鋼管混凝土支架支護(hù)方案設(shè)計(jì)

劉珂銘 陶桃 唐佳艷 劉文超 王珂 羅錦峰 萬穎 馬世林

摘? 要：為解決某礦+520m水平軌道石門軟巖巷道變形量大、底鼓嚴(yán)重的支護(hù)難題，進(jìn)行了現(xiàn)場考察，并對圍巖試塊物理力學(xué)性質(zhì)予以測試，在此基礎(chǔ)上分析了巷道圍巖變形特征和巷道失穩(wěn)破壞的原因，依據(jù)軟巖巷道承壓環(huán)強(qiáng)化支護(hù)理論，設(shè)計(jì)了以鋼管混凝土支架為主體的復(fù)合支護(hù)方案。理論計(jì)算表明：該復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的支護(hù)阻力可達(dá)2.1MPa，能夠較好地滿足巷道支護(hù)要求，工程應(yīng)用效果優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土支架? 深井巷道? 軟巖巷道? 封閉式? 高強(qiáng)復(fù)合支護(hù)

中圖分類號(hào)：TD353? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（a）-0029-03

Abstract：To solve the supporting issues of severe deformation of soft-rock roadway in the temporary water sump （level +520 m underground）， the physical and mechanical parameters of the surrounding rock samples were tested，on this basis， the deformation characteristics of roadway surrounding rock and the causes of roadway instability and failure are analyzed. According to the strengthening supporting theory of soft rock roadway bearing ring， the composite supporting scheme with concrete-filled steel tube support as the main body is designed.The theoretical calculation shows that the support resistance provided by the composite support structure can reach 2.1MPa， which can meet the requirements of roadway support well， and the engineering application effect is excellent.

Key Words：Concrete-filled steel tube support （CFST support）;Deep roadway;Soft rock roadway;Enclosed type;High strength composite support

1? 承壓環(huán)支護(hù)理論

圍巖穩(wěn)定性差且具有一定的流變特性，是深部巷道開采面臨的主要問題，在進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重提高圍巖自承能力以及支護(hù)體與圍巖的共同作用。這主要體現(xiàn)在：

（1）開挖巷道后，圍巖自身應(yīng)力環(huán)境不利于其保持穩(wěn)定，要及時(shí)借助錨桿索的主動(dòng)支護(hù)作用，對一定范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力狀態(tài)予以改善，提高自承能力。同時(shí)，要盡快封閉圍巖，保持其完整性。

（2）利用鋼混支架提供的強(qiáng)大徑向支護(hù)反力，可進(jìn)一步改善錨固圍巖體應(yīng)力狀態(tài)，形成一個(gè)承載性能優(yōu)異的承壓環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗圍巖變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定。

2? 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 工程地質(zhì)概況

某礦軌道石門埋深約750m，圍巖容重22kN/m3，垂直地應(yīng)力為16.5MPa，該區(qū)側(cè)壓力系數(shù)為1.3。巷道直接頂厚1.4m，為砂質(zhì)泥巖和泥巖，基本頂為中粒砂巖，厚7.4m，泥質(zhì)膠結(jié)，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度3.9m，夾雜較多的砂巖條帶，緩波狀層理。試塊取樣，對其力學(xué)與水理性質(zhì)進(jìn)行測試：砂巖試塊天然單軸抗壓強(qiáng)度為24.1～30.9MPa，泥巖試塊天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值為12.6MPa，吸水率4.3%，膨脹率2.8%，烘干浸水48h后，一碰即碎，呈泥狀崩解。巷道圍巖松軟破碎，整體性差，多次發(fā)生頂板下沉、底鼓、尖頂?shù)绕茐?，對安全生產(chǎn)形成隱患。

2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

依照承壓環(huán)理論，支護(hù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下原則。

（1）利用錨網(wǎng)噴支護(hù)適時(shí)封閉圍巖。

考慮到圍巖中泥巖成分較多，易吸水膨脹，風(fēng)化崩解，巷道開挖并適度變形卸壓后，圍巖及時(shí)采用錨網(wǎng)噴做臨時(shí)封閉支護(hù)，避免泥巖風(fēng)化碎裂，維護(hù)圍巖完整。

（2）采用封閉式高強(qiáng)度支護(hù)。

底板巖層主要為泥巖，吸水膨脹易底鼓。二次支護(hù)采用全斷面封閉式支護(hù)，弧形過渡，降低應(yīng)力集中程度。

（3）設(shè)計(jì)合理的讓壓方式。

臨時(shí)支護(hù)和二次支護(hù)留設(shè)讓壓空間（10cm左右），以適應(yīng)圍巖變形。

綜合考慮不同地段圍巖結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)、巷道變形程度等因素，支護(hù)方案設(shè)計(jì)如下：錨網(wǎng)噴+Φ219×10mm鋼混支架+壁后填充混凝土碹體，支架間距0.8m。

2.3 錨網(wǎng)噴支護(hù)與壁后填充設(shè)計(jì)

初噴50mm厚混凝土噴層，隨后施加錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿采用Φ22×2400mm左旋螺紋鋼無縱筋高強(qiáng)錨桿，間排距700mm×700mm;金屬網(wǎng)規(guī)格100mm×100mm，Φ6mm鋼筋焊制。壁后充填250mm厚C20混凝土碹體，杜絕破碎圍巖與空氣、水分的接觸。

2.4 鋼管混凝土參數(shù)規(guī)格選取

（1）支架結(jié)構(gòu)與參數(shù)選型。

支架斷面采用淺底拱圓形，包括頂拱段，兩幫段和底拱段;主體鋼管采用Φ219×10mm的無縫鋼管。

（2）核心混凝土配比。

核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C40配比。復(fù)合支護(hù)方案如圖1所示。

2.5 承壓環(huán)承載力計(jì)算

Φ219×10mm支架的支護(hù)反力參照文獻(xiàn)[13]中的計(jì)算方法，可達(dá)1.07MPa。承壓環(huán)極限承載力的表達(dá)式為：

該式算得承壓環(huán)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的最大支護(hù)阻力可達(dá)2.1MPa，滿足巷道支護(hù)要求。

3? 結(jié)語

（1）軌道石門巷道圍巖屬于低強(qiáng)度泥質(zhì)軟巖，在深部高應(yīng)力作用下，膨脹、擴(kuò)容是其變形的主要形式，應(yīng)采用全斷面封閉式高強(qiáng)支護(hù)，以控制圍巖的收斂變形。

（2）設(shè)計(jì)了基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案：錨網(wǎng)噴+Φ219×10mm淺底拱圓形鋼管混凝土支架+250mm厚混凝土碹體。該支護(hù)體形成的承壓環(huán)結(jié)構(gòu)極限承載力可達(dá)2.1MPa，滿足巷道支護(hù)要求。

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