新安煤矿深井软岩酮室钢管混凝土支架支护设计与应用.pdf

第4 6 卷 第l 0 期 2 0 1 4 年第1 0 期 煤炭工程 C OAL E NGI NE E RI NG Vo 1 4 6， No 1 0 No 1 0，2 01 4 do i ： 1 01 l 7 9 9 c e 2 01 41 0 O3 O 新 安煤矿 深井软岩硐 室钢 管混凝土 支架支护设计与应用 李剑锋 ( 徐州矿务集团有限责任公司，江苏 徐州2 2 1 0 0 6 ) 摘要：新安矿变电所巷道埋深约7 5 0 m，属于极软岩难支护巷道。文章结合工程地质条件， 采用钢管混凝土支架的复合支护技术解决变电所软岩巷道难支护 问题 ，通过 3个月的支架荷载监 测和巷道 变形测量表明 ，“ 中1 9 4 mm1 0 mm的钢 管混凝土支架 +支架壁后 2 5 0 m m厚矸石袋”的 复合 支护稳定可靠，支架结构提供的支护反力大于围岩荷栽 ，可满足巷道 围岩稳定要求。 关键词 ：软岩巷道；钢 管混凝土支架 ；复合 支护 ；支护设计 中图分类号 ：T D 3 5 3 3 文献标识码 ：A 文章编号：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 4 ) 1 0 - 0 1 0 9 -03 S up po r t De s i g n a n d App l i c a t i o n o f S t e e l Pi pe Co n c r e t e Li n e r i n S0 f t Ro c k Ch a mbe r o f De e p M i n e i n Xi n a n M i n e L I J i a nf e n g ( Xu z h o u C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t i o n L i m i t e d ，X u z h o u 2 2 1 0 0 6，C h i n a ) Ab s t r a c t ： A d e p t h o f a mi n e s u b s t a t i o n r o a d w a y i n Xi n铀Mi n e w a s a b o u t 7 5 0 m a n d t h e mi n e r o a d wa y w a s a n u l t r a d i ff i c u l t s u p p o r t r o a d wa y I n c o mb i n a t i o n wi t h t h e e n g i n e e rin g g e 0 l o c a l c o n d i t i o n ， a c o mp l e x s u p p o rt t e c h n o l o g y w i t h a s t e e l p i p e c o n c r e t e l i n e r wa s a p p l i e d t o s o l v e the d i f fi c u l t s u p p o r t p r o b l e m o f t h e s u b s t a t i o n s o f t r o c k r o a d w a y A t h r e e mo n t h l i n e r l o a d mo n i t o ri n g a n d me asu ri n g a n d t h e r o a d w a y d e f o r ma t i o n me a s u r e me n t s h o w e d t h a t t h e c o mp l e x s u p p o wi t h a 1 9 4 mm 1 0 mm s t e e l p i p e c o n c r e t e l i n e r +2 5 0 mm thi c k wa s t e roc k b a g s b e h i n d t h e c o n c r e t e l i n e r w a s s t a b l e an d r e l i ab l e T h e s u p p o r t c o u n t e r f o r c e p r o v i d e d b y the s u p p o s t r u c t u r e wa s h i g h e r t h a n t h e s u r r o u n d i n g r o c k l o a d a n d c o u l d me e t the s t ab i l i t y r e q u i r e me n t s o f t h e mi n e s u r r o u n d i n g roc k Ke y wo r d s ： mi n e s o f t r o c k r o a d w a y；s t e e l p i p e c o n c r e t e l i n e r ； c o mp l e x s u p p o rt； s u p p o r t d e s i g n 深部软岩巷道围岩控制和支护是困绕我国许多矿区煤 矿安全生产中的关键技术难题之一_ 】 J 。经过多年的理论探 索和技术攻关，在软岩巷道支护方面，形成了锚喷 J 、锚 网喷 J 、锚喷网架、预应力锚索支护 系列技术、钢架支 护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、料石碹支护系列 技术和巷道围岩注浆加固等技术。但深井软岩巷道收敛变 形量大、底鼓严重、巷道支护成本太高等问题依然存在 ， 研究更合理的巷道支护技术显得尤为重要。井下灌注式钢 管混凝土支架是深井软岩巷道支护 的一种新型高强度支 架 ，单个支架的承载能力可达2 0 0多吨，该支架为深井 软岩巷道支护开辟了新的技术途径。 1工程概 述 新安煤矿变电所巷道埋深 7 5 0 m，巷道直接顶为砂质泥 岩或泥岩，厚度 1 4 m，灰色 ，成分有铝土质，石英 ，性 脆 ，块状 ，无层理，底部含砂较少，上部0 2 m煤线；基本 顶为中粒砂岩，厚度 7 4 m，灰白色，成分以石英和风化长 石为主，含炭屑、白云母和黄铁矿，泥质胶结，局部钙质 胶结，顶部 l m粒度较细，层理不发育；巷道底板为砂质泥 岩 ，厚度 3 9 m，灰色 ，成分为 泥质 ，石 英、长石 ，含 砂量 不均，夹较多的砂岩条带 ，缓波状层理 J 。 1 )巷道远场地压 。变电所 巷道 围岩 容重 2 2 k N m ，垂 直地应力为 1 6 5 MP a 。水平地应力资 料缺少 ，由于为 软岩 ， 可初步假设水平地应力与垂直地应力近似相等。硐室无开 采扰动，但存在掘进扰动作用。 2 )岩石力学参数。取变电所岩石试块做单轴抗压强度 测试，岩石力学参数见表 1 。岩石单轴抗压强度平均值为 1 2 8 MP a ，为典型的软岩强度。 收 稿 日期 ：2 0 1 31 1一 O 1 作者简介：李剑锋( 1 9 7 5一) ，男 ，陕西洛南人，高级工程师，现从事技术管理工作 ，Em a i l ：z asi 5 8 0 1 6 3 c o m。 引用格式：李剑锋新安煤矿深井软岩硐室钢管混凝土支架支护设计与应用 J 煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 ( 1 0 ) ：1 0 91 1 1 1 09 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第 1 0期 3 )岩石水理性质与矿物成分。巷道 围岩为砂质泥岩， 胶结程度差，遇水崩解，块度大于2 0 m m。岩石水理性质见 表 2 。 表 1 岩石力学参数 岩 石 试件 少 部分 裂 岩 石 试 件 出现 少量 4 2 8 开 。呈块状崩解 裂 隙 ，呈块状崩解 粘土矿物一般主要 由高岭石、伊利石和蒙脱石组成， 三者吸水性关系为：蒙脱石 伊利石 高岭石，三者吸水 膨胀性关系为：蒙脱石 伊利石 高岭石。 对岩样做水理性质测试，粘土矿物含量为 4 8 。粘土 矿物中，高岭石占4 2 ，伊利石 占3 7 ，蒙脱石 占 1 6 ， 伊蒙混层 占2 5 。由围岩岩样的矿物成分分析结果可知， 岩样粘土矿物成分达岩样总量的4 8 ，巷道围岩遇水易软 化崩解。高岭石在围岩粘土矿物 中含量最高 ，高岭石的性 质是具有一定的亲水性 ，膨胀性较小，吸水后具有较强的 可塑性( 这种可塑性会降低岩石的崩解性) 。具有较强膨胀 性的蒙脱石含量为 1 6 ，因此，围岩吸水性强，膨胀性较 弱，吸水后具有一定塑性，具有一定崩解性。 2 钢管混凝土支架支护设计 钢管混凝土支架属于高强度支架 ，是 目前承载能力最 大的支架结构 0 “ j 。根据新安矿变电所工程地质条件和围 岩性质，变电所临时支护采用让压式喷层和锚杆支护 ，永 久支护采用钢管混凝土支架复合支护。 2 1 钢管混凝土支架支护方案 1 )支护断面设计。考虑支护强度与巷道断面有效利用 率 ，钢管混凝土支架设计为圆形断面，内半径为 2 1 5 6 m m， 底部用矸石回填 ，回填后巷道净高 2 8 m。钢管混凝土支架 结构如 图 1 所示 。 2 )钢管混凝土支架型号选择。根据钢管混凝土支架在 2 0 多个软岩矿井中的支护实践 ，结合新安煤矿的地质条件， 变电所永久复合支护初步选用 “ 1 9 4 m m1 0 m m 的钢管混 凝土支架 +支架壁后 2 5 0 ra m厚矸石袋”支护，支护断面图 如 图 2所示 。 3 )临时支护先采用喷射混凝土支护顶、帮，喷厚3 0 5 0 m m，后采用 2 2 m m 2 5 0 0 m m螺纹钢锚杆进行全断面支 l 】 0 接头套管 图 1 钢管 混凝 土支 架结构 图 ( n l n 1 ) 图 2 支护断面图 ( mr ,a ) 护 ，间排距 8 0 0 mm8 0 0 m m。 4 )永久支护先架设空钢管支架，支架间距为 0 8 m， 然后在支架壁后铺设钢筋 网及 2 5 0 m m厚矸石袋；每架设 l 52 0 架空钢管支架后集中灌注混凝土，紧接着喷射 5 0 m m 厚混凝土封闭围岩。 2 2 钢 管混凝土支架承载能力验算 2 2 1 支架短柱承载力计算 钢管选用2 0号无缝钢管，钢材的屈服极限 =2 1 5 N m m ，钢管的横截面积 A =5 7 7 7 6 m m 。混凝土设计强度等 级 C A 0 ，混凝土轴心抗压强度设计值 =1 9 1 N mm ，钢管 内填混凝土横截面积 A =2 3 7 6 7 m m 。根据文献 1 2 ，钢 管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值为 N o ： N o=A ( 1+ +1 1 0 ) ( 1 ) A ， 式中，0 为套箍指标 ，0= 。 A 将有关参数带入式( 1 ) 可得，钢管混凝土短柱轴压承载 力：N o = 2 5 4 8 k N。 2 2 2 支架承载力计算 根据 钢管混凝土结构设计与施工规程 ( C E C S 2 8 ： 9 0 ) ，考虑钢管支架在压弯时，受长细 比与偏心率影响，因 此计算钢管混凝土支架的极限承载力时需要乘上相应的折 减系数 ，因此钢管混凝土支架的极限承载能力表示为： N u= f 。 N o= 0 ( 2 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第1 0 期 煤炭工程 式中， 为钢管混凝土支架的极 限承载力 ，k N；N o 为钢管混凝土轴压短柱承载力 ，k N；p为折减系数 ，考虑 长细比和偏心率的影响，折减系数取 = 0 7 8 。 由式( 2) 可得钢管混凝土支架的极限承载力为 = 1 9 8 7 4 k N，即支架承载能力为 1 9 8 7 t 。 2 2 3 支架支护应力计算 根据文献 1 3 ，若圆心角 较大 ( 拱较深) ，即 时 ，拱的剪力和弯矩都很小。巷道中钢管混凝土支架结 O 构 力学模型如 图 3所示 。 图3 钢管混凝土支架结构力学模型 根据该力学模型，支架支护反力 。 为： ， s j s i n a g 0 R d a=2 N ( 3 ) J 0 式中，Js为支架 间距，取 0 8 m；R为巷道计算半径， 取 2 1 5 m； 。 为支架的支护反力 ，MP a 。 由式( 3 ) 可以求出钢管混凝土支架的支护能力为： = 1 1 6 MP a ，即 1 9 4 mm1 0 m m支架在灌注 C 4 0混凝土、支 架间距为0 8 m的条件下，支架的支护能力为 1 1 6 MP a 。 3支护监测 3 1 巷道压力检测 钢管混凝土支架背后安装钢弦式土压力盒。适用于工 程中接触压力和基础压力的长期观测，共设 4 0个压力盒 ， 其中真压力盒 1 0个 ，虚拟压力盒 3 0个。 1 )巷道支护初期 ，压力盒数值基本保持为0 0 5 M P a左 右，甚至出现压力值下降现象，这主要是矸石袋缓冲作用 正在发挥，围岩应力与支护系统处于适应过程，压力值波 动较 大。 2 )支护约 3周后压力盒数值开始 增长 ，所测 压力增长 与时间基本符合线性关系；其 中以顶部压力增长较快，两 底角处压力增长次之，两帮压力增长略微迟缓。 3 )支护约两个月后 ，顶部最大压力值为 0 6 MP a ，两 底角压力值平均约 0 5 MP a ，两帮压力值均低于 0 5 MP a 。 此后顶部压力增长速度变缓 ，两帮与底角压力增速变大， 三个月后支架压力 值趋 于稳定，以底角处 压力值最 大， P O 9 MP a，P 0 。 压力盒监测表明，围岩压力值小于钢管混凝土支架的 支护反力极值，复合支护系统处于稳定状态。 3 2巷道顶底板及 两帮位移监测 在围岩压力监测的同时，对巷道顶底板位移与两帮收 敛进行监测，监测数据显示：两种支护方案的巷道顶底板 与两帮收敛变形量均小于2 0 m m。钢管混凝土支架没有明显 变形 ，巷道支护稳定，满足巷道使用要求。 4结论 1 )新安 矿变 电所 巷道 埋深 7 5 0 m，垂直地 应 力为 1 6 5 MP a ，巷道顶板为砂质 泥岩 或泥岩 ，巷道底板 为砂 质泥 岩。巷道 变 形 以底 鼓 为 主。岩 石 的 单 轴 抗 压 强 度 为 1 2 8 MP a ，地压一强度比为 1 3 ，岩石的水理性质为中度崩 解 ，初步预估围岩荷载 1 0 2 0 M P a 之间。 2 )设计巷道断面为圆形，支护采用 “ 1 9 4 m m1 0 m m 钢管混凝土支 架 +壁后填充 2 5 0 m m 矸石袋”，支架间距 0 8 m，承载体的总承载能力大于 1 1 6 MP a 。 3 )钢管混凝土支架支护三个月后，压力盒监测值显示 围岩荷载小于支架支护反力极值 ，巷道变形监测显示巷道 变形量小于 2 0 mm，巷道保持稳定 。 参考文献： 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 王襄禹高应力软岩巷道有 控卸压 与蠕变控制 研究 D 徐州 ：中国矿业大学 ，2 0 0 8 康红普 煤 矿深 部 巷道锚 杆 支护 理论 与技 术研 究新 进展 J 煤矿支护 ，2 0 0 7 ( 2 ) ：18 张农 ，王保 贵，郑西贵 ，等千米深 井软岩巷道 二次支 护中的注浆加 固效果分析 J 煤炭科学技术 ，2 0 1 0 ( 5 ) ： 3 43 84 6 何富连 ，杨绿刚 ，杨红增千米 深井大跨 度煤巷顶 帮桁架 联合控制技术 J 中国矿业 ，2 0 1 1 ，2 0 ( 3 ) ：6 5 6 8 王军华丰煤矿深井巷道钢管混 凝土支架 支护技术 研究 D 北京 ：中 国矿业大学 ( 北京 ) ，2 0 1 0 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 ( S 1 ) ：2 6 0 42 6 0 9 黄万朋 ，深井 巷道非对称变形 机理与 围岩流变及 扰动变形 控制研究 D 北京：中国矿业大学( 北京) ，2 0 0 9 赵祥 ，田立新 邢东矿特深 矿井锚 网巷道掘进 支护技术 J 现代矿业 ，2 0 1 2 ( 4 ) ：1 0 21 0 3 李学彬钢管混凝土支架强度与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 2 荆升国高应力破碎软岩巷道棚一索协同支护围岩控制机 理研究 D 徐州 ：中国矿业大学，2 0 0 9 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 ，2 0 0 7 童根树钢结构的平 面内稳定 M 北京 ：中国建筑工业 出版社， 2 0 0 5 ( 责任编辑 张宝优) l 1 1 j j m n B r 【 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m