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★ 科技与工程 ★

钢管混凝土组合支架在深井巷道交岔点支护中的应用研究

胡兆峰1 王 军2

(1.新汶矿业集团有限责任公司华丰煤矿,山东省泰安市,271413;
2.山东建筑大学土木工程学院,山东省济南市,250101)

摘 要 为解决深部高应力大断面巷道交岔点难支护问题,以华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点为研究对象,分析了交岔点原有支护破坏机理,提出了基于钢管混凝土组合支架的复合支护技术。在组合支架结构特征分析的基础上,采用套管插接型组合支架,结果显示组合支架承载力满足支护稳定要求。华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点采用基于钢管混凝土组合支架支护技术后,围岩稳定性良好,支护第3年承受一次剧烈动压扰动影响,在破壁卸压辅助支护措施下,中央泵房支架累计变形未超过300 mm,支护6年来交岔点安全稳定运行良好。

关键词 巷道交岔点 钢管混凝土组合支架 破壁卸压

巷道交岔点断面较大,受尺寸效应影响围岩应力集中显著,围岩荷载大,支护体往往发生大变形甚至严重破坏,造成围岩难以支护。特别是位于松软破碎、高地应力、膨胀性软岩及深部巷道的交岔点,其支护更加困难。常规U型钢架棚支护或锚网索支护都难以满足交岔点支护稳定要求,巷道交岔点也逐渐变成矿山巷道支护特殊困难地点。因此,研究支护稳定、结构简单且施工方便的巷道交岔点支护技术意义重大。

装配灌注式钢管混凝土支架是近年来发展起来的一种高强支护结构,它是通过地面分段弯管、井下装配并现场灌注混凝土而成的支护形式,充分利用了钢管和混凝土材料的优势。核心混凝土借助钢管管壳的约束作用,处于三向受压状态,使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗变形能力;受混凝土约束钢管的几何稳定性增强,避免钢管发生屈曲破坏,二者在力学性能上的“共生现象”使材料的强度得到充分发挥,适用于深井软岩巷道支护。目前,井下灌注式钢管混凝土组合支架已在全国多个煤矿中的深井、软岩、破碎带及动压等难支护巷道,取得了良好的支护效果。

本文借鉴钢管混凝土支架良好支护特点,设计了适用于千米深井巷道交岔点的钢管混凝土组合支架结构形式,并对交岔点钢管混凝土组合支架进行分类研究,而后针对华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点进行了支护破坏分析,设计了基于钢管混凝土组合支架的复合支护方案并应用于工程实践。

1 钢管混凝土组合支架结构性能

1.1 钢管混凝土组合支架结构特性

钢管混凝土组合支架以钢管混凝土为基本结构材料,依据交岔点断面设计支架组合形式,一般由1~2架支撑架和多架搭接架组合而成。钢管混凝土组合支架采用圆形截面,截面惯性矩大且无异向性,不易扭曲变形,支架间采用顶杆连接,消除大尺寸支架的压杆失稳效应。为消除薄软节点,对注浆口进行了结构补强,对接头套管进行功能强化,对支架受弯侧进行抗弯强化等,保证支架整体结构性能最优化。与U36型钢支架的对比实验表明,相同钢材线密度条件下,ø194 mm×8 mm型钢管混凝土组合支架极限承载能力可达U36型钢的3.17倍。

钢管混凝土组合支架中搭接架一般沿主巷道布置,支架形式与主巷道支架一致;支撑架一般布置在旁支巷道,其上通常承载3~8架搭接架一帮传来的荷载,荷载以集中力形式作用于支撑架上,因此支撑架是交岔点的关键承载体,所以支撑架材料型号和结构刚度一般是搭接架的两倍以上。

1.2 钢管混凝土组合支架结构形式

钢管混凝土组合支架依据巷道交岔点断面设计,组合后不改变巷道交岔形式和断面尺寸。依据交岔平面形式,组合支架有正交型、斜交型和分叉型三类,每一种类型又分为同等断面组合型和大小断面组合型,组合支架的搭接点是结构关键位置,同等断面组合通常采用工字钢挡板对接方式,大小断面组合通常采用接头套管插接对接方式,两种组合方式具体结构形式如下:

工字钢挡板对接型钢管混凝土组合支架如图1所示,工字钢分别焊接在支撑架与搭接架上,工字钢叠合对接。这种对接方式可实现搭接架与支撑架之间压力和推力的传递,对接处类似铰接,不能传递弯矩,焊缝是受力关键点,决定组合结构整体承载力。

接头套管插接型钢管混凝土组合支架如图2所示,套管焊接在支撑架上,搭接架侧帮段直接插入套管。搭接架侧腿与支撑架拱轴线对应,搭接架传来荷载直接作用在支撑架上,对接处轴力传递良好,由支撑架承载力决定组合结构整体承载力,设计时应尽量避免对接处产生过大弯矩作用。

下面将对-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点原支护破坏进行分析,由此确定交岔点返修支护设计和组合支架选型。

图1 工字钢挡板对接型钢管混凝土组合支架

图2 接头套管插接型钢管混凝土组合支架

2 巷道交岔点破坏分析与支架选型

华丰煤矿-1100 m水平中央泵房与泵房通道交岔点如图3所示。由图3可以看出,中央泵房与泵房通道有2个巷道交岔点,原支护采用相同技术方案,通常1~2年全面返修1次,严重影响泵房使用。

图3 巷道交岔点平面位置图

2.1 工程地质分析

-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点埋深1250 m,-1100 m中央泵房为五水平主排水系统,服务年限长。-1100 m中央泵房为主巷道,穿层掘进,围岩主要是粉砂岩和中砂岩,岩层倾角33°~36°,钻取粉砂岩制作试件,测得其单轴抗压平均值为51.02 MPa,中砂岩强度略低,垂向地应力约为32.5 MPa,钻孔应力计监测显示围岩水平应力介于35~47 MPa之间,大于垂向地应力。由于埋深较大,在高地应力作用下围岩整体表现出软岩特征,巷道成型后常年流变。深部高应力是交岔点围岩变形的主要原因。

2.2 原支护变形分析

2.2.1 原支护变形特征

巷道交岔点原有支护形式为:初喷混凝土作临时支护,锚喷+锚网喷作为永久支护。锚杆型号ø25 mm×2400 mm,间排距1000 mm×1000 mm,金属网规格为ø5 mm的钢筋网,网孔100 mm×100 mm,混凝土强度等级C20;8 m锚索加强支护,后架设直墙半圆拱形U29型钢支架做二次加强支护;反底拱采用锚杆支护,浇筑800 mm厚的混凝土,锚杆型号ø18 mm×1500 mm,间排距1000 mm×1000 mm。

原有支护条件下,巷道支护施工6个月后,巷道下沉和收敛平均变形量超过1000 mm,而且变形量不断增加。初次支护1年后泵房被迫返修,原有支护下交岔点变形如图4所示。

图4 巷道交岔点变形情况

2.2.2 原支护变形影响因素

(1)巷道埋深大,围岩稳定蠕变阶段加长,巷道围岩应力集中,围岩支护让压变形量大,支护体强度不够,失去自承载能力。

(2)支护设计不合理、强度不足。复合支护相互协调性差,同时U29型钢底部不封闭,支护强度低,不能有效控制围岩变形。

2.3 支护结构选型分析

依据工程分析,-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点围岩荷载大,常规支护不能满足要求。泵房断面大,泵房通道断面小,属于大套小断面形式,巷道垂直交叉开挖空间大,支护体结构与施工工艺设计更为复杂。

通过工程类比,采用钢管混凝土组合支架组合结构进行交岔点支护设计。主要设计内容有:

(1)选择合理的支架组合结构形式,主要包括支架布局和交叉角度;

(2)单个支架结构设计,主要包括支架形状设计和钢管型号选择;

(3)支撑架与搭接架之间的对接结构设计。

3 交岔点钢管混凝土组合支架结构设计

3.1 交岔点支架整体结构

-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点,为两巷道水平相交而成,交岔点为L型。交岔点支护设计采用钢管混凝土组合支架+锚网喷+400 mm厚混凝土喷层。该交岔点钢管混凝土组合支架包括1架支撑架和4架搭接架,搭接架对称分布在支撑架轴线两侧,搭接架间距800 mm,支架平面布置如图5所示,支架整体结构如图6所示。各相邻支架之间用顶杆连接,顶杆可限定支架的平面外位移,有利于交岔点支架的整体稳定性。

图5 交岔点支架布置示意图

图6 交岔点支架整体结构

3.2 支撑架结构设计

由于泵房通道断面较小(净宽3.8 m,净高3.4 m),将其作为支撑架安装空间,可以缩小支撑架结构断面,增加整体稳定性,有利于保证搭接架充分发挥支撑性能。设计2架支撑架并排支护,通道最外侧支撑架倾斜安装,与搭接架斜腿倾斜角度相同,利于轴力传递,并尽可能降低节点弯矩。

支撑架断面设计为直墙半圆拱形,钢管型号ø219 mm×10 mm,即外径219 mm,壁厚10 mm。支架分为3段,钢管内加焊抗弯圆钢,各段支架以接头套管连接,支撑架顶部焊接与搭接架相连的接头套管,连接套管型号ø219 mm×10 mm,长度350 mm,支撑架结构如图7所示。

3.3 搭接架结构设计

-1100 m中央泵房常规支架选用ø194 mm×8 mm斜墙半圆拱形钢管混凝土支架,能够保持巷道稳定,主巷道搭接架钢管型号仍选用ø194 mm×8 mm,搭接架形状仍为斜墙半圆拱形,支架分3节,各节之间以法兰连接,支架端头焊接钢板封闭钢管,每架支架设置注浆孔和排气孔。搭接架共4架,搭接架以支撑架中心线对称布置,各对支架尺寸不同,单独设计,其中1号搭接架和2号搭接架结构相同,3号和4号结构相同,2号和3号搭接架结构如图8所示。

图7 泵房通道支撑架结构设计图

图8 中央泵房1号和4号搭接架结构设计图

4 交岔点支架施工工艺与支护效果

4.1 交岔点支架施工工艺

交岔点支架安装顺序为:①拆除原有U型钢支架;②扩帮至巷道所需断面要求;③喷涂100 mm厚的混凝土喷层;④挂金属网;⑤进行锚杆锚索施工;⑥反底拱锚网索支护;⑦安装支撑架;⑧安装搭接架。

交岔点支架施工工艺为:①在预定位置安装支撑架;②由支撑架一侧依次向另一侧顺序安装搭接架;③调整支架,安装顶杆,以固定支架位置;④交岔点支架安装完成后,支架壁后空隙以木板背实;⑤使用混凝土输送泵向支架内灌注C40混凝土。-1100 m中央泵房-泵房通道交岔点钢管混凝土组合支架返修后初始状态如图9所示。

图9 中央泵房交岔点返修后初始状态

图10 -1100 m中央泵房与泵房通道交岔点支护

图11 -1100 m中央泵房与管子井通道交岔点支护

4.2 支护效果

华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点于2013年7月采用钢管混凝土组合支架返修完毕。支撑架连接套管焊缝支护1年内无可见开裂,支护3年后微开裂,采用电焊补强,保证了交岔点支架承载力。巷道交岔点顶板变形量与两帮收敛量均低于100 mm,支护3年来巷道交岔点稳定性良好,巷道交岔点使用情况如图10和图11所示。

5 结语

(1)巷道交岔点钢管混凝土组合支架复合支护技术能够有效控制深井软岩巷道交岔点的大变形,支护体承载能力强。

(2)提出了适用于深井软岩巷道交岔点的钢管混凝土组合支架组合结构形式,采用该钢管混凝土组合支架组合结构,易于施工、经济可靠,支架组合结构承载能力可得到有效保障。

(3)基于所提出的巷道交岔点钢管混凝土组合支架组合结构,设计了-1100 m中央泵房和泵房通道交岔点的支护方案,并进行现场支护试验。巷道交岔点至今稳定性良好,能够满足使用要求,解决了深井软岩巷道交岔点支护问题。

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Application research on concrete-filled steel tube combined support in intersection point of deep coal mine roadway

Hu Zhaofeng1, Wang Jun2

(1.Huafeng Mine, Xinwen Mining Group, Tai'an, Shandong 271413, China;2.School of Civil Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan, Shandong 250101, China)

Abstract In order to solve the difficulty in supporting the intersection point of the deep roadway with high stress and large cross-section, taking the intersection point of the central pumping room and the pumping room passage of -1100 m in Huafeng Mine as the research object, the original support failure mechanism of the intersection point was analyzed, and the composite support technology based on the concrete-filled steel tube composite support was proposed.Based on the analysis of the structural characteristics of the composite support, the casing splicing type composite support was adopted, and the results showed that the bearing capacity of the composite support met the requirement of support stability, the stability of surrounding rock of -1100 m central pump room and pump room was good after using concrete-filled steel tubular composite scaffold support technology.A violent disturbance effect occurred after supported 3 years, the total deformation of the support of the central pump room was less than 300 mm under the auxiliary support measures of wall breaking and pressure relief, supporting the safe and stable operation of intersection point in 6 years.

Key words roadway intersection point, concrete-filled steel tube combined support, wall breaking and pressure relief

中图分类号 TD353

文献标识码 A

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51474218,51404105)

引用格式:胡兆峰,王军.钢管混凝土组合支架在深井巷道交岔点支护中的应用研究[J].中国煤炭,2019,45(5):26,90-94.

Hu Zhaofeng, Wang Jun.Application research on concrete-filled steel tube combined support in intersection point of deep coal mine roadway[J].China Coal,2019,45(5):26,90-94.

作者简介:胡兆峰(1972-),男,山东宁阳人,矿长,研究员。E-mail:huzhaofeng99@126.com。

(责任编辑 陶 赛)