鋼管混凝土支架支護技術(shù)

鋼管混凝土支架支護技術(shù)

冀中能源股份有限公司邢東煤礦

一、邢東礦概況邢東礦位于邢臺市東北約4km處，交通便利，地理位置優(yōu)越。設(shè)計年產(chǎn)量60萬噸，經(jīng)過一系列技術(shù)改造，2009年核定生產(chǎn)能力為125萬噸/年，目前礦井開采深度已接近-1200m，是華北地區(qū)開采深度最大礦井之一°二、鋼管混凝土支架主要技術(shù)特點鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)特征鋼管混凝土支架是在鋼管外殼內(nèi)填裝混凝土組成的現(xiàn)代構(gòu)件，鋼管混凝土構(gòu)件具有圓柱狀外形，是當前最科學、最合理的截面形狀，抗彎剛度大，無異向性，不易扭曲變形等結(jié)構(gòu)優(yōu)點。其工作原理是鋼管殼約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度，內(nèi)填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有突出的優(yōu)點，在國內(nèi)外建筑工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。所選鋼管混凝土支架支撐能力理論計算鋼管混凝土支架短柱支撐能力計算支架鋼管選用型號為0194x8mm，鋼管選用20號鋼，20號鋼材的屈服極限fs=215N/mm2,0194x8mm鋼管的橫截面積As=4673mm2。設(shè)計混凝土型號C40，加入鋼纖維后的核心混凝土抗壓強度為fc=25N/mm2，鋼管內(nèi)填混凝土橫截面的凈面積Ac=24872mm2。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中短柱極限承載力設(shè)計值為N0：N=Af(1+VO+1.10)0 cc式中套箍指標為：Afcc4673x式中套箍指標為：Afcc4673x215 1小=1.6224872x25N=N=Af(1+.O+1.10)=24872x250 ccC+ +1.1x1.62)=2521.3kN支架承載能力大小的計算鋼管混凝土支架的極限承載能力表示為：n=忖n=qnul000式中：N—鋼管混凝土支架的極限承載力；N0—鋼管混

u0凝土軸壓短柱承載力；0--折減系數(shù)；考慮長細比和偏心率的影響，折減系數(shù)0取=0.8。支架上部半圓拱的極限承載平衡方程為：Nu=00ono=0no=2521.3x0.8=2017(kN)即：支架承載能力為2017Kn，約202噸。支架支護反力計算巷道中鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學模型如圖1。圖1.圖1.鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)力學模型根據(jù)該力學模型，支架支護反力a0為：S屮sin0-a?R-de二S-RfsinOdO=2N00u式中：S—支架間距，0.7m;R—巷道計算半徑，2.3m;G。一支架的支護反力；Nu一支架極限承載力。0u由上式求出鋼管混凝土支架的支護反力為：=1.1MPa。鋼管混凝土支架實驗數(shù)據(jù)支持山東建筑大學實驗室實驗（2013年12月）：鋼管型號申194x8mm,36.7kg/m，橢圓形支架，支架斷面為4300x3761mm，實測鋼管混凝土支架極限載承載力為171.3噸；是相同斷面U36型鋼支架極限承載能力的2.34倍。三、鋼管混凝土支架支護工藝及適應(yīng)條件以邢東礦二水平皮帶下山為例。皮帶下山概況邢東礦二水平皮帶下山水平標高介于-900~-1140m，其中-960m以上段巷道為巖巷，巷道變形較??；-960m以下段為煤巷，沿煤層頂板掘進，巷道頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為細砂巖，煤層厚度在2.8m~3.5m之間；巷道坡度8~13。。二水平皮帶下山煤巷段埋深大，地壓明顯，巷道圍巖偏于軟弱，經(jīng)多次返修導致淺部圍巖破碎加重，裂隙充分發(fā)育，圍巖承載能力下降。支護體需提供足較大承載力，給予巷道強大支護力，使用鋼管混凝土支架，聯(lián)合錨網(wǎng)噴、壁后注漿構(gòu)建巷道圍巖承壓環(huán)。鋼管混凝土支架支護工藝施工工序為：擴斷面-錨網(wǎng)支護-安裝支架-充填-灌注混凝土-噴漿-壁后注漿。圖2.皮帶下山支護斷面圖(1)施工時先對二水平皮帶下山進行擴幫臥底，擴出比支架半徑大200mm~300mm巷道斷面，然后進行錨網(wǎng)支護，頂幫采用申22x3000mm螺紋鋼超強錨桿，每孔使用S2360樹脂錨固劑和Z2360樹脂錨固劑各一卷錨固，間排距為700x800mm，使用04mm鋼筋梁，配合穹形托盤，申6冷拔絲金屬網(wǎng)，頂錨索采用申21.8x8500mm鋼絞線錨索配合使用2.6m14#槽鋼、鋼托盤、木墊板等進行支護，間排距為1600x2000mm，在正頂及兩肩共打設(shè)3排，五花眼布置。幫錨索采用17.8x4500mm鋼絞線錨索加強支護，每孔使用1卷S2360和2卷Z2360(共3卷)樹脂錨固劑錨固，配合使用2.6m14#槽鋼、鋼托盤、木墊板等巷幫錨索間排距為1600x1500mm。(2)擴幫完成后，采用型號為0194x8(36.7kg/m)的鋼管混凝土支架支護，支架分為四段，套管連接；支架間距為700mm，采用頂桿連接，頂桿采用076x5的鋼管混凝土短桿，長度500mm，每架11根。巷道斷面形狀采用橢圓形，斷面尺寸：4848x4120mm（寬x高），填底量620mm。為保證支架位置與施工安全，需對鋼管混凝土支架進行錨固。每隔9架支架錨固一架（首架需錨固）。同時所有頂弧段都要錨固。錨固時使用①20x2400mm全螺紋錨桿穿過錨固耳板將支架固定在巷道頂和幫上，每孔使用S2360樹脂錨固劑和Z2360樹脂錨固劑各一卷錨固。（3）支架支好后，壁后幫、頂處鋪申6mm金屬網(wǎng)片，用編織袋裝砟充填，可將支架受力變?yōu)檎w均勻受力，砟石同樣可作為讓壓層讓壓，之后對鋼管進行泵送混凝土灌漿，對巷道進行噴漿，最后進行壁后注漿，使圍巖形成一個整體，達到控制巷道圍巖變形的效果。鋼管內(nèi)混凝土按C40配比，水泥選用為42.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用粒徑520mm的碎石。細骨料選用河砂。摻入早強減水劑和鋼纖維為波紋狀?；炷僚浔扰c材料用量見表1。表1.一立方混凝土材料配比表材料水泥砂子碎石早強減水劑鋼纖維水總計用量（kg）46756010749.3117.61962423.9質(zhì)量比11.22.30.020.250.42/體積（m3）0.3780.3640.830.0160.0150.196/混凝土灌注工藝：①首先連接好電纜、布置好輸漿管路，輸送泵空載15~20分鐘。第一次使用混凝土輸送泵應(yīng)先泵送少許水泥砂漿潤滑管路?；炷撩看螖嚢?m3，混凝土攪拌均勻，以防管路堵塞。然后正常泵送注漿，給支架注混凝土過程中，特別留意混凝土注入速度，發(fā)現(xiàn)料斗下料速度變慢及時反泵數(shù)下，防止堵塞管路，并且應(yīng)該提前連接好下一架支架，以方便注漿，節(jié)約時間，防止混凝土凝固。注漿結(jié)束前，需頂部排漿孔流岀約1水桶混凝土作為結(jié)束標識點。注漿結(jié)束后先停止泵送，封堵注漿孔、排漿孔。沖洗管路，停止供水、最后斷電，然后拆卸管路。四、皮帶下山鋼管混凝土支架應(yīng)用效果2012年6月開始在二水平皮帶下山應(yīng)用，目前皮帶下山應(yīng)用800余架，選擇上下兩段巷道進行了礦壓觀測，觀測站建在支架間支護體噴漿皮上，上段經(jīng)過155天觀測，兩幫收斂均值為31.8mm，頂板沉降均值為38.3mm，底臌均值為45.8mm。下段經(jīng)過259天觀測兩幫收斂均值為29.6mm,頂板沉降均值為42.2mm，底臌均值為30mm。通過觀察，讓壓層有少量變化，鋼管支架無明顯變化，各項指標顯示支護效果良好，有效的控制了巷道變形。圖3.二水平皮帶下山支護效果圖五、鋼管混凝土支架支護成本計算經(jīng)統(tǒng)計二水平皮帶下山鋼管混凝土支架聯(lián)合支護（包括噴漿及壁后注漿）費用為28879元/m，而不支設(shè)支架時普通整修費用為6621元/m（每年整修一次）滲照-980大巷36U支護情況，該支架已支設(shè)3年，除個別有損壞外整體支護良好，以現(xiàn)在情況看兩年內(nèi)不用整修，而鋼管支架支護力遠大于36U型支架，以此類推鋼管支架保守計算最少能夠支護6年。以下是鋼管支架能支護6-10年時與普通整修費用比較:表2.鋼管支架支護與普通整修費用對比表鋼管混凝土支架聯(lián)合支護每米費用為28879元普通整修每年整修費用（元/m）支設(shè)鋼管支架每年每米巷道節(jié)省費用（元）能支護時間（年）平均每年支護費用（元/m）64813662118087412666212495836106621301193209662134