深井巷道钢管混凝土支架支护性能与工程应用研究

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1、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

2、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。7　　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

3、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。　　11100水平大巷地质条件分析　　1.11100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。　　1.21100中央泵房支护现状及破坏分析　　-1100中

4、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。7　　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

5、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，

6、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

7、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。7　　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