膨胀性软岩矿井钢管支架支护技术研究

于广龙王军何晓升夏方迁张西忠田甜

摘要：针对查干淖尔矿主斜井泥岩段软岩巷道的地质条件，通过室内实验对软岩围岩进行力学性能测试和矿物成分分析，并结合主斜井泥岩段的巷道变形特点，设计了钢管支架支护方案，其中，采用浅底拱圆形和椭圆形巷道支护断面，钢管支架主体钢管选用Φ194×10无缝钢管，钢管内充填固体性材料，辅助金属网支护和喷层支护。通过现场施工和现场监测分析可知，该支护方案易于施工，并且能够维持主斜井泥岩段软岩巷道围岩的稳定。

关键字：膨胀性软岩、钢管支架、现场监测

Abstract: based on the Nao mine shafts mudstone chagan''s section of the soft rock tunnel geological conditions, through the indoor experiment to soft rock surrounding rock mechanical performance testing and mineral composition analysis, and combined with the slope of roadway deformation characteristics for shale, design the steel pipe support support scheme, among them, the shallow tunnel supporting and elliptic arch circular cross section, steel pipe support main body steel tube choose Φ 194 x 10 seamless steel pipe, steel tube filling materials in solid sex, auxiliary metal nets support and shotcrete layer support. Through the field construction site monitoring and analysis, we can conclude that the retaining easy construction scheme, and the ability to maintain the Lord slope mudstone period of soft rock tunnel the stability of surrounding rock.

Key word: pa soft rock, steel pipe support, monitoring

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

目前国内外对于软岩巷道采取要“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”,由此发展了锚喷网技术、锚喷网架支护技术等联合支护技术[1-5]，但是由于围岩压力较大，巷道自承能力较差，锚固支护效果较差，而普通金属架支护承载能力较差，且支护成本相对较高，受到支护成本和支护材料的限制，软岩巷道支护困难。随着钢管支架支护技术逐步成熟，逐步应用深井软岩巷道的支护中，联合其他支护方式，维持巷道围岩的稳定，为深井软岩巷道支护提供一种新的支护方式[6-7]。

本文结合查干淖尔矿主斜井泥岩段膨胀性软岩巷道的地质条件和巷道变形特点，采用高强度钢管支架支护方案,极大提高巷道径向支护反力,提高巷道围岩的承载能力，现场监测及观感质量表明，钢管支架支护方案能够维持巷道围岩的稳定。

1、工程概况

1.1主斜井工程地质条件

主斜井段钢管支架支护段处于35层泥岩中，如图1所示，围岩岩性主要以泥岩、砂质泥岩等软岩类岩石为主，含水率为10%~20%，多为泥质胶结，呈层状结构，块状构造，岩体各向异性，稳定性差，承载力小，如表1所示。

图1主斜井围岩岩层柱状图

Fig.1 Geology columnar section of mine main inclined shaft

表1 泥岩力学参数

Table 1 The mechanics parameters of the mudstone

强度测试 抗压强度/(MPa) 抗拉强度/(MPa) 粘聚力/ (MPa) 内摩擦角/(°)

泥岩 0.12～5.12 0.06～0.39 0.24～0.39 25.16°～29.01°

1.2主斜井围岩矿物成分分析

经矿物成分测试分析，泥岩中具有膨胀性的粘土矿物含量为60.6%，围岩的矿物成分如表2所示。在粘土的矿物成分中，蒙脱石含量占82%，如表3所示，所以泥岩的吸水膨胀性能很强。

表2 泥岩矿物成分

Table 2 Mudstone mineral composition

矿物成分名称 石英 钾长石 斜长石 粘土矿物 其他成分

含量(%) 32.7 1.0 5.7 60.6 0

表3 泥岩粘土矿物成分

Table 3 Clay mineral composition of mudstone

粘土矿物成分名称 蒙脱石 伊利石 高岭石 其他成分

含量(%) 82 10 8 0

由于主斜井泥岩段围岩强度极低，遇水易软化，且膨胀性强，所以巷道开挖后马上喷射混凝土，以保持围岩内软岩成分的稳定，并尽快施加高强度支护，减少巷道变形对围岩强度及软岩膨胀作用的影响。

2 原支护方案及巷道变形特点

2.1主斜井泥岩段原支护方案

主斜井进入泥岩段施工后已采取以下支护措施：(1)巷道支护采用锚喷网+16#对工字钢棚支护；(2)喷射混凝土厚度为650mm：(3)支架后预留变形量，铺设140mm泡沫板；(4)在柱脚打1米深轨道蹶子，加固柱脚，防止柱脚变形等。

2.2 巷道变形破坏特点

当施工到327m时，巷道突然来压，泥岩段巷道变形严重，到目前为止，从275～327m巷道支架出现支架扭曲和腿断梁折的情况，部分区域顶板变形量达到1.5m，两帮收缩量也达到1m，支架变形情况如图2所示。主斜井泥岩段在两个月内采用16#工字钢和U36型钢支架返修次数高达3次，不仅大大的增加了工程量，耗费了大量的人力物力，也大大的耽误了工程进度，导致矿井不能及时贯通，给煤矿安全带来严重的问题。

(a)顶板下沉 (b)两帮移近

图2 主斜井泥岩段巷道变形图

Fig.2 The roadway deformation of mine main inclined shaft mudstone rock zone

软岩巷道变形特点：

(1)巷道收敛量大，往往超过巷道变形10%，巷道缩颈非常严重，有时甚至将整个巷道封闭；

(2)巷道收敛速度高，初期收敛速度高达每天几十毫米，这种高速收敛可以持续10天以上；

(3)巷道收敛持续时间长，一般都要持续几个月，有的甚至数年，围岩变形破坏具有很强的时效性；

(4)围岩破坏方式除有顶板垮落外，还有两帮内鼓。

3钢管支架支护方案设计

3.1软岩巷道支护原理

(1)优选巷道层位

巷道稳定性主要取决于围岩强度、地应力大小和支护强度。煤系地层岩性差异较大，巷道应尽可能布置在坚硬岩层中，这样才能获得事半功倍的支护效果，以较小的支护成本，获得最佳的支护效果。

(2)优化巷道断面形状

应该根据区域地应力分布特征，优化巷道断面形状，使巷道围岩具有良好的应力状态。

(3)适度让压

软岩巷道变形较大，要做到不许巷道变形则需要较大的支护反力和支护成本。在保证巷道稳定的前提下，适度让压即给定巷道一定的允许变形值，是最为经济合理的支护策略。

(4)强化支护

软岩巷道围岩自身承载能力低，要保持巷道稳定需要较大的支护反力。所以，必须在适度让压的基础上，加大支护反力，提高支护体的整体强度，才能控制软岩巷道的稳定性。

(5)全断面封闭支护

软岩巷道属于“四面来压”，即顶板、两帮和底板同时变形。如果不进行底板支护，会产生较大的底鼓变形，进而因底鼓导致巷道整体失稳。因此，软岩巷道只有采取全断面封闭支护，才能有效地控制巷道稳定性。

(6)提高围岩的自承能力

巷道围岩不仅具有一定的自承力，而且还是一种天然的承载构件。保护围岩原始结构的完整性，适时对围岩予以补强，提高围岩的整体强度，发挥围岩的自身承载力，防止围岩塑性区域的无限制扩大，能取得最佳支护效果。

3.2 钢管支架设计

巷道断面尺寸为净宽5000mm，净高3900mm。由于巷道围岩顶板和两帮变形均较大，同时结合现场条件，经过技术性能比较后，选用“浅底拱圆形”和“椭圆形”的断面形状：

(1)浅底拱圆形支架

巷道断面采用马蹄形断面，支架分为四节，采用套管连接，支架上部采用约四分之三的圆形，下部采用一段反底拱。上部四分之三圆曲率半径为2950mm，底拱段曲率半径为4500mm。支架结构如图3所示，主要用于在主斜井泥岩段四周均匀变形的区域。

图3浅底拱圆形支架

Fig.3 Shallow bottom arch circular STCC support

(2)椭圆形支架

巷道断面采用椭圆形断面，支架分为四节，采用套管连接，调整弧度、减小两帮段曲率半径；两帮段钢管内侧焊接Φ38圆钢进行加强，如图4所示，主要用于巷道两帮变形较严重的区域。

图4 椭圆形支架

Fig.4 Oval STCC support

3.3 金属网及喷层支护

金属网包括钢板网和强力抗拉网，为防止巷道破碎围岩的小块碎矸石漏过强力抗拉网，必须在强力抗拉网内侧加一层钢板网，使整个断面达到均匀受力的效果。钢板网的规格为长×宽=1.5m×0.7m，钢板网厚度为3mm。

为解决巷道围岩泥岩变形大向外挤出的问题，设计采用“强力抗拉网”作为支架后侧的第一层“背网”。并在强力抗拉网后加第二层背板。强力抗拉网的横向抗拉钢筋为Φ18mm，纵向连接筋Φ8mm，网片连杆钢筋Φ20mm。

4 巷道施工及现场监测分析

4.1巷道施工过程

巷道支护工艺流程：①开挖巷道断面 ②巷道喷浆50mm，封闭围岩 ③安装空钢管支架、强力抗拉网背板和钢板网 ④钢管支架灌注混凝土 ⑤复喷混凝土喷层至300mm并挂金属网，如图5所示。

图5 钢管支架+金属网+混凝土喷层支护巷道

Fig.5 STCC supports+metal mesh + concrete sprayed layer supporting roadway

4.2巷道围岩表面位移监测

（1）监测方案设计

观测内容包括顶底板相对移近、两帮相对移近。根据测量结果，可以分析主斜井周边围岩相对位移变化速度、变化量，从而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。

（2）监测结果分析

通过对主斜井286m、296m、306m三处的浅低拱圆形断面巷道进行三个月的巷道表面收敛监测，如图8所示。

(a)巷道顶底板中心(b)巷道两帮中心

图7 巷道表面相对位移监测曲线

Fig.7 Relative displacement monitoring curve of roadway surface

由于钢管支架支护和厚喷层支护初期还没有发挥作用，巷道壁初期变形速度较快，顶底板变形速率与巷道两帮变形速率较为接近。接近一周后高强度支护作用开始显现出来，巷道表面位移的速率明显降低, 最终巷道相对位移量趋于稳定，如图8所示。由于钢管支架从主斜井281m处开始使用，之前为衬砌支护，所以离交接处最近的286m监测点变形量最大，顶底板相对位移量为115mm，而两帮相对位移量为100mm，均满足巷道围岩稳定的要求。并且钢管支架支架整体完好，没有明显受损。

所以，钢管支架支护方案明显好于原支护方案，维持了主斜井泥岩段巷道围岩的稳定。

5、结论

根据查干淖尔矿主斜井泥岩段的地质条件和软岩巷道变形特点，设计了钢管支架支护方案，并在现场应用，维持了软岩巷道围岩的稳定。主要研究成果如下：

(1)查干淖尔矿主斜井段进入35层泥岩中，巷道围岩以泥岩、砂质泥岩为主，巷道围岩中具有膨胀性的粘土矿物含量为60.6%，其中蒙脱石含量占49.7%，岩石吸水膨胀性能很强。巷道围岩的力学性质偏低，围岩变形大，巷道收敛持续时间长，围岩破坏方式除有顶板垮落外，还有两帮内鼓，巷道支护困难。

(2)设计钢管支架支护方案，采用浅底拱圆形和椭圆形巷道支护断面，其中钢管支架主体钢管选用Φ194×10无缝钢管，灌注混凝土为具有微膨胀性的C40钢纤维混凝土。金属网支护包括钢板网和强力抗拉网，混凝土初喷厚度为50mm，复喷厚度为250mm。

(3)在查干淖尔矿主斜井巷道先安装空钢管支架，之后灌注混凝土和喷射混凝土喷层，完成巷道支护，巷道施工安排合理，工人劳动强度低，有利于现场施工。通过巷道监测可知，钢管混凝土支护方案能够维持主斜井泥岩段软岩巷道围岩的稳定。

参考文献：

[1]何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学〔M〕.北京:科学出版社, 2002.

[2]徐军林,黄长国.软岩巷道的几种支护方式[J].中国矿山工程, 2007.36(1):27-32.

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。