǔ)強(qiáng)，保證了交岔點(diǎn)支架承載力。巷道交岔點(diǎn)頂板變形量與兩幫收斂量均低于100 mm，支護(hù)3年來(lái)巷道交岔點(diǎn)穩(wěn)定性良好，巷道交岔點(diǎn)使用情況如圖10和圖11所示。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)巷道交岔點(diǎn)鋼管混凝土組合支架復(fù)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制深井軟巖巷道交岔點(diǎn)的大變形，支護(hù)體承載能力強(qiáng)。

(2)提出了適用于深井軟巖巷道交岔點(diǎn)的鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)形式，采用該鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)，易于施工、經(jīng)濟(jì)可靠，支架組合結(jié)構(gòu)承載能力可得到有效保障。

(3)基于所提出的巷道交岔點(diǎn)鋼管混凝土組合支架組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了-1100 m中央泵房和泵房通道交岔點(diǎn)的支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)。巷道交岔點(diǎn)至今穩(wěn)定性良好，能夠滿(mǎn)足使用要求，解決了深井軟巖巷道交岔點(diǎn)支護(hù)問(wèn)題。