钢管混凝土支架在煤矿高应力巷道支护中的应用与分析

[摘 要] 鹤煤三矿三水平新泵房所处位置压力较大，原支护形式为喷混凝土加U型棚联合支护，因其压力大，造成帮顶开裂、支架变形严重，曾维修过多次，为增加三水平新泵房的服务年限，减少巷道的维修费用，鹤煤三矿采用了钢管混凝土支架对三水平新泵房进行重新支护，提高了三水平新泵房的抗变形能力，创造了良好的经济效益。

[关键词] 钢管； 混凝土； 抗压； 注浆； 变形

鹤煤三矿三水平新泵房所处位置压力较大，原支护形式为喷混凝土加U型棚联合支护，因其压力大，造成帮顶开裂、支架变形严重，曾维修过多次，为增加三水平新泵房的服务年限，减少煤矿巷道的维修费用，鹤煤三矿采用了钢管混凝土支架对三水平新泵房进行重新支护。

1 钢管混凝土支架的特点

混凝土本身具有较强的抗压能力，但其抗弯能力较弱，而钢管具有较强的抗弯能力，并且具有很好的弹塑性，但在受压时比较容易发生失稳现象从而丧失其轴向的抗压能力。

钢管混凝土支架在结构上能够将两种材料的优点融合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍的提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了支架的承载能力。

2 鹤煤三矿三水平新泵房巷道开帮挑顶初步支护

鹤煤三矿三水平新泵房巷道断面形状采用马蹄形，毛断面：宽×高=5890mm×4550mm，净断面：宽×高=5000mm×4000mm。顶部留设300mm变形空间，巷道两帮各留设200mm变形空间。

开帮挑顶按正常掘进要求进行，力求安全简易，底部先不动；毛断面完成后立即喷射50mm混凝土层，喷射混凝土按正常使用配比和技术要求进行。

鹤煤三矿三水平新泵房初步采用φ22mm×2400mm的锚杆进行支护，锚杆间距0.8m，排距0.8m，每个断面16根。锚杆施工按矿上正常作业规程操作。

3 空钢管支架的安装

以煤矿巷道中心线和腰线为准，确定支架安装位置，清理煤矿巷道两帮底部浮矸，按支架反底拱需求卧底800mm，顶部预留300mm，帮部预留200mm，支架安装轮廓如图2。

支架的安装轮廓确定好之后，按图3所示的顺序安装钢管支架。

首先确定反底拱段安放位置，并放入反底拱段；

其次安装帮腿段，先安装一侧再安装另一侧，帮腿段靠近帮壁后先向上抬高一小段距离，将帮腿段的定位钢筋缓慢插入反底拱段，直到端口紧密结合，将提前套在绑腿段上的接头套管向下移动到挡环；

最后安装顶弧段，现将顶弧段向上抬起一小段距离，将端口对准帮腿段上的定位钢筋，然后缓慢插入，直到端口紧密结合，然后将提前套在顶弧段的接头套管向下移动到挡环。

钢管支架安装之后：a、连接好顶杆，保证顶杆螺栓到位拧紧；b、顶部、两帮设置三条W钢带；c、顶弧段打固定锚杆，保证顶弧段不会因接头套管破坏而掉落；d、每十架钢管支架锚固一架，以保证支架整体的稳定性。

空钢管支架架设好之后，在支架后铺设强力抗拉网，强力抗拉网紧贴支架，长轴方向上两片网之间靠长螺栓连接，径向上可不连接；强力抗拉网与围岩之间的空隙不用处理，等待围岩的变形。

4 钢管支架混凝土在煤矿井下的灌注

（1）灌注准备工作

每安装10～15架空钢管支架灌注混凝土一次，灌注前一班做好各项准备工作。

材料准备：1台混凝土输送泵（并提前一班通电试机），2根高压胶管（1根备用），5套连接管路（输送泵自带），5～8个四寸闸板阀，1个矿车，6对木楔，沙石水泥及减水剂膨胀剂。

支架准备：支架顶杆、钢带连接完好，支架与围岩必须用木楔塞紧，其中每段钢管用1对木楔塞紧，一架用3对木楔。6对木楔交替使用。

（2）灌注施工顺序

① 混凝土输送泵平放在巷道，通过高压胶管与支架注浆短管连接；

② 首先一组人员连接好电缆、布置好水管，输送泵空载15～20分钟；另一组人员去料场掺和混凝土干料，每次1矿车。

③ 拌制混凝土，有条件的话使用搅拌机，每次搅拌1m3，严格按C50配比添加水泥、砂子、石子及外加剂。混凝土搅拌均匀，坍落度大于160mm，符合泵送混凝土要求。

④ 连接注浆管路，依次为：输送泵―输送管―高压胶管―闸阀―支架注浆口，闸阀开通。第一次使用输送泵时应先泵送一罐水泥砂浆以管路，然后正常泵送注浆。给支架灌注混凝土前先往钢管内放入少量水，灌注过程中，特别留意混凝土注入速度，发现料斗下料速度变慢及时反泵数下，防止堵塞管路。每次注浆提前连接好5架支架的输送管路，以方便管路连接，节约时间，防治输送管内混凝土凝固。

⑤ 每架灌注结束前，需顶部排浆孔流出约3铁锹混凝土作为结束标识点。

⑥ 每架支架灌注结束后先停止泵送，然后关闭闸阀，拆卸管路，封堵排浆孔。连接下一架，继续灌注，直到15架全部灌注完毕。

⑦ 灌注完毕后先停泵，卸掉搅拌箱多余混凝土，正反泵水洗管路、输送泵管道，拆卸管路，停泵，停止供水、最后断电。

（3）注意事项

① 准备6对木楔，灌注前必须把支架与围岩塞紧，其中每段钢管用1对木楔塞紧，一架用3对木楔。6对木楔交替使用。保证灌注过程中顶段不会向上顶起，同时使套管不漏浆以保证输送压力不减弱，使混凝土顺利注到支架的另一侧。

② 若人工搅拌混凝土必须多翻几遍料，保证混凝土和易性良好，不能使用输送泵搅拌代替人工搅拌。混凝土搅拌不好最容易导致堵管。

③ 注浆孔处输送管接管前必须用水润湿，同时往支架内放入少量水，以保证注浆过程中混凝土在注浆孔处与支架内顺利通过不堵管。

④ 混凝土到达排气孔后必须用大锤敲打左边支架腿，振动混凝土，促使混凝土向下流动注满左支架腿。

⑤ 快注满时必须使排气孔喷出3锹以上混凝土才能停止注浆。

⑥ 注浆结束后拆管时把弯头向上扭转，保证混凝土不会流出。

⑦ 注浆孔封孔板必须安装到位，即：封孔板打入注浆管头约10公分。如果出现顶出现象，加6个毛铁丝塞紧再打入。

5.煤矿巷道围岩复注浆

注浆时机：当支架承载后，先二次喷浆，将喷层厚度加大至200mm；而后围岩注浆

注浆锚杆：锚杆长3m，间距1.6m×排距2.4m

注浆材料：425#普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6～0.7

注浆压力：2.0～2.5MPa； 注浆时间：120min

（1）注浆锚杆安装

提前打钻孔，并安装注浆锚杆；然后实施钻孔注浆。锚杆安装要求：

① 打钻孔：用32mm钻头打孔，孔深3.0m，孔径不大于38mm。

② 安装注浆锚杆：将注浆锚杆顶入钻孔，同时将第一段中空水泥药卷套在注浆锚杆上一起推送，直到锚杆顶到孔底，再用Φ32×2.5mm钢管将水泥药顶至挡环，边顶边匀速的转动杆体，最后用力多顶几下，使水泥药卷封实锚杆与孔壁空隙。再用同样的方法安装第二段水泥药卷，以保证封孔段密实，不留空隙。

（2）锚杆注浆工序

① 准备工作：注浆锚杆提前安装完毕，水泥、搅拌车、高压注浆管与回浆管准备妥善，输送泵移动注浆地点。

② 连接注浆管路：首先将分流管安装在注浆泵上，然后从分流管接出7根注浆管，连接到该断面的7根注浆锚杆，再连接好回浆管路，同时将分流管末端闸阀开到最大。

③ 水泥浆制备：将水泥和水按水灰比0.6～0.7搅拌成水泥浆，搅拌均匀，结块水泥不能使用，水泥浆内不出现较大固体块。水泥浆倒入注浆泵前在料斗上铺设一层过滤网，网口2～3mm。

④ 注浆施工程序：准备就绪后开泵注浆，同时逐渐关小分流管末端闸阀，直到压力表读数1.8MPa时停止关小闸阀，此时注浆压力达到正常状态；密切关注注浆压力，将注浆压力控制在1.8～2.2MPa之内。当该断面注浆时间超过60min，且注入的纯水泥量达到2吨时，才能停止注浆。

⑤ 注浆结束：先停泵；关注浆孔口阀门，卸出泵内水泥浆；加清水冲洗注浆管路，不能冲洗干净的拆后再清洗；一定要清洗压力表，Φ25注浆钢编管；如中途出现堵管或停泵时间较长，应用及时用清水冲洗注浆管路，防止凝固堵塞。

（3）注意事项

① 标定好钻孔位置，打钻孔时严格按规程操作钻机，顶部钻孔时注意防掉渣。

② 锚杆安装时避免锚杆脱出伤人等现象，端头锚固与孔口锚固注意正确操作。

③ 注浆前，要认真检查注浆机具，保证注浆泵、孔口装置、管路及压力表等运转正常，使用可靠。

④ 注浆期间，要不断检查注浆设备及管路的完好情况，保证注浆工作连续进行。

⑤ 注浆时浆液要充分搅拌。注浆工作人员要随时观察压力表和孔口周围的巷壁，当注浆压力或巷壁出现异常时，立即停泵关阀并打开卸浆阀。

⑥ 因故障等原因不能连续注浆作业时，要用清水对泵和管路反复冲洗，防止浆液凝固，堵塞管路。

⑦ 要建立注浆台帐，井下施工人员要按注浆孔编号认真填写每个注浆孔的注入量和终孔压力，不得弄虚作假。

6 结束语

鹤煤三矿三水平新泵房采用钢管混凝土支架支护后，在巷道内选取了3处进行巷道变形观测和支架变形观测，其观测结果显示两帮收敛小于50mm，顶板下沉小于35mm，底鼓现象不存在，钢管混凝土支架没有明显的变形，增强了三水平新泵房的抗变形能力，减少了三矿的巷道维修工程，取得了显著的效益。