钢管混凝土在软弱围岩巷道施工中的应用

欧 钦，王俊超

(1.四川广旺能源发展(集团)有限责任公司，四川 广元 648017;2.四川广旺集团船景煤业有限责任公司，四川 宜宾 645250)

矿井开采深度的不断加大使复杂软弱巷道围岩的变形破坏问题显得极为突出，顶板垮落以及片帮事故不断，对煤矿的安全生产造成严重影响。其主要原因是大部分埋深较大的软岩巷道工程需要穿过极软弱岩体等地质状况较差的部分，岩体自身强度较弱，很难发挥自身的支护作用，给井巷工程施工带来了很大的困难。近年来，钢管混凝土支护技术在深部软岩支护中已经被广泛采用。本文以船景煤矿施工的+255 m南机轨运输大巷为研究对象，阐述了钢管混凝土支护系统结构、原理及具体设计参数。现场的成功应用表明，该支护在深水平、高应力、软岩区域巷道支护效果较为明显，能够满足工程实践需要。

1 钢管混凝土支架联合支护

1.1 钢管混凝土支架结构设计

+255 m 南机轨运输大巷断面形状为直墙半圆拱形，宽4.8 m，高4.0 m，其中墙高1.6 m，拱高2.4 m.鉴于巷道两帮变形量较大，钢管混凝土支架直墙段采用抗弯型，钢管内侧焊置d40 mm 圆钢进行抗弯强化。

根据深部软岩巷道支护经验和工程类比法，结合+255 m 南机轨运输大巷断层破碎带软岩巷道的具体地质条件，选用d168 mm×8 mm 钢管混凝土支架，支架间距为0.8 m.钢管混凝土支架参数见表1，支架结构见图1.

表1 钢管混凝土支架参数表

图1 钢管支架结构图

1.2 核心混凝土

钢管支架核心混凝土的强度等级为C40，具体规格和配比见表2，表3.

表2 混凝土基本资料表

表3 1 立方混凝土材料配比表

2 钢管混凝土支架支护方案设计

钢管混凝土支架安装后，在支架壁后填充木背板或矸石袋，形成环形让压空间，填充宽度200 mm. 支架两帮和顶部使用锚索+11#工字钢加固，加固支护图见图2，图3.

图2 支架支护断面图

图3 I－I 剖面图

根据理论计算，d168 mm ×8 mm 钢管混凝土支架承载力为2 010 kN，在支架间距0.8 m 的条件下，支护反力为0.98 MPa.

3 钢管混凝土支架支护成本核算

3.1 钢管混凝土支架成本

钢管混凝土支架是在地面经过热煨、焊接，经防锈处理后形成空钢管支架，在井下组装后再进行灌注混凝土而成，见图4.

图4 钢管混凝土支架现场照片

与U29 或者U32 型钢可缩性支架相比，原材料无缝钢管价格稍贵，加工工艺较复杂，运输距离较远(约2 500 km)，具体价格见表4.

表4 钢管支架重量与价格表

3.2 矿用混凝土输送泵成本

现场浇灌混凝土采用井下专用矿用混凝土泵施工，其主要特点:体积小、结构简单、全液压操作且效率高、进度快、质量好，极为适用于矿井狭窄空间的混凝土灌注施工作业环境。

钢管混凝土支架灌注采用井下专用矿用混凝土输送泵施工，速度快，压力大，密实度较好，能够充分发挥钢管混凝土支架高强支护作用。

目前，矿用混凝土输送泵还可以用于矿上井下井壁、支架等混凝土灌注施工，甚至可以用于巷道围岩壁后注浆，用于注浆堵水工作或者进行探放水作业。

支架支护方案材料成本见表5.

4 钢管混凝土支架支护施工工艺

钢管混凝土支护作业基本工艺流程:巷道开挖→初喷30 mm 厚混凝土层→锚网+临时点柱支护→安装空钢管支架→壁后充填木背板或矸石袋→灌注混凝土→监测钢管混凝土支架承载力，承载力达到设计值80%时(10 ～20 天)→根据现场施工情况以及矿山压力判断是否进行围岩注浆加固。

表5 支架支护方案材料成本表

4.1 空钢管支架安装

巷道开挖后初喷30 mm 后可立即进行空钢管支架架设，具体工序如下:

1)以巷道中心线和腰线为准，确定支架位置，清理巷道两帮底部积矸或碎渣，安装空钢管支架两帮段，扣好支架顶杆。

2)架设顶拱段，将2 个接头套管同时装在顶拱段上，把顶拱段的端头对齐两帮段的端头，即:两帮段的定位钢筋插入顶拱段，见图5.

图5 空钢管支架架设图

3)把接头套管从顶拱段推下，直到顶住两帮段的定位环，同时扣好支架顶杆，见图5.

4)每安装10 架支架锚固1 架，两帮段锚固在两帮围岩，顶弧段锚固在顶板。

空钢管支架架设好之后，在支架与围岩之间采用矸石袋或者木背板塞紧，插花式排列，使钢管混凝土支架具有初撑力，更有利于发挥其作用。

4.2 钢管支架灌注混凝土

钢管支架灌注混凝土支护工序较为复杂，工程量比较大，主要工序如下:

1)灌注准备工作。

初步设计要求每安装10 ～15 架空钢管支架，灌注混凝土1 次，灌注前需做好各项准备工作。

材料准备:1 台混凝土输送泵，2 根高压胶管(5套连接管路，5 ～8 个4 英寸闸板阀，1 个矿车，水泥、砂子、石子及外加剂)。

支架准备:顶杆、钢带连接完好，支架与围岩必须用木楔塞紧，保证支架固定牢靠，稳定不动。

2)灌注施工顺序。

a)混凝土输送泵要平放在巷道，平放处要求无积矸且干净整洁，通过高压胶管与支架注浆短管连接。

b)布置2 组人员，一组人员连接好电缆、布置好水管，输送泵空载15 ～20 min;另一组人员掺和混凝土干料，每次1 ～2 个矿车。

c)拌制混凝土时，根据现场情况若确定需要搅拌机，则每次搅拌1 m3，严格按照C40 配比，添加水泥、砂子、石子及其他外加剂;同时要求混凝土搅拌均匀细腻，坍落度不得小于160 mm，须符合泵送混凝土要求。

d)上述工序完成后，连接注浆管路，工序依次为:矿用输送泵—高压输送管—高压胶管—闸阀—支架注浆口，闸阀开通。

初次使用输送泵时，根据规定应事先泵送一罐水泥砂浆以润滑管路，然后正常泵送注浆。在给支架灌注混凝土前预先往钢管内放入少量干净水，灌注过程中应特别留意混凝土浇灌速度，若发现料斗下料速度变慢，必须及时反泵几次，防止管路堵塞。每次注浆时提前连接好5 架支架的输送管路，便于管路连接，节约时间，防止输送管内混凝土凝固不能用。

e)在每架支架灌注结束前，需从顶部排浆孔流出约3 铁锹混凝土作为结束标识点。

f)在每架支架灌注结束后先停止泵送，然后关闭闸阀，拆卸管路，封堵排浆孔。再连接下一架，继续灌注，直到10 架全部灌注完毕。

g)所有支架灌注完毕后先停泵，卸掉搅拌箱的多余混凝土，正反泵水洗管路及输送泵管道，拆卸管路，停泵，停水，最后方可断电。

4.3 施工效果及矿压观测

根据施工作业组织设计及现场操作规范，钢管混凝土支架安装与矿用混凝土输送泵灌注平行作业，而且灌注速度快，几乎不影响空钢管支架安装。通过对比U29 型可缩性钢支架、11#工字钢支架施工工艺及作业速度可知:钢管混凝土支架成巷速度与U29 型钢支架、11#工字钢支架成巷速度相当，但支护效果有了较大的提高，增强了围岩稳定性，减小了围岩变形量，使其控制在300 mm.

围岩变形速度与平均速率见图6，7.

图6 围岩位移变化曲线图

图7 围岩移近速度变化曲线图

由图6，7 可以看出:顶底板、两帮及底板移近量及平均移近速率在第18 天后基本走向稳定，其最大移近量分别为206 m、128 mm、134 mm，最大变形速率为13.2 mm/d、10.5 mm/d、11.5 mm/d，可见初期的变形速率相对较大，但随着支护时间的增加，移近速率逐渐降低。稳定后顶底板、两帮及底板变形的平均速率为1.4 mm/d、0.7 mm/d、1.3 mm/d，表明该支护体系基本满足了围岩的稳定需要。

5 结 论

1)通过在现场的成功应用，钢管混凝土支架联合支护有效地提高了支护体系的承载能力;矿压观测也表明支护初期受掘进工作面初次开挖影响，围岩变形剧烈，处于三向应力平衡阶段，但随着支护体与围岩逐渐达到耦合状态，围岩变形趋于平稳。

2)工程应用表明，该联合支护在深水平、高应力、软岩区域巷道支护效果较为明显，为深部应力集中区破碎软岩巷道的支护提供了一条有效的途径，为今后类似的深部软岩支护提供了一定的数据及参考。

［1］ 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构［M］.修订版.北京:人民交通出版社，2007:82－89.

［2］ 钟善桐.钢管混凝土结构［M］.北京:清华大学出版社，2004:67－81.

［3］ 高延法，王 波，王 军，等.深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用［J］.岩石力学与工程学报，2010(S1):2604－2609.

［4］ 李学彬，高延法，黄万朋，等.动压软岩巷道钢管混凝土支架支护围岩稳定性分析［J］.科技导报，2012(16):42－47.