查干淖尔一号井主斜井支护技术研究

毛永江，李少华，王海彬

(中煤矿山建设集团第三十工程处，安徽 宿州 234000)

1 工程概况

查干淖尔一号井主斜井泥岩段软岩含有较高的蒙脱石、伊利石、高岭石等，岩土吸水膨胀性极强，围岩的强度极低，围岩变形非常强烈，主要表现为：①巷道收敛量大，甚至整个巷道封闭；②巷道收敛速度快，高达每天几十毫米；③持续时间长，一般持续几个月。进入泥岩段后采取刚性支架+泡沫板+网喷+砌碹支护方式，一个月后巷道变形达到1～2m。泥岩段巷道先后采用16#工字钢和U36型钢支架返修3次，但均宣告失败，耗费了大量的人力、物力和财力，严重影响了工程进度，给整个矿井的整体建设带来严重影响。鉴于此，通过组织专家现场论证，参考相关专家研究成果[1-6]，决定采用强度较高的钢管混凝土支架进行支护。

2 泥岩段钢管混凝土支架支护方案

巷道断面形状采用浅底拱圆形，巷道掘进断面：宽×高=6800mm×5850mm。使用钢管混凝土支护后巷道断面：净宽×净高=5000mm×3928mm，支架间距500mm，二次成巷时，在钢管混凝土支架上使用Φ6.5mm盘圆制作的钢筋网，喷浆厚度100mm，巷道铺底采用钢筋混凝土，钢筋规格为Φ20mm，间排距为200mm×200mm，铺底厚为1228mm，喷射混凝土强度为C25，铺底混凝土强度为C40。支护断面如图1所示。

图1 钢管混凝土支架支护断面图

施工流程：

安全检查(如敲帮问顶)→开始人工风镐自上而下扩刷至设计断面→初喷30～50mm成形，做好临时支护→铺设5mm厚钢板、下底梁，架棚腿、棚梁、上拉杆、钢板网和强力抗拉网→顶、帮充填→初喷至与支架平行→下一循环作业。

架设3架后开始钢管混凝土支架注浆→滞后迎头3m(或6d左右)扎钢筋、铺底→滞后迎头5m(或10～15d左右)挂内层金属网复喷→顶、帮部壁后注浆。

3 支架承载力计算

3.1 支架短柱承载能力计算

支架钢管型号为Ф194mm×10mm，钢材的屈服极限fs=215N/mm2，钢管的横截面积As=5778mm2。设计混凝土型号C40，混凝土轴心抗压强度fc1=19.1N/mm2，混凝土中加入钢纤维，强度增加30%，加入钢纤维的核心抗压强度为fc=25N/mm2，钢管内填混凝土横截面的净面积Ac=23767mm2。

根据《现代钢管混凝土结构(修订版)》，钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值N0为：

(1)

式中，套箍指标θ为：

将相关参数代入得

N0=2828kN

3.2 支架承载能力计算

根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28：90)，考虑钢管支架在压弯时，受长细比与偏心率影响，考虑相应的折减系数，极限承载能力表

示为：

Nu=φl·φe·N0=φ·N0

(2)

式中:Nu为钢管混凝土支架的极限承载力；N0为钢管混凝土轴压短柱承载力；φ为折减系数；考虑长细比和偏心率的影响，折减系数取φ=0.78。

支架上部半圆拱的极限承载能力为：

Nu=2206kN

即支架承载能力为2206kN，约220t。

3.3 支架支护反力计算

巷道中钢管混凝土支架结构力学模型如图2所示。

图2 钢管混凝土支架结构力学模型

根据该力学模型，支架受力平衡方程为

(3)

式中：S为支架间距，取0.5m；R为巷道计算半径，2.947m；σ0为支架的支护反力；Nu为支架极限承载力。

代入相关参数获得钢管混凝土支架的支护反力为：σ0=1.5MPa。

即支架间距0.5m时支护反力为1.5MPa。

4 钢管混凝土支架支护现场监测

在主斜井204～244m段钢管混凝土支架施工过程中布置6个位移观测点，巷道变形量测量点布置示意图如图3所示，观测内容包括两帮、顶板和底板位移量，两帮通过绝对位移进行观测，顶板通过激光确定位移量，底板通过腰线确定位移量，围岩相对变化速率、变化量，判断支护效果和围岩的稳定状况，为完善支护参数提供依据。

图3 巷道变形量测量点布置示意图

在斜巷布置的6个表面位移观测点，并进行定期观测，记录观测结果。从中选择2#测点对其观测数据进行整理分析，绘制巷道变形特征曲线如图4所示。

图4 巷道变形关系曲线

由图4知，顶板最大下沉量18mm，两帮最大移近量33mm，底板最大上臌量24mm；变形速度较大的是两帮9mm/d，总体变形量和变形速度不大，两帮和顶板3～10d变形明显；因施工工序复杂，进度较慢，每天只能架设一架棚，通常掘进6架棚后开始铺底，因此底臌量于1～6 d变化较快，待浇筑混凝土后3d底臌变化趋势较小。

从巷道总体变形看基本没有出现明显变形加速，从两帮和顶板变化位移来看，出现明显加速时间是巷道开掘3～10d后，底臌加速开始于巷道开掘1～6d，巷道整体到28d之后趋于平稳。因此，在巷道开掘3～10d范围内进行壁后注浆加固，不仅可以避免巷道出现加速变形，而且可以将空隙充填密实，将围岩和钢管混凝土支架形成一个整体(避免因某一部位有空隙使得支架受力失稳造成破坏)，取得良好效果。

根据近3个月的测量观测，巷道变形已经趋于稳定，到目前近半年的时间已无变化，钢管混凝土支架没有明显变形。巷道变形达到稳定，巷道尺寸满足生产要求，至今运行良好，这说明采用钢管混凝土支架的高强度支护和及时的壁后注浆措施极大的降低巷道两帮收敛、顶板下沉和底板鼓起，有利于巷道围岩的稳定。

5 主要结论

查干淖尔一号井煤矿主斜井巷道泥岩段原采用刚性支架+双层泡沫板+网喷+砌碹联合支护方式，巷道破坏严重，表现为巷道断面缩小、底臌严重、刚性支架变形和混凝土破碎等。采用钢管混凝土支架支护后，施工长度40m，支架型号为Φ194mm×10mm，支架间距0.5m，支架支护反力为1.5MPa，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，说明钢管混凝土支架能够满足现场泥岩段的支护要求。

[1] 高延法等.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，2010，29(5)：2604-2609.

[2] 吴志杰等.高应力软岩巷道支护技术[J].煤炭技术，2008，27(7)：72-73.

[3] 王军，田英楠，韩立强，等.钢管混凝土支架附着式振动器[J].煤矿机械，2010，31(6)：65-68

[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)，2008.

[5] 李冰.深井软岩巷道钢管混凝土支架支护稳定性分析及工程应用[D].北京：中国矿业大学(北京)，2009.

[6] 张晓凤,颜伟.钢管混凝土支架在华丰煤矿深井支护中的应用[J].煤矿机械，2011，32(7)：194-196.