钢管混凝土支架在江源煤业设计应用

摘 要：吉林江源煤业-700胶带机下山巷道处于应力集中区域，前期掘进的机轨合一巷道围岩变形严重，表现为断面缩小、锚索拉断、底鼓严重、U型钢支架破坏严重，对新掘巷道机轨合一大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，根据支架监测结果，表明支架完好，巷道稳定。

关键词：应力集中区 钢管混凝土支架支护 支护能力 支护原理

中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0089-02

1 工程概述

吉林江源煤业有限责任公司位于吉林省白山市江源区砟子镇辖区之内。地处吉林省白山市通化矿区中部，西南距白山市11.6 km，东北距江源区4 km。井田走向长3.0 km，倾斜宽2.0 km，面积6.0 km2。吉林江源煤业有限责任公司于2007进行了改扩建，改扩建后矿井的产煤能力由120万 t/年提高为180万 t/年。2011年年核定生产能力为300万 t。

目前，吉林江源煤业有限责任公司生产水平分别为-400水平和-600水平水力采煤区及深部-800水平综采区。深部采区距地面1320 m。其井田总体构造形态为轴向北东，西部抬起，向东倾伏的不对称向斜构造。向斜北翼陡，地层倾角60～80 °，向中部渐变平缓，倾角10～30 °。向斜南翼倒转，倒转轴与向斜轴略有交角。江源井田煤系地层主要为上石碳系太原组（C3t）和下迭系山西组（P1s），其中1、4、6三个煤层全区发育是主要可采煤层。

钢管混凝土支架使用地点为-700胶带机下山-724 m标高以下处。支护长度为60米。-700胶带机下山是江源煤业深部延深工程的主要运输巷，位于向斜轴北翼，巷道坡度为-20 °在胶带机下山掘至-700标高时，从岩性上判断以从本溪统进放煤系地层。（太原组）掘至-724 m标高时受f12断层影响，进入N6层煤（f12正断层，落差3.0 m，倾角为70 °）。（图1）

巷道离向斜轴和煤层的距离较小，位于应力集中地带，巷道围岩压力大，易发生严重变形破坏，主要表现为巷道断面缩小、 锚索和锚杆破坏、底鼓严重、U型钢支架破坏等（图2）。保证不了安全生产。[1][2] [3]

2 钢管混凝土支架支护技术概述

在钢管外壳内填装混凝土即成钢管混凝土，钢管混凝土的的工作原来为：混凝土受钢管外壳的约束，从而具有更高的抗压强度。钢管混凝土支架是由中国矿业大学（北京）的高延法[4]教授发明，在深井软岩巷道支护工程中已成功应用，其主要优点有：

（1）钢管混凝土支架的承载能力大幅提升，实验室数据显示，相同断面的钢管混凝土支架承载能力达210 t，而U型钢支驾承载能力为40～50 t，可见，相同断面的钢管混凝土支架承载能力达相同重量U型支架的3-5倍。

（2）相较于U型钢支架支护，钢管混凝土支架支护速度更快，且支架注浆、支架安装可平行作业，对支护速度没有影响。

（3）钢管混凝土支架支护可预留变形层，使得围岩可以让压变形。

（4）钢管混凝土支架支护总成本较低：虽然钢管混凝土支架加工的成本增加约20%，但期承载能力大大提升，且巷道无需返修，因此，与U型钢支护相比，在考虑巷道返修等成本因素下，钢管混凝土支架支护总成本较低。

基于钢管混凝土支架的各项优点，钢管混凝土支架已被成功用于中煤集团平朔分公司井工三矿、河北金能集团金牛股份邢东矿、长治三元集团黄山煤业有限公司、沈煤集团清水矿、黑龙江鹤岗矿业公司、新汶矿业集团华丰煤矿、鹤煤集团三矿等。

3 钢管混凝土支架在江源煤业的应用

3.1 钢管混凝土支架支护方案

（1）钢管混凝土支架应用于江源煤业-700胶带机下山近煤的应力集中区范围，巷道长度约60 m，共安设钢管混凝土支架60架，支架间距为0.7 m。

（2）钢管支架型号设计

根据目前河北金能集团金牛股份邢东矿工程类比预估支架型号应该为Φ194×8（36.7 kg/m）。

（3）钢管支架结构设计

支架分为四段，套管连接。支架间距为0.7 m，支架之间顶杆连接。支架顶杆采用Φ76×5的钢管混凝土短杆，顶杆间距1.5～1.8 m，能够有效防止支架发生压杆失稳。

（4）钢管支架间连接设计

根据目前河北金能集团金牛股份邢东矿支护工程对比，钢管支架间距设为700 mm，支架间连接采用顶杆，顶杆长度500 mm。钢管混凝土支架支护断面如（图3）所示。

3.2 支架承载力计算

（1）支架短柱承载能力计算，支架钢管型号为Ф194×8，钢管选用20号钢，钢材的屈服极限钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值为N0：

式中套箍指标为：

（2）支架承载能力计算，钢管混凝土支架的极限承载能力表示为。

―钢管混凝土支架的极限承载力；―钢管混凝土轴压短柱承载力； ―折减系数；考虑长细比和偏心率的影响，折减系数取=0.8。

支架上部半圆拱的极限承载平衡方程为：=2521.3×0.8=2017（kN）

即：支架承载能力为2017kN，约202吨。

（3）支架支护支撑力计算，巷道中钢管混凝土支架结构力学模型如（图3）。

根据该力学模型，支架支护支撑力为：

S―支架间距，0.8 m；R―巷道计算半径，2.3 m；―支架的支护反力；―支架极限承载力。

由式求出钢管混凝土支架的支护支撑力力为：=1.1 MPa。

3.3 施工工艺

（1）基本工艺流程，巷道开帮挑顶初喷30 mm厚的水泥砂浆层锚杆支护、安装空钢管支架、支架内灌混凝土等工艺。

（2）支架内灌混凝土及灌注工艺，钢管内混凝土按C40配比，水泥选用为42.5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为波纹状。[5]混凝土配比与材料用量见表2。

混凝土灌注工艺：

①每安装5架～10架空钢管支架后，进行混凝土注浆一次。

②首先连接好电缆、布置好输浆管路，输送泵空载15～20 min。

③第一次使用混凝土输送泵应先泵送少许水泥砂浆管路。

④混凝土每次搅拌1 m3，混凝土搅拌均匀，以防管路堵塞。

⑤然后正常泵送注浆，给支架注混凝土过程中，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，并且应该提前连接好下一架支架，以方便注浆，节约时间，防止混凝土凝固。

⑥注浆结束前，需顶部排浆孔流出约1水桶混凝土作为结束标识点。

⑦注浆完毕后先停止泵送，封堵注浆孔、排浆孔。

⑧对管路进行冲洗，然后停止供水、供电，然后拆卸管路。

3.4 支架监测

每隔5架为一监测点，利用感官目测和收敛仪对钢管混凝土支架支护进行监测支架的变形量，通过监测钢管混凝土支架支护无明显变形。-700胶带机下山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5所示。

4 结语

（1）-700胶带机下山处于近煤应力集中区，前期掘进采用锚网喷支护和U型钢支架支护方式，巷道破坏严重，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。翻修次数多，投入成本高。

（2）-700胶带机下山应力集中区域新掘巷道采用钢管混凝土支架支护，施工长度 60 m，支架型号为φ194×8 mm，支架间距0.7 m，支架支护反力为1.1 MPa。目前-700胶带机下山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。

（3）钢管混凝土支架支护与锚网喷支护和U型钢支架支护方法相比，钢管混凝土支架支护后，巷道稳定性良好，支架没有明显变形。维护量小。不足的是钢管混凝土支架，一次性投入成本比锚网喷支护和U型钢支架支护成本高，只适用于服务年限长的永久巷道。

参考文献

[1] 陈为高，周建军石.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.

[2] 郭天福，腾文虎.基于松动圈围岩支护理论的软岩巷道返修锚网支护技术设计[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.

[3] 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.

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

[5] 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.