钢管混凝土支架在深井巷道中的支护实验研究.pdf

第 2 0卷 第 3期 ( 总第 1 2 4期) 2 0 1 5年 6月 煤 矿 开 采 C 0AL MI N I NG T E CHNOL 0 GY V o 1 2 0 N o 3 ( S e r i e s N o 1 2 4 ) J u n e 2 01 5 钢 管混凝 土支架在深井巷道 中的支护实验研 究 高延法，谢浩，刘珂铭 ，张凤银 ，张葆森 ，许亚林 ( 中国矿业大学 ( 北京) 力学 与建筑工程学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要 为解决华丰煤矿一 1 1 0 0 m水平风井联络巷变形持续 时间长、变形量大、难支护的问 题，结合巷道围岩地质条件和巷道变形破坏特征，设计了以钢管混凝土支架为主的复合支护方案：支 架断面为圆形，支架主体钢管采用 b 2 1 9 m mx 8 m m无缝钢管，充填 C 4 0混凝土，辅助锚网喷和围岩注 浆加固。而后，利用 F L A C 对支护效果进行模拟分析，结果表 明：巷道支护稳定后顶底板最大移近 量为9 0 ram，两帮移近量为8 0 mm，围岩变形得到有效控制。最后，将复合支护技术成功应用于工程现 场，充分证明基于钢管混凝土支架的复合支护能够有效控制巷道围岩变形，保证巷道的长期稳定。 关键词 钢管混凝土支架；深井巷道；数值模拟；复合支护 中图分类号T D 3 5 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 6 6 2 2 5( 2 0 1 5 )0 3 0 0 5 0 0 4 Ex p e r i me n t o f S t e e l Tu be Fi l l e d wi t h Co n c r e t e f o r S up po r t i ng Ro a dwa y i n De e p M i ne GAo Ya n f a， XI E Ha o， L I U Ke mi ng， ZHANG Fe n g y i n ZHANG Ba o s e n， XU Ya 1 i n ( M e c h a n i c s a n d Ar c h i t e c t u r e S c h o o l ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y( B e i j i n g ) ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s o l v e t h e s u p p o rti n g d i ffic u l t p r o b l e m o f l o n g t e r m a n d l a r g e d e f o rm a t i o n o f a i r - s h a f t c o n n e c t i o n r o a d w a y a t l l 0 0 m l e v e l i n Hu a f e n g C o l l i e r y ， c o n s i d e ri n g s u r r o u n d i n g r o c k g e o l o g i c a l c o n d i t i o n a n d r o a d w a y d e f o rm a t i o n a n d d a ma g e e h a r a e t e r i s t i c s ， c o mb i n e d s u p p o s i n g s c h e me w h i c h t o o k c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s u p p o r t a s ma i n s u p p o rti n g p a t t e r n w a s d e s i g n e d S u p p o r t i n g s e c t i o n s h a p e w a s c i r c l e 2 1 9 mmx 8 mm s e a m l e s s t u b e fi l l e d b y C 4 0 c o n c r e t e w a s a p p l i e d ，a s s i s t e d b y a n c h o r e d m e s h a n d i n j e c t i o n a n d g r u n t i n g f o r r e i n f o r c e me n t F L AC n u me ri c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o we d t h a t ma x i mu m r o o f a n d flo o r c o n v e r g e n c e w a s 9 0 mm， t wo s i d e c o n v e r g e n c e w a s 8 0 mm aft e r s u p p o s i n g r e a c h e d s t a b l e ， a n d s u rr o u n d i n g r o c k d e f o rm a t i o n wa s c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y F i e l d a p p l i c a t i o n o f t h e s u p p o rt i n g s y s t e m f u l l y p r o v e d t h a t t h e c o mb i n e d s u p p o rti n g s y s t e m c o u l d e f f e c t i v e l y c o n t r o l s u r r o u n d i n g r o c k d e form i o n a n d ma k e r o a d wa y k e e p i n g l o n g - t e r m s t a b l e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s u p p o ； d e e p r o a d wa y；n u me r i c al s i mu l i o n ； c o mb i n e d s u p p o rt i n g 随着浅部煤炭资源的 日益减少 ，煤矿开采逐渐 进入深部 。开采深度的增加使井巷条件变得更为复 杂 ，大地压 、大变形 、难支护等一系列 问题导致作 业环境恶化 、巷道维护困难 、地质灾害增 多 J ， 深井巷道 的支护问题变得越来越突出。现有的支护 技术已经遇到越来越多无法解决的难题 ：一方面支 护效果不好 ，围岩变形难 以控制 ，巷道无法稳定 ； 另一方 面支护成本 、巷 道返修率高。基 于以上原 因，钢管混凝土支架作为一种新型深井软岩巷道支 护方式应运而生。 自2 0 0 4年开始研究至今 ，课题组对钢管混凝 土短柱 、钢管混凝土直梁 、钢管混凝土圆弧拱和钢 管混凝土支架等结构体进行 了 1 0多次的实验室实 验。实验表明 ，在单位用钢量相 同的条件下 ，钢管 混凝土支架的极限承载力 可达 u型钢支架的 3倍 以上 J ，特别适 合在深 井巷道 和软岩 巷道 中使 用 。文章以华丰煤矿一 1 1 0 0 m水平风井联络巷 为工 程背景 ，对巷道原支护条件下的失稳破坏原因进行 了深入分析 ，改用钢管混凝土支架复合支护结构对 巷道进行支护 ，现场应用证明了优化后的支护方案 是合理的，能够实现巷道的长期稳定。 1 工 程概 况 1 1 工程背景 华丰煤矿- 1 1 0 0 m水平风井联络巷埋深 1 2 3 0 1 2 5 0 m，揭露地层岩性 为煤 8( 2 ) 至煤 7 ( 2 )之 间的岩层 ，所穿岩石大部分为粉砂岩、中砂岩 、细 砂岩 ，岩层倾角平均 3 0 。 。岩石单轴抗压强度 3 0 4 0 MP a ，垂 向地应力为 3 2 MP a ，水平构造应力在 3 5 4 7 MP a之 间。该联络巷断层及煤层附近顶板较 为破碎 ，巷道掘进过程中受到煤 6采动影响 ，巷道 变形量大 ，破坏严重 ，后期又受到煤 4采动影 响， 【 收稿日期】2 0 1 4 1 0 3 1 D O I 1 0 1 3 5 3 2 j c n k i c n l l 一 3 6 7 7 t d 2 0 1 5 0 3 0 1 7 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 ( 5 1 4 7 4 2 1 8 ，5 1 1 3 4 0 2 5 ) 作者简介高延法 ( 1 9 6 2 一 ) ，男，山东滕州人，教授， 博士生导师，从事矿山岩体力学、深井软岩巷道支护等方面的教学与研究。 引用格式 高延法 ，谢浩，刘珂铭 ，等 钢管混凝 土支架在 深井巷道 中的支护 实验研 究 J 煤矿开采 ，2 0 1 5 ，2 0 ( 3 ) ：5 0 - 5 3 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高延法等：钢管混凝土支架在深井巷道 中的支护实验研究 2 0 1 5年第3期 巷道围岩变形强烈。 1 2 巷道原有支护形式与变形特征 一 1 1 0 0 m水平风井联络巷原有支护设计选用圆 形断面 ，光面爆破 ，一次成巷。初喷 5 0 mm厚混凝 土后打锚杆作临时支护 ，后用钢筋混凝土碹体作加 强支护。锚杆采用 2 5 mm 2 4 0 0 m m 的高强螺纹钢 树脂药 卷锚杆 ，间排距 4 0 0 m mx 4 0 0 m m，打 2遍 ； 金属 网 采 用 l O m m 钢 筋 ，网 孔 规 格 1 0 0 mm X 1 0 0 m m；钢筋混凝土 碹体厚 2 0 0 mm，混 凝土 强度 等级为 C 4 0 。 在原有支护形式下 ，巷道断面缩小严重，最严 重地段直径仅有约 1 m的空间用 以回风，钢筋混凝 土碹体断裂 、掉落 ，混凝土喷层开裂 ，钢筋网破裂 并外露 ，锚杆托盘掉落 、杆体内收 ，部分锚杆从杆 体中间剪断。后使用 U 3 6型钢进行返修，仍不能 取得理想效果。 1 3 巷道变形破坏原因分析 巷道破坏的主要原因可归结为以下几个方面 ： ( 1 )巷道埋 深达 1 2 5 0 m，在 深部 高应力作 用 下 ，围岩变形呈现 出明显的软岩变形特征 。 ( 2 )巷道 连接 五水平 和 六水 平 ，穿层 较 多， 围岩岩性变化较大，造成巷道不 同分段不 同部位受 力不均匀，局部产生应力集 中，进而影响整个巷道。 ( 3 )支护强度不足 ，各支护形式间协调性差 。 锚网喷和钢筋混凝土碹体所能提供的支护力较小， U 3 6型钢支架底部不封闭 ，支护强度低 ，不能有效 抑制围岩收敛变形 。 ( 4 )巷道掘进过程 中和支护后期经 受多次开 挖扰动影响 ，导致巷道变形量大 ，破坏严重 。 2 钢管混凝土支架支护方案设计 结合巷道围岩地质资料与变形破坏特征，设计 了 “ 锚网喷+ 钢管混凝土支架+ 围岩注浆 ” 的复合 支护方案 ： ( 1 )巷道采 用圆形断 面 ：扩修直径 5 5 7 0 m m， 后做一次锚网喷支护 。 ( 2 )设置柔性变形空 间 2 0 0 m m，使 用钢管混 凝土支架做二次支护 ，支护后 巷道净断 面直径为 48 00mm 。 ( 3 )钢管混凝土支架支护完毕后复喷混凝土 ， 监测 支 架 承 载 力 ，承 载力 超 过 支架 设 计 承 载力 8 0 时进行围岩注浆加固。 2 1 钢管混凝土支架支护设计 依据工程类 比法，主体钢管选用 b 2 1 9 m m 8 m m的 2 0号无缝钢管 ，接头套管规格为 b 2 4 5 m mx 8 m m。支 架 断 面 形 状 设 计 为 圆 形 ， 内 径 R= 2 4 0 0 m m，主体结 构分 为 4段 ：顶拱 段 ，左 帮段 、 右帮段和反底拱段。支架之间采用钢管混凝土连杆 连接 ，以保证支架之间的整体性 ，防止支架平面外 失稳 ，支架间距 8 0 0 m m。 2 2 锚网喷支护设计 ( 1 )巷 道扩修后 立 即对 围岩 喷射 3 05 0 mm 厚混凝土 ，封闭围岩，防止岩块风化掉落 ，隔绝 围 岩与空气间水分交换 。 ( 2 )挂 普 通 金 属 网打 锚 杆。采 用 c b 2 2 mm 2 4 0 0 m m高强螺纹钢树脂锚杆 ，间排距为 8 0 0 m m 8 0 0 m m；金属 网采 用 b 5 m m 钢筋焊 接而成 ，网孔 1 0 0 mm 1 0 0 mm。混凝土喷层强度等级 C 2 0 。 ( 3 )复喷 1 5 0 m m厚混凝土 ，此步措施可以暂 时滞后 ，先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 网间布置木背板做柔性 变形层 ，当柔性变形 层达到变形极 限后复喷混凝 土。锚网喷+ 钢管混凝土支架支护设计见图 1 。 螺纹锚杆 图 1 锚 网喷+ 钢管混凝土支架支 护断面 2 3 围岩注浆加固设计 为了防止巷道在高地应力的长期作用下发生屈 服、破坏，产生大范围的破碎区和塑性区，需对巷 道围岩进行注浆加固 。 。 ，进一步提高围岩 自承 能力。 ( 1 )注浆 时机 对钢 管混凝 土支架承载力进 行监测 ，当承载力 达到设计承载力 的 8 0 时 ，对 围岩进行注浆加固。 ( 2 )注浆材料 选用 水泥浆液注浆 ，水泥 为 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ，水灰 比为 0 6 0 7 ；选 用 b 2 2 m mX 3 m m普通钢管 中间钻麻花状排列 , k 6 m m 小孔做 注浆 管 ，注浆 管长 3 m，间排距 1 6 0 0 mm 2 4 0 0ram 。 ( 3 ) 注浆控 制 参数 注浆 压 力 为 2 0 2 5 MP a ，注浆时间控制在 1 2 0 m i n ，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 ， 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 4期 煤矿 开采 2 0 1 5年第3期 实现快速高效注浆效果。注浆量为每断面不少于 l t 水泥。 3 巷道支护数值模拟分析 3 1 数值模型的建立与参数选取 利用 F L A C 如建立如图 2所示的巷道 围岩力学 模型 ，本构模型采用应变软化模型 ，模型几何尺寸 为 4 0 m 1 6 mX 6 0 m，计算 模 型共 8 5 7 6 0个 单元 和 9 2 4 6 3 个节点。模型限制沿水平方向移动 ，底面限 制各个方向移动 ，变形模式设置为大变形。上部施 加 2 7 0 6 MP a的均布应力 ，侧压系数取 1 2 8 。锚杆 采用 C a b l e单元进行模拟 ，混凝 土喷层采 用 L i n e r 单元进行模拟 ，钢管混凝土支架采用 B e a m单元进 行模拟 。围岩注浆加固通过提高注浆范围内围岩的 力学参数进行模拟。计算采用的围岩物理力学参数 见表 l 。混凝土喷层支护参数见表 2 。 图2 围岩力学模 型 表 1 围岩 物理 力学 参数 粤昆 密度 体积模剪切模内摩擦 黏聚 抗拉强 石 ( m一 ) 量 G P a 量 G P a 角 ( 。 ) 力 M P a 度 MP a 2 0 0 3 2 5 0 2 3 4 3 0 1 3 5 3 0 3 2 支护稳定性分析 3 2 1开挖 临 空 巷道开挖后由于没有施加任何径向支护 ，巷道 5 2 围岩不断向巷道空间内挤入 ，短时间内顶底板及两 帮移近量达到 8 0 0 m m，而且变形速率有加 快的趋 势 ，顶底板及两帮移近量基本保持一致 ，见 图 3 。 实际情况下巷道在该变形量下已经出现离层甚至冒 落 ，严重影响到巷道的正常使用 ，因此巷道开挖后 需要立即施加支护，减少巷道围岩的表面变形和破 坏深度。 图 3 巷道 围岩表面位移 曲线 3 2 2钢管混凝土支架复合 支护 巷道开挖后立即喷射 5 0 mm厚混凝土喷层 ，挂 金属网打锚杆 ，并及时施加钢管混凝 土支架支护。 随着巷道变形量的增加，围岩与钢管混凝土支架密 切接触 ，支架处于四面受压的状态 ，钢管混凝土支 架的高强度支护作用逐渐显现 ，巷道围岩变形速率 明显降低，围岩变形量快速趋于稳定。由图4可知 巷道顶底板最终移近量在 9 0 m m左右 ，两帮移近量 在 8 0 m m左右 。支护稳定后巷道围岩综合位移云图 见图 5 。模拟结果表明，采用钢管混凝土支架复合 支护后 ，巷道围岩 的收敛变形 能够得到有效控制 ， 同时能够维持巷道的长期稳定 。 图4 支护后巷道表面监测点移近量 图5 支护后巷道 围岩位移 啪彻种姗伽姗抛 0 g景珊 阻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高延法等：钢管混凝土支架在深井巷道中的支护实验研究 2 0 1 5年第 3期 4工程 应 用 4 1 巷道支护施工流程 巷道 支 护 工 艺 流 程 ：巷 道 开 帮 挑 顶 ；初 喷 5 0 m m厚混 凝土 喷层 ；锚 网支护 ；安装 空钢 管支 架 ，支架后铺设 强力抗拉 网；钢管支 架灌注混凝 土 ；复喷混凝土喷层 ；监测钢管混凝土支架承载力 达到设计值 的 8 0 ；围岩注浆加固。 4 2 巷道围岩变形监测 采用十字布点法对巷道两帮和顶底板变形进行 观测 ，测量仪器选用测杆和卷尺 ，测点布设方式见 图 6 。每隔 5架支架布设 1组测 点 ，共布设 5组 。 每 3 d观测 1次 ，持续监测 1 5 0 d 。 A 。 。 、 、 、 号 ， 图6 巷道表 面位 移测点布置 监测结果 表明 ：支 护后 7 d内巷 道变形较 慢 ， 支护后 1 0 2 0 d ，巷道变形速度最快 ，3 0 d以后巷 道 围岩变形基本趋于稳定 ，5组观测结果表明围岩 最大移近量控制在 8 01 5 0 m m，充分表 明钢管混 凝土支架复合支护结构能够有效抑制巷道 围岩的收 敛变形，维持巷道稳定，并且支架整体结构完好， 没有出现损坏 。 5结论 ( 1 )华丰煤矿- 1 l O O m水平风井联络巷在深部 复 杂 高 应 力 作 用 下 ， 呈 现 软 岩 变 形 特 征 ， 原 有 “ 锚网喷+ 钢筋混凝土碹体+ U 3 6型钢”支护协调性 差 ，支护强度低 ，难 以保证巷道围岩的长期稳定 。 ( 2 )设计 了以钢管混凝 土支架为主体 的复合 支护方 案 ：支 架 选 用 圆形 断 面 ，主 体 钢 管选 用 t h 2 1 9 m mx 8 m m的 2 0号无缝钢管 ，灌注 C 4 0核心混 凝土，辅助锚 网喷支护和围岩注浆加 固。 ( 3 )数值模拟 和工程实践表 明：将基于钢 管 混凝土支架的复合支护技术应用到深井软岩巷道的 支护中是有效可行 的。 参考文献 1 何满潮， 谢和平 ，彭苏萍 ， 等 深部开采岩体力学研究 J 岩石力学与工程 学报，2 o o 5 ，2 4 ( 1 6 ) ：2 8 0 3 2 8 1 3 2 常聚才 ，谢 广祥 深部 巷 道 围岩 力学 特 征及 其 稳定 性 控制 J 煤炭学报 ，2 0 0 9，3 4 ( 7 ) ：8 8 1 8 8 6 3 孙晓明， 何满潮 ，张国锋 ，等 鹤壁五矿深部高应力软岩巷 道破坏机理及对策 J 辽宁 工程 技术大学学 报 (自然科学 版 ) ，2 0 0 9 ，2 8 ( 3 )：3 9 3 3 9 6 4 王波软岩巷道变形机理分析与钢管混凝土支架支护技术 研究 D北京 ：中国矿业 大学 ( 北京 ) ，2 0 0 9 5 高延法 ，王波 ，王军 ，等 深 井软 岩巷道 钢管混 凝土 支 护结构性能试验 及应用 J 岩 石力学 与工 程学 报 ，2 0 1 0， 2 9( S 1 ) ：2 6 0 4 2 6 0 9 6 刘 国磊 钢管混 凝土支 架性能 与软岩巷 道承压 环强化 支护 理 论研究 D 北京：中国矿业大学 ( 北京) ， 2 0 1 3 7 王军 钢管混凝土 圆弧拱 的抗弯力 学性能 实验研 究与工 程 应用 D北京 ：中国矿业 大学 ( 北京 ) ，2 0 1 4 8 高延法，王军，黄万朋，等 直墙半圆拱形钢管混凝土支 架力学性能实验及应用 J 隧道建设 ，2 0 1 4 ，3 4 ( 1 )：6 一 l 2 9 牛学 良 深井软岩巷道稳定性 控制理论 与技术研究 D青 岛 ：山东科技大学 ，2 0 0 8 1 O 康红普，冯志强 煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与发展 趋势 J 煤矿开采， 2 0 1 3 ，1 8( 3 ) ：卜7 ，1 O 1 1 张农 巷道滞后注浆围岩控制理论与实践 M徐州： 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 0 4 1 2 李国峰，蔡键，郭志彪 深部软岩巷道锚注支护技术研究 与应用 J 煤炭科学技术， 2 0 0 7 ，3 5( 4 ) ： 4 4 4 6 责任编辑 ：王兴库 ( 上接 9页) 一 ： 、 k 一 =、 、 参考文献 1 李春意 ，崔希 民，何荣 ，等 开采 沉陷 预计 中三维 空间 曲 面拟合参数的研究 J 采矿与安全工程学报，2 0 1 1 ，2 8 ( 3 )：4 2 0 4 2 4 2 何国清 充分采动区内及主断面上水平移动变形的分布规律 J 中国矿业学院学报，1 9 8 6( 2 ) ： 6 2 - 7 4 3 何 国清 矿山开 采沉 陷学 M徐 州 ：中国矿业 大学 出版 社 ，1 9 9 1 4 国家煤炭工业局 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 M 北京：煤炭工业出版社， 2 0 0 0 5 吴侃，靳建明时序分析在开采沉陷动态参数预计中的应 用 J 中国矿业大学学报 ，2 0 0 0 ( 4) ：7 3 7 5 6 范洪冬 ，张宏贞 ， 邓喀中老采空区残余沉降预测参数研究 J 金属矿山 ，2 0 0 9 ( 1 ) ：3 O 一 3 2 7于启 升 ，吴侃 ，郑汝育 概率 积分参数 反演 中的 开采影 响 传播 角问题研究 J 地矿测绘 ，2 0 1 1( 2 ) ：7 - 1 1 8 曹化平， 杨可明，肖金榜，等 非规范观测站的岩移参数求 取方法研究 J 矿山测量， 2 0 0 9( 5 ) ：1 3 1 5 9 尹士献 厚黄土覆盖层村镇下条带开采研究 D 西安：西 安科技大学， 2 0 0 4 责任编辑：李青 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m