钢管混凝土支架支护方案设计

刘珂铭 陶桃 唐佳艳 刘文超 王珂 罗锦峰 万颖 马世林

摘  要：为解决某矿+520m水平轨道石门软岩巷道变形量大、底鼓严重的支护难题，进行了现场考察，并对围岩试块物理力学性质予以测试，在此基础上分析了巷道围岩变形特征和巷道失稳破坏的原因，依据软岩巷道承压环强化支护理论，设计了以钢管混凝土支架为主体的复合支护方案。理论计算表明：该复合支护结构所能提供的支护阻力可达2.1MPa，能够较好地满足巷道支护要求，工程应用效果优良。

关键词：钢管混凝土支架  深井巷道  软岩巷道  封闭式  高强复合支护

中图分类号：TD353                           文献标识码：A文章编号：1674-098X（2020）09（a）-0029-03

Abstract：To solve the supporting issues of severe deformation of soft-rock roadway in the temporary water sump （level +520 m underground）， the physical and mechanical parameters of the surrounding rock samples were tested，on this basis， the deformation characteristics of roadway surrounding rock and the causes of roadway instability and failure are analyzed. According to the strengthening supporting theory of soft rock roadway bearing ring， the composite supporting scheme with concrete-filled steel tube support as the main body is designed.The theoretical calculation shows that the support resistance provided by the composite support structure can reach 2.1MPa， which can meet the requirements of roadway support well， and the engineering application effect is excellent.

Key Words：Concrete-filled steel tube support （CFST support）;Deep roadway;Soft rock roadway;Enclosed type;High strength composite support

1  承压环支护理论

围岩稳定性差且具有一定的流变特性，是深部巷道开采面临的主要问题，在进行支护方案设计时，应注重提高围岩自承能力以及支护体与围岩的共同作用。这主要体现在：

（1）开挖巷道后，围岩自身應力环境不利于其保持稳定，要及时借助锚杆索的主动支护作用，对一定范围内岩体的应力状态予以改善，提高自承能力。同时，要尽快封闭围岩，保持其完整性。

（2）利用钢混支架提供的强大径向支护反力，可进一步改善锚固围岩体应力状态，形成一个承载性能优异的承压环结构，能够有效抵抗围岩变形，维护巷道稳定。

2  支护方案设计

2.1 工程地质概况

某矿轨道石门埋深约750m，围岩容重22kN/m3，垂直地应力为16.5MPa，该区侧压力系数为1.3。巷道直接顶厚1.4m，为砂质泥岩和泥岩，基本顶为中粒砂岩，厚7.4m，泥质胶结，底板为砂质泥岩，厚度3.9m，夹杂较多的砂岩条带，缓波状层理。试块取样，对其力学与水理性质进行测试：砂岩试块天然单轴抗压强度为24.1～30.9MPa，泥岩试块天然单轴抗压强度平均值为12.6MPa，吸水率4.3%，膨胀率2.8%，烘干浸水48h后，一碰即碎，呈泥状崩解。巷道围岩松软破碎，整体性差，多次发生顶板下沉、底鼓、尖顶等破坏，对安全生产形成隐患。

2.2 支护方案设计

依照承压环理论，支护方案设计应考虑以下原则。

（1）利用锚网喷支护适时封闭围岩。

考虑到围岩中泥岩成分较多，易吸水膨胀，风化崩解，巷道开挖并适度变形卸压后，围岩及时采用锚网喷做临时封闭支护，避免泥岩风化碎裂，维护围岩完整。

（2）采用封闭式高强度支护。

底板岩层主要为泥岩，吸水膨胀易底鼓。二次支护采用全断面封闭式支护，弧形过渡，降低应力集中程度。

（3）设计合理的让压方式。

临时支护和二次支护留设让压空间（10cm左右），以适应围岩变形。

综合考虑不同地段围岩结构特征、物理力学性质、巷道变形程度等因素，支护方案设计如下：锚网喷+Φ219×10mm钢混支架+壁后填充混凝土碹体，支架间距0.8m。

2.3 锚网喷支护与壁后填充设计

初喷50mm厚混凝土喷层，随后施加锚网喷支护，锚杆采用Φ22×2400mm左旋螺纹钢无纵筋高强锚杆，间排距700mm×700mm;金属网规格100mm×100mm，Φ6mm钢筋焊制。壁后充填250mm厚C20混凝土碹体，杜绝破碎围岩与空气、水分的接触。

2.4 钢管混凝土参数规格选取

（1）支架结构与参数选型。

支架断面采用浅底拱圆形，包括顶拱段，两帮段和底拱段;主体钢管采用Φ219×10mm的无缝钢管。

（2）核心混凝土配比。

核心混凝土强度等级按C40配比。复合支护方案如图1所示。

2.5 承压环承载力计算

Φ219×10mm支架的支护反力参照文献[13]中的计算方法，可达1.07MPa。承压环极限承载力的表达式为：

该式算得承压环复合支护结构提供的最大支护阻力可达2.1MPa，满足巷道支护要求。

3  结语

（1）轨道石门巷道围岩属于低强度泥质软岩，在深部高应力作用下，膨胀、扩容是其变形的主要形式，应采用全断面封闭式高强支护，以控制围岩的收敛变形。

（2）设计了基于钢管混凝土支架的复合支护方案：锚网喷+Φ219×10mm浅底拱圆形钢管混凝土支架+250mm厚混凝土碹体。该支护体形成的承压环结构极限承载力可达2.1MPa，满足巷道支护要求。

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