钢管混凝土支架支护设计与应用①

王 思 申 磊 刘国磊

(1.冀中能源峰峰集团，河北邯郸 056002;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

钢管混凝土支架支护设计与应用①

王 思1②申 磊1刘国磊2

(1.冀中能源峰峰集团，河北邯郸 056002;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

冀中能源峰峰集团大淑村矿东一采区-450m水平新东翼皮带巷和轨道巷均处于172102工作面停采保护煤柱下方，处于应力集中区域，前期开挖的轨道巷围岩变形严重，表现为:断面缩小、底鼓严重、锚索拉断、U型钢支架破坏;对新掘皮带巷采用了钢管混凝土支架支护，文中介绍了其支护原理、支护特点、支护能力及方案设计、工艺过程等。目前支架已经开始承载，根据支架载荷监测结果，表明支架完好，巷道稳定。

应力集中区;钢管混凝土支架;支护

1 工程背景

冀中能源峰峰集团大淑村矿井田位于峰峰矿区东北部，地处河北省武安市、磁县和峰峰矿区接壤地带，行政区划属武安市所辖。井田东西走向长4.8 km，南北平均宽约 2.0 km，矿区面积9.7568km2。矿井于2003年12月23日正式投产，设计年生产能力90万吨，2006年生产能力核定为125万吨/年。目前大淑村矿生产水平为-450m，分东一、西二两个生产采区，东三、南四两个开拓准备采区。

钢管混凝土支架使用地点位于大淑村矿东一采区-450水平新东翼皮带巷进入采空泄压区的巷道内，长度为70m，如图1所示。

图1 新东翼皮带巷位置及钢管混凝土支架支护段位置

新东翼皮带巷位于东一上山采区内，北部为172101及174101工作面采空区，南部为东翼大巷保护煤柱，西部为东一采区上山保护煤柱，东部为172102采空区，该段巷道内2#及4#煤层均未开采，巷道所处位置临近采空泄压区，属于应力集中区。

巷道施工涉及到的地层为二叠系山西组及石炭系太原组地层，综合柱状图如图2所示。二叠系山西组地层岩性以粉砂岩、砂岩及煤层为主，石炭系太原组地层岩性以粉砂岩、砂岩、煤层、石灰岩为主，东翼大巷大部分段在该组地层中施工。

图2 综合柱状图

该区域地质构造以77孔背斜及由其产生的向北延展的次生背斜为主要构造。77孔背斜轴向近南北向，背斜西翼煤岩层走向北东40°～60°，倾向北西，倾角5°～16°，一般 9°。背斜东翼煤岩层走向南东，倾向北东，倾角3°～24°，接近次生背斜附近煤岩层呈近水平。断裂构造是该区域的次要构造，断裂构造以北东走向为主间或有北西走向，倾向以南东向为主，断裂构造均为正断层。经开采证实该区域节理发育方向以北东向为主。

由于巷道处于应力集中区，巷道围岩压力大，变形破坏严重。新东翼轨道巷与新东翼皮带巷地质条件相近，主要采用传统的锚网喷+U型钢支架支护方式，巷道破坏严重，主要表现为巷道断面缩小、底鼓严重、锚索和锚杆破坏、U型钢支架破坏等。

2 钢管混凝土支架支护技术概述

钢管混凝土是在钢管外壳内填装混凝土组成的现代构件。其工作原理:钢管壳约束作用使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度，内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力。

钢管混凝土支架是由中国矿业大学(北京)的高延法教授发明并成功应用到深井软岩巷道支护中，为解决深井软岩巷道支护问题开辟一条新的途径。

钢管混凝土支架支护技术的主要优点有:

1)钢管混凝土支架的承载能力是相同重量U型钢支架的2～5倍。(根据实验室试验，相同断面的钢管混凝土支架承载能力为210 t，U29型钢支架承载能力约为40t，U36型钢支架承载能力约为50t)

2)钢管混凝土支架支护的成巷速度，比U型钢支架支护快:支架注浆工艺滞后于支架安装，平行作业，不影响支护速度。

3)钢管混凝土支架支护巷道围岩可以让压变形:钢管混凝土支架支护可预留变形层，尽管支架不变形，但围岩可以让压变形。

4)钢管混凝土支架支护总成本较低:尽管支架加工要增加约20%的成本，但钢管混凝土支架承载能力强，性价比高，巷道不用返修，如果考虑到巷道返修成本等，与U型钢支护相比总成本较低。

由于钢管混凝土支架的突出优点，目前已经成功应用于黑龙江鹤岗矿业公司、新汶矿业集团华丰煤矿、中煤集团平朔分公司井工三矿、沈煤集团清水矿、长治三元集团黄山煤业有限公司、鹤煤集团三矿等。

3 钢管混凝土支架支护技术在大淑村矿的应用

3.1 钢管混凝土支架支护方案

钢管混凝土支架应用于大淑村矿新东翼皮带巷的应力集中区范围，应力集中区巷道长度约70m，共安设钢管混凝土支架88架，支架间距为0.8m。钢管混凝土支架支护断面如图3所示，详细支护参数见表1。

图3 巷道钢管混凝土支架支护断面图

表1 新东翼皮带巷应力集中区支护参数表

3.2 钢管混凝土支架支护能力计算

钢管混凝土支架采用20号无缝钢管，钢管混凝土支架的弯曲半径为2200 mm，计算参数见表2。

表2 钢管混凝土支架计算参数

Φ194×8钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算如下:

钢管截面积为:混凝土截面积为:

钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值为:套箍系数:将有关参数代入公式(1)得:

钢管混凝土支架支护反力计算:

新东翼皮带巷钢管混凝土支架处于四面来压状态，其中顶部变形较为为严重，选择顶部半圆拱作为计算研究对象。顶部半圆拱两端简化为固定绞支座，假设围岩对支架顶拱施加均布围压，如图4所示。

图4 钢管混凝土支架计算模型

支护反力计算如下:

式中:s—支架间距，设为0.8m;σ—支架支护反力;R—支架半径;

N0—钢管混凝土轴压稳定承载力。代入(2)，计算得，σ =1.24MPa。

考虑弯曲效应对钢管混凝土柱影响系数δ1，参考实验室结果与理论计算，取δ1=1.05。考虑支架尺寸与结构效应的折减系数δ2，根据实验室多次弧墙半圆拱支架的测试结果知，弧墙半圆拱加反底拱时的折减系数较大，初步确定δ2=0.8。所以，新东翼皮带巷φ194×8 mm钢管混凝土支架的支护力为 σ'= δ1δ2σ =1.04MPa。

3.3 施工工艺

基本工艺流程:巷道开帮挑顶初喷100mm厚混凝土层锚杆支护安装空钢管支架钢管支架灌注混凝土等待围岩变形至与支架接触，复喷50 mm厚混凝土层。

3.4 支架载荷监测

每隔10架支架在支架直墙段安设支架载荷监测装置，如图5所示，采用千分尺监测测量悬臂的两端头移近量δ，测量精度10-6mm，根据实验室测得的钢管混凝土短柱弹性模量E，由N=δE即可得到支架载荷值。

图5 支架荷载监测装置

东一采区-450m水平新东翼皮带巷钢管混凝土支架支护施工工艺较简单，施工速度较快。正在进行支架载荷监测工作，待巷道围岩变形与支架接触后进行复喷混凝土工作。钢管混凝土支架支护效果如图6所示。

图6 新东翼皮带巷钢管混凝土支架支护效果

4 结语

1)新东翼轨道巷与新东翼皮带巷地质条件相近，均处于应力集中区，轨道巷锚网喷+U型钢支架支护方式，巷道破坏严重，表现为巷道断面缩小、底鼓严重、锚索和锚杆破坏、U型钢支架破坏等。

2)东一采区-450m水平新东翼皮带巷应力集中区域采用钢管混凝土支架支护，施工长度70 m，支架型号为φ194×8mm，支架间距0.8m，支架支护反力为1.04MPa。

3)目前东一采区-450m水平新东翼皮带巷钢管混凝土支架已经开始承载，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。

［1］ 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

［2］ 韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践［M］.北京:科学出版社，2007

［3］ 陈为高，周建军.基于围岩松动圈理论的中等稳定岩石支护技术实践［J］.科园月刊，2011，(1):58

［4］ 郭天福，滕文虎.基于松动圈围岩支护理论的软岩巷道返修锚网支护设计［C］.中国煤炭学会煤矿安全专业委员会2009年学术研讨会论文，2009:145-146，148

［5］ 周华强.约束与稳定巷道围岩的支护理论(英)［J］. 岩石力学与工程学，2002，21(4):615

Design and application of supporting for the stand of concrete-filled steel tube

WANG Si1，SHEN Lei1，LIU Guolei2

(1.Jizhong Energy Fengfeng Group，Handan Hebei056002;2.College of Mechanics and Architectural Engineering in China University of Mining and Technology，Beijing 100083)

New east flank belt lane and orbit lane of-450m horizon in east-one working area of Dashu county mine in Jizhong Energy Fengfeng Group are both in the region of stress concentration，and below the mining-stopped protecting coal pillar of 172102 working face.The wall rock of the premining orbit lane is distorted significantly，marked by shrinking section，serious floor heave，broken anchor cable and destroyed steel stand of U-shaped.Stand supporting of concrete-filled steel tube is used in the new-mined belt lane and its principle，charicteristic and ability of supporting，as well as its plan design and technological processes are introduced.At present，the stand has been in use.According to the monitoring result of stand load，the stand is in good order and the lane is stable.

the region of stress concentration;stand of concrete-filled steel tube;support

TD353+.3

A

1672-7169(2012)01-0050-05

2011-09-30

王思(1970- ):男，河北临章人，采矿工程师，冀中能源峰峰集团公司大淑村矿安全副矿长。