千米深井巷道钢管混凝土支架支护技术应用

王 军，陈 锋，刘国磊，张西忠

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢东矿，河北 邢台 054001)

0 引言

千米深井软岩巷道支护问题是困扰煤矿深部开采的一大难题，其原因主要有:1)围岩所处的岩体环境变差:垂向地应力超过20 MPa，构造应力显现强烈。2)围岩自身物理力学性能变化:岩石极易风化，流变性增强，遇水软化崩解。3)围岩的工程特征变化:围岩来压显现强烈，变形具有四周来压的特点，来压和变形持续时间长，围岩的稳定难以控制。4)现有支护不足:锚网索钢架配合不合理，支护体承载力不足，巷道无法长期稳定。5)煤矿技术人员对软岩问题认识不深入:支护时重复浅层支护规律，对深井软岩机制和难度认识不充分、不深入［1－2］。

随着采掘深度的不断增加，近年来专家学者对深井支护问题越来越关注，提出了诸如高强预应力锚杆锚索［3］、围岩注浆加固［4］、型钢支架及桁架［5］等多种支护技术，并取得了一定的支护效果。但是，进入千米深井巷道后，随着地压大幅增加，常规支护技术已不能满足巷道支护稳定的需求，主要表现为支护体承载力不足、变形严重，巷道返修频繁，不但增加了支护投入，而且阻碍了正常生产。

研制承载力高、经济合理的支护结构是千米深井巷道支护的必然趋势。高延法等［6］提出了井下灌注式钢管混凝土支架，地面加工空钢管支架，井下安装后灌注混凝土形成钢管混凝土支架，钢管混凝土支架的突出特点是承载力高。试验测试结果显示，φ 194×8无缝钢管灌注 C40混凝土，其短柱承载力可达320 t［7］;做成钢管混凝土支架，支架断面净宽 4 m、净高3.8 m，其承载力可达203.5 t;相同单位用钢量的U36型钢支架，其承载力仅为49 t。由于钢管混凝土支架的突出特点，近年来已成功解决全国20多个难支护矿井的巷道支护问题，目前正越来越多地应用于千米深井支护。

邢东矿位于邢台市东北角，于2001年竣工投产，年生产能力约125万t，是华北地区煤层赋存最深的矿井。随着矿井煤炭资源的开采，采掘深度逐渐从埋深800 m进入埋深1 300 m。随着采掘深度的不断增加，巷道支护越来越困难［8］，表现为围岩条件越来越差、巷道破坏程度加剧、巷道返修频繁、采掘成本增加。

本文以邢东矿二水平皮带下山巷为研究对象，使用钢管混凝土支架支护技术，配合围岩注浆加固，以期为千米深井软岩巷道支护提供一套行之有效的支护技术。

1 二水平皮带下山巷地质分析

1.1 皮带下山巷地质分析

二水平皮带下山沿2#煤顶板下山掘进，巷道顶板为砂质泥岩，底板为细砂岩，两帮为煤体，煤层标高在 －960 ～ －1 180，煤层厚度在2.8 ～3.5 m，巷道坡度为8°～13°，全长862 m，全部使用钢管混凝土支架返修。

1.1.1 巷道远场地压

二水平皮带下山埋深为1 010～1 230 m，取岩石平均容重为 25 kN/m3，垂直地应力为 25.3～30.8 MPa，巷道所处地段断层较多，水平构造应力大于垂向地应力。

1.1.2 岩石力学参数

在二水平皮带下山中段取巷道顶板与两帮岩石试块做单轴抗压强度测试，顶板砂质泥岩单轴抗压强度为34 MPa，底板细砂岩单轴抗压强度为42 MPa。

1.1.3 岩石水理性质与矿物成分

二水平皮带下山顶板泥质砂岩、底板细砂岩吸水不膨胀，自然状态下浸水轻度崩解(仅出现裂纹，仍保持整体);两帮煤体吸水膨胀，中度崩解(裂成较大块度，块度大于20 mm);顶底板及两帮围岩不含黏土矿物。

1.1.4 二水平皮带下山的变形特征

二水平皮带下山巷已掘出多年，前后经历多次返修，以锚网索支护和U36型钢支架支护为主。目前巷道变形严重，顶板下沉，底鼓较大，多次落底仍不能解决问题。巷道变形特征如图1所示。

图1 二水平皮带下山巷破坏原貌Fig.1 Damaged roadway

综合分析，二水平皮带下山埋深大、地压明显，巷道围岩偏于软弱，经多次返修导致浅部围岩破碎加剧，裂隙充分发育，围岩承载能力下降。

1.2 皮带下山巷支护建议与措施

1.2.1 支护建议

支护体要具备较大的承载力，给围岩强大的支护力，使用钢管混凝土支架;后期要围岩注浆重塑围岩整体结构，结合钢管混凝土支架构筑支护承压环，增强围岩整体承载力，以保持巷道的长期稳定。

1.2.2 支护措施

钢管混凝土支架支护+围岩注浆加固，临时支护采用锚网喷支护。

2 钢管混凝土支架支护设计

钢管混凝土支架属于高强度支架，是目前承载能力最大的支架结构［9－10］，二水平皮带下山巷以钢管混凝土支架作为主要支护体。

2.1 钢管混凝土支架支护设计原则与断面要求

满足断面与支护强度要求;先支撑住，后优化;成本合理，施工方便，结构可靠。考虑支护强度与巷道断面有效利用率，钢管混凝土支架断面形状设计为椭圆形，断面尺寸为3.624 m ×3.5 m(净宽 × 净高)。

2.2 钢管混凝土支架型号选择

根据工程类比，预估支架型号为 φ 194×8(36.7 kg/m)，以此为基本型支护，同时，φ 194×10(45.4 kg/m)型号支架作为强化型钢管混凝土支架作对比，确保找到适合巷道支护的低成本支架。

2.3 钢管混凝土支架结构设计

支架断面形状设计为椭圆形，断面尺寸为3 624 mm×3 500 mm(净宽×净高)，卧底量620 mm;支架分为4段，套管连接;支架间距为700 mm，支架间用顶杆连接。支架结构如图2所示。

图2 钢管混凝土支架结构设计图(单位:mm)Fig.2 Structure of concrete-filled tube support(mm)

2.4 核心混凝土配比设计

钢管内混凝土按C40配比，选用强度为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥，粗骨料选用粒径≤20 mm的碎石，细骨料选用河砂，掺入早强减水剂和钢纤维外加剂。混凝土配比与材料用量见表1。

表1 混凝土材料配比表Table 1 Mixing proportion of concrete kg/m3

2.5 钢管混凝土支架承载能力验算

2.5.1 钢管混凝土短柱承载能力计算

支架钢管型号为φ 194×8，钢管选用20号钢，钢材的屈服极限为fs=215 N/mm2，钢管的横截面积为As=4 673 mm2。设计混凝土为C40，加入钢纤维的核心混凝土抗压强度为fc=25 N/mm2，钢管内填混凝土横截面的净面积Ac=24 872 mm2。

根据文献［11］，钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力

式中套箍指标θ=Asfs/Acfc=(4 673×215)/(24 872 ×25)=1.62 。

将θ带入式(1)得

2.5.2 支架轴向承载力计算

钢管混凝土支架为压弯构件，承载力计算应考虑长细比和偏心率影响。取支架上半拱为研究对象，近似半径为2.3 m的半圆拱，其轴向极限承载能力

式中:φ为折减系数，取0.8;φl为整体长细比影响;φe为偏心率影响。

支架上半圆拱的轴向极限承载力

Nu=2 521.3 × 0.8=2 017 kN。

即:支架承载能力为2 017 kN，约202 t。

2.5.3 支架对围岩的支护反力计算

图3 钢管混凝土支架结构力学模型Fig.3 Structural mechanical model of concrete-filled tube support

支架对围岩的支护反力

式中:S为支架间距，0.8 m;R为巷道计算半径，2.3 m(依椭圆换算);σ0为支架支护反力。

由式(3)可以求出φ194×8钢管混凝土支架对围岩的支护反力σ0=1.1 MPa。同理，可以求出φ194×10钢管混凝土支架对围岩的支护反力σ0=1.23 MPa。

3 围岩注浆加固设计

围岩注浆加固能够将破碎的围岩重新胶结成整体结构［13－14］，二水平皮带下山巷采用深浅交叉式注浆加固方案。

3.1 注浆孔布置方式

采用深浅交叉式排列布置，浅孔孔深2.0 m，深孔孔深8 m;排距均为3.2 m，深浅孔之间的排距为1.6 m;每排7个注浆孔，注浆孔布置为顶板3个，巷中注浆孔垂直顶板，两角注浆孔外摆15°，两帮各2个，接近底板注浆孔垂直巷帮，接近顶板注浆孔上摆15°。

3.2 注浆材料

浅孔、深孔注浆均采用水泥浆，采用强度为42.5 MPa的普通硅酸盐水泥，水泥浆的水灰质量比控制在1∶0.7。

3.3 注浆要求

浅孔注浆压力两帮为2 MPa，顶板为3 MPa;深孔注浆压力两帮为4 MPa，顶板为6 MPa。施工时，通过调整浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压，保证实际有效扩散半径不小于2.5 m。

4 二水平皮带下山巷施工工艺及支护监测

4.1 巷道支护施工工艺

1)巷道扩帮卧底，保留完整顶板;2)巷道喷浆50 mm，封闭围岩;3)安装空钢管支架，背部挂网，网后设置均压卸压层;4)钢管支架灌注混凝土;5)围岩深浅交叉注浆加固［7］。

4.2 监测方案设计

根据十字布点法［15］，在二水平皮带下山巷选择4个点作为基本观测点，观测内容包括顶底板移近量、两帮收敛量和底鼓量。根据测量结果，分析二水平皮带下山巷围岩的位移变化速度和变化量，从而判断支护效果和围岩的稳定状况，为完善支护参数提供依据。

4.3 监测结果分析

通过对4个基本点进行3个月的连续监测发现，巷道变形微小或没有变形，充分说明了钢管混凝土支架承载力良好，围岩注浆加固改善了围岩整体稳定性。巷道支护至今已有半年多，没有可见变形，支护效果如图4所示。

5 结论与讨论

本文依据二水平皮带下山巷的地质分析和深井巷道的变形特点，设计了钢管混凝土支架+围岩注浆加固的支护方案;同时，做出了φ194×8和 φ 194×10 2种钢管混凝土支架对比设计。方案实施后，巷道围岩得到了良好控制，巷道稳定无变形。

图4 二水平皮带下山巷钢管混凝土支架支护效果Fig.4 Roadway with concrete-filled tube support

5.1 结论

本文设计的φ194×8和φ 194×10椭圆形钢管混凝土支架，理论承载能力分别达到202 t和225 t，支护反力分别为1.1 MPa和1.23 MPa。经过半年多支护应用验证，钢管混凝土支架满足支护要求，巷道稳定无可见变形。

5.2 讨论

同样岩性的岩体，浅部使用常规支护即可满足巷道稳定，进入千米深井后常规支护却不能达到巷道稳定，这与围岩荷载增大有关，但目前业界一般不能准确地给出围岩荷载值，这给合理地选择支护体增加了困难。

邢东矿为解决千米深井支护难题，先后试用预应力锚索、高效围岩注浆、大工字钢支架等多种支护措施，这些措施先后出现各种问题，最终无法满足深井巷道的长期稳定。钢管混凝土支架+围岩注浆加固方案应用于邢东矿最难支护的地段，支护效果良好，目前被验证为全矿支护效果最好的方案。

为进一步验证钢管混凝土支架是否适合在千米深井支护中推广应用，还应挑选其他难支护的地段试用钢管混凝土支架，并在支护稳定的前提下探讨如何进一步降低支护成本。

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