钢管混凝土支架支护技术

钢管混凝土支架支护技术

冀中能源股份有限公司邢东煤矿

一、邢东矿概况邢东矿位于邢台市东北约4km处，交通便利，地理位置优越。设计年产量60万吨，经过一系列技术改造，2009年核定生产能力为125万吨/年，目前矿井开采深度已接近-1200m，是华北地区开采深度最大矿井之一°二、钢管混凝土支架主要技术特点钢管混凝土支架结构特征钢管混凝土支架是在钢管外壳内填装混凝土组成的现代构件，钢管混凝土构件具有圆柱状外形，是当前最科学、最合理的截面形状，抗弯刚度大，无异向性，不易扭曲变形等结构优点。其工作原理是钢管壳约束作用使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度，内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力。由于钢管混凝土结构具有突出的优点，在国内外建筑工程领域获得了广泛的应用。所选钢管混凝土支架支撑能力理论计算钢管混凝土支架短柱支撑能力计算支架钢管选用型号为0194x8mm，钢管选用20号钢，20号钢材的屈服极限fs=215N/mm2,0194x8mm钢管的横截面积As=4673mm2。设计混凝土型号C40，加入钢纤维后的核心混凝土抗压强度为fc=25N/mm2，钢管内填混凝土横截面的净面积Ac=24872mm2。钢管混凝土结构中短柱极限承载力设计值为N0：N=Af(1+VO+1.10)0 cc式中套箍指标为：Afcc4673x式中套箍指标为：Afcc4673x215 1小=1.6224872x25N=N=Af(1+.O+1.10)=24872x250 ccC+ +1.1x1.62)=2521.3kN支架承载能力大小的计算钢管混凝土支架的极限承载能力表示为：n=忖n=qnul000式中：N—钢管混凝土支架的极限承载力；N0—钢管混

u0凝土轴压短柱承载力；0--折减系数；考虑长细比和偏心率的影响，折减系数0取=0.8。支架上部半圆拱的极限承载平衡方程为：Nu=00ono=0no=2521.3x0.8=2017(kN)即：支架承载能力为2017Kn，约202吨。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1。图1.图1.钢管混凝土支架结构力学模型根据该力学模型，支架支护反力a0为：S屮sin0-a・R-de二S-RfsinOdO=2N00u式中：S—支架间距，0.7m;R—巷道计算半径，2.3m;G。一支架的支护反力；Nu一支架极限承载力。0u由上式求出钢管混凝土支架的支护反力为：=1.1MPa。钢管混凝土支架实验数据支持山东建筑大学实验室实验（2013年12月）：钢管型号申194x8mm,36.7kg/m，椭圆形支架，支架断面为4300x3761mm，实测钢管混凝土支架极限载承载力为171.3吨；是相同断面U36型钢支架极限承载能力的2.34倍。三、钢管混凝土支架支护工艺及适应条件以邢东矿二水平皮带下山为例。皮带下山概况邢东矿二水平皮带下山水平标高介于-900~-1140m，其中-960m以上段巷道为岩巷，巷道变形较小；-960m以下段为煤巷，沿煤层顶板掘进，巷道顶板为砂质泥岩，底板为细砂岩，煤层厚度在2.8m~3.5m之间；巷道坡度8~13。。二水平皮带下山煤巷段埋深大，地压明显，巷道围岩偏于软弱，经多次返修导致浅部围岩破碎加重，裂隙充分发育，围岩承载能力下降。支护体需提供足较大承载力，给予巷道强大支护力，使用钢管混凝土支架，联合锚网喷、壁后注浆构建巷道围岩承压环。钢管混凝土支架支护工艺施工工序为：扩断面-锚网支护-安装支架-充填-灌注混凝土-喷浆-壁后注浆。图2.皮带下山支护断面图(1)施工时先对二水平皮带下山进行扩帮卧底，扩出比支架半径大200mm~300mm巷道断面，然后进行锚网支护，顶帮采用申22x3000mm螺纹钢超强锚杆，每孔使用S2360树脂锚固剂和Z2360树脂锚固剂各一卷锚固，间排距为700x800mm，使用04mm钢筋梁，配合穹形托盘，申6冷拔丝金属网，顶锚索采用申21.8x8500mm钢绞线锚索配合使用2.6m14#槽钢、钢托盘、木垫板等进行支护，间排距为1600x2000mm，在正顶及两肩共打设3排，五花眼布置。帮锚索采用17.8x4500mm钢绞线锚索加强支护，每孔使用1卷S2360和2卷Z2360(共3卷)树脂锚固剂锚固，配合使用2.6m14#槽钢、钢托盘、木垫板等巷帮锚索间排距为1600x1500mm。(2)扩帮完成后，采用型号为0194x8(36.7kg/m)的钢管混凝土支架支护，支架分为四段，套管连接；支架间距为700mm，采用顶杆连接，顶杆采用076x5的钢管混凝土短杆，长度500mm，每架11根。巷道断面形状采用椭圆形，断面尺寸：4848x4120mm（宽x高），填底量620mm。为保证支架位置与施工安全，需对钢管混凝土支架进行锚固。每隔9架支架锚固一架（首架需锚固）。同时所有顶弧段都要锚固。锚固时使用①20x2400mm全螺纹锚杆穿过锚固耳板将支架固定在巷道顶和帮上，每孔使用S2360树脂锚固剂和Z2360树脂锚固剂各一卷锚固。（3）支架支好后，壁后帮、顶处铺申6mm金属网片，用编织袋装砟充填，可将支架受力变为整体均匀受力，砟石同样可作为让压层让压，之后对钢管进行泵送混凝土灌浆，对巷道进行喷浆，最后进行壁后注浆，使围岩形成一个整体，达到控制巷道围岩变形的效果。钢管内混凝土按C40配比，水泥选用为42.5的普通硅酸盐水泥，粗骨料选用粒径520mm的碎石。细骨料选用河砂。掺入早强减水剂和钢纤维为波纹状。混凝土配比与材料用量见表1。表1.一立方混凝土材料配比表材料水泥砂子碎石早强减水剂钢纤维水总计用量（kg）46756010749.3117.61962423.9质量比11.22.30.020.250.42/体积（m3）0.3780.3640.830.0160.0150.196/混凝土灌注工艺：①首先连接好电缆、布置好输浆管路，输送泵空载15~20分钟。第一次使用混凝土输送泵应先泵送少许水泥砂浆润滑管路。混凝土每次搅拌1m3，混凝土搅拌均匀，以防管路堵塞。然后正常泵送注浆，给支架注混凝土过程中，特别留意混凝土注入速度，发现料斗下料速度变慢及时反泵数下，防止堵塞管路，并且应该提前连接好下一架支架，以方便注浆，节约时间，防止混凝土凝固。注浆结束前，需顶部排浆孔流岀约1水桶混凝土作为结束标识点。注浆结束后先停止泵送，封堵注浆孔、排浆孔。冲洗管路，停止供水、最后断电，然后拆卸管路。四、皮带下山钢管混凝土支架应用效果2012年6月开始在二水平皮带下山应用，目前皮带下山应用800余架，选择上下两段巷道进行了矿压观测，观测站建在支架间支护体喷浆皮上，上段经过155天观测，两帮收敛均值为31.8mm，顶板沉降均值为38.3mm，底臌均值为45.8mm。下段经过259天观测两帮收敛均值为29.6mm,顶板沉降均值为42.2mm，底臌均值为30mm。通过观察，让压层有少量变化，钢管支架无明显变化，各项指标显示支护效果良好，有效的控制了巷道变形。图3.二水平皮带下山支护效果图五、钢管混凝土支架支护成本计算经统计二水平皮带下山钢管混凝土支架联合支护（包括喷浆及壁后注浆）费用为28879元/m，而不支设支架时普通整修费用为6621元/m（每年整修一次）渗照-980大巷36U支护情况，该支架已支设3年，除个别有损坏外整体支护良好，以现在情况看两年内不用整修，而钢管支架支护力远大于36U型支架，以此类推钢管支架保守计算最少能够支护6年。以下是钢管支架能支护6-10年时与普通整修费用比较:表2.钢管支架支护与普通整修费用对比表钢管混凝土支架联合支护每米费用为28879元普通整修每年整修费用（元/m）支设钢管支架每年每米巷道节省费用（元）能支护时间（年）平均每年支护费用（元/m）64813662118087412666212495836106621301193209662134