深井巷道钢管混凝土支架支护性能与工程应用研究

【摘 要】随着煤矿开采深度的增加，深井巷道难支护问题变得特别突出。本文以千米深井华丰煤矿-1100中央泵房为研究对象，首先分析了-1100中央泵房地质条件和原有支护巷道变形破坏情况，设计并进行了钢管混凝土和U型钢圆弧拱试件抗弯性能的对比实验。然后设计-1100中央泵房钢管混凝土支架支护方案，主体钢管选用Φ219×8无缝钢管，钢管内充填C40早强型混凝土。工程应用表明，在深井巷道支护中，钢管混凝土支架能够提供较强的支护反力，控制巷道变形，维持巷道稳定，表现出良好的支护性能。

【关键词】深井巷道支护 华丰煤矿 钢管混凝土支架

我国探明煤炭储量埋深大于1000m的约50%，煤矿采深正以每年8～12m的速度增加。采深超过1000m的煤矿已经有57处，包括山东能源集团华丰煤矿、冀中能源邢东煤矿、国投新集口孜东煤矿、徐矿集团古城煤矿、河南煤化鹤壁三矿等等。深井巷道面临高地压、高岩溶水压、高温和易扰动地质环境，支护困难，返修率高，支护总成本居高不下。

钢管混凝土材料具有优良承压性能[1-2]，以其为基本材料做成的钢管混凝土支架具有高承载力、高性价比和施工简单等特点[3-6]，钢管混凝土支架已经应用于全国近30个工程项目，并已经取得优良成果。本文结合千米深井巷道华丰煤矿-1100m中央泵房的工程地质条件和围岩变形特点，采用高强度钢管混凝土支架支护方案，大幅度提高了巷道径向支护反力，减少了巷道的变形破坏。工程应用表明，钢管混凝土支架支护近三年来巷道稳定，钢管混凝土支架无变形。

1 1100水平大巷地质条件分析

1.1 1100中央泵房地质条件描述

-1100中央泵房埋深1250m，为五水平主排水系统，服务年限长。该区煤岩层赋存稳定，结构比较简单，煤岩层走向为80°～85°，倾角为30°～33°，平均32°。-1100m水平大巷为穿层掘进，所穿过岩石大部分为粉砂岩、中砂岩，揭露的主要标志层依次为煤8（2）、煤8（1）、煤7（3）、和煤7（2）。煤岩层综合柱状图见图1。

1.2 1100中央泵房支护现状及破坏分析

-1100中央泵房现有支护采用马蹄形断面，光面爆破，两导两起四次成巷施工；初喷混凝土作临时支护，喷锚喷+锚网喷做永久支护；泵房整体打8米的高强注浆锚索做加强支护，后架设U36型钢支架做二次加强支护。反底拱采用锚杆支护，锚杆间排距为1000×1000mm，锚杆布置垂直于巷道轮廓线，夹角不小于75°。

原有支护巷道破坏严重，巷道两帮变形严重，U型钢支架顶部成尖角形状；底鼓量大，泵房电机倾斜，轨道凸起无法使用，如图2。

通过对-1100中央泵房巷道变形破坏分析，其变形破坏原因如下：（1）巷道埋深大。埋深达1250m，地质构造复杂，构造应力影响大，围岩变形在很大程度上表现为软岩岩性；（2）巷道穿层多，造成围岩岩性变化。岩性强度较低的层位围岩变形加剧，造成巷道不同分段不同部位受力不均匀，增加巷道应力集中和拉压应力分布不均匀，加剧了巷道不同围岩段的变形。（3）原有支护设计不合理、强度不足。复合支护形式多，相互协调性差，同时-1100中央泵房使用不封闭马蹄形U36型钢支架支护，U36型钢支架强度较低，降低了支护体两帮稳定性。

2钢管混凝土圆弧拱试验研究

2.1 试件结构

为了对比钢管混凝土支架与U型钢支架的支护性能，中国矿业大学（北京）高延法课题组进行了Φ194×8钢管混凝土支架和U36型钢支架的抗弯力学性能实验[7-8]。试件为π/2圆弧拱，如图3图4所示，试件两端预留50mm变形空间，试件两端50mm以外固定约束，在试件顶部中央位置逐步施加在400mm长的承压板上，测试该弧段试件能承受的最大载荷和试件各部位的变形破坏情况。

2.2 核心混凝土配比

根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）将早强核心混凝土强度等级设计为C40，水泥采用快硬硫铝酸盐42.5水泥，粗骨料碎石粒径小于20mm，细骨料采用细度模数2.2～3.0河沙。同时，为了保证混凝土的早期强度，添加适量早强剂、缓凝剂和减水剂。核心混凝土配比表见表1。

2.3 试件加载方式

在支架顶部长400mm正方形承压板约束处施加位移荷载，直至达到试件极限抗弯强度后撤去载荷。测点布置从试件中间向两侧每隔50cm设置一组测点，每组分为外侧、中间、内侧三个测点，每个测点沿垂直方向布置位移传感器，最后得出位移-载荷曲线。

2.4 支架试件的实验结果与分析

钢混支架和U型钢试件破坏形态如图5～图6，荷载-位移曲线如图7～图8，实验结果汇总见表5。实验数据显示，钢管混凝土圆弧拱试件最大承受荷载是矿用U36型钢支架的2.38倍，钢混圆弧拱试件承受最大位移是矿用U36型钢试件的2.37倍[7-12]。因此，华丰煤矿-1000m中央泵房返修支护设计中采用Φ219×8钢管混凝土支架是可行的。

3 1100m中央泵房支护方案设计

-1100m中央泵房支护方案设计如下：（1）扩修断面：宽8090mm×高6760mm，扩修后做一次锚网喷支护，加强底角支护，使用锚索；（2）设置柔性让压层：顶部200mm、两帮200mm，使用钢管混凝土支架做二次支护；钢管混凝土支架支护后净断面宽7200mm×高6300mm，支架间距600mm。（3）钢管混凝土支架支护完毕后复喷混凝土，然后进行围岩注浆加固。钢管混凝土支架是主要支护手段，重视底板支护和围岩注浆加固。

3.1 钢管混凝土支架设计

钢管材质选用20#无缝钢管，规格为Φ219×8mm，单位重量为41.6kg/m。-1100m中央泵房修复使用斜墙半圆拱形钢管混凝土支架，钢管混凝土支架分为主体结构和附属结构。主体结构包括三段支架管和接头套管，三段支架管分别为：顶拱段、左帮段和右帮段，附属结构是为适应相邻支架连接、灌注混凝土等设计所需部件。

（1）钢管混凝土支架结构设计。斜墙半圆拱钢管混凝土支架理论重量为760.7kg/架。钢管混凝土支架结构如图9。

（2）钢管混凝土支架连接设计。支架主体三段之间采用接头套管连接，相邻支架之间采用钢管混凝土连杆连接。

3.2锚网喷支护和围岩注浆加固支护设计

（1）锚网喷支护设计。1）巷道扩修后立即对围岩喷射30～50mm厚混凝土；2）挂普通金属网打锚杆，锚杆间距800mm；3）架设钢管混凝土支架，在支架后铺设强力抗拉网，强力抗拉网和锚网间插花式排列水泥背板或木背板做柔性变形层，当柔性变形层达到变形极限后复喷150mm厚混凝土。锚杆选用φ22×2400mm高强螺纹钢树脂药卷锚杆，上部间距1000mm，底角部间距800mm，排距800mm，锚杆布置如图10。在不妨碍泵房电机基础的前提重新开挖底板，并浇筑钢筋混凝土，混凝土强度等级C50。

（2）围岩注浆加固设计。使用全断面多孔同时注浆技术，一次完成一个或多个断面注浆，实现快速高效注浆效果。注浆加固设计如图11。

4钢混支架支护性能

（1）高性价比：同一巷道断面，钢管混凝土支架承载力提高2倍，成本仅提高0.2～0.5倍。（2）施工简单：井下安装不需要卡揽或螺栓，混凝土灌注滞后作业。（3）钢管混凝土支架支护性能良好，支护近三年来巷道稳定，钢管混凝土支架无变形。-1000m中央泵房支护效果见图12。

5 主要结论

本文以华丰煤矿-1000中央泵房为工程背景，进行了钢管混凝土和U型钢圆弧拱试件抗弯性能实验，设计了钢管混凝土支架等相关支护方案，取得了良好的支护效果。主要结论如下：（1）-1000中央泵房埋深1250m，巷道所处岩层多为砂岩，围岩荷载大于岩石强度，巷道破坏严重，常规的锚网喷支护和U型钢支护已完全不能满足支护要求，迫切需要适应深井巷道的支护技术。（2）钢管混凝土和U型钢圆弧拱抗弯力学性能实验表明，相同用钢量钢混支架是U型钢支架承载力3倍以上，成本仅提高0.2～0.5倍。（3）对-1000中央泵房进行支护设计，首先对围岩进行锚网喷支护，然后采用钢混支架支护，并设置预留变形空间，最后对围岩注浆加固。钢管混凝土支架采用斜墙半圆拱形断面，钢管型号Φ219×8mm，间距600mm。（4）钢管混凝土支架支护性能良好，支护近三年来巷道稳定，钢管混凝土支架无变形。

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