深井软岩巷道钢管混凝土支护技术研究

深井软岩巷道钢管混凝土支护技术研究
【摘要】深井巷道矿山压力控制是深部开采面临的亟待解决关键技术课题之一，而目前从理论和实践来讲，软岩巷道的支护大多采用复合支护形式，往往是支护成本极高，或者达不到预期的支护目的。

而钢管混凝土支护形式是一种即经济又先进的支护形式，如何在软岩巷道中应用好这种支护形式，无疑具有很大的研究价值。

【关键词】深部开采；软岩巷道；钢管混凝土；支护技术
1 钢管混凝土支护技术思路的提出
刘庄煤矿井田主要可采煤层中，除1煤层顶板多为砂岩以外，其余均以泥岩、砂质泥岩为主，少量砂岩；底板多为泥岩和砂质泥岩。

一般情况下，泥岩的抗压强度较低，砂质泥岩稍高，砂岩较高。

而不同岩性的岩层作为直接顶板的稳定性分类表明：泥岩属不稳定类，砂质泥岩属不稳定-中等稳定类，砂岩属中等稳定-稳定类。

由此可见，本井田除1煤层外，主要可采煤层顶板岩石的工程地质条件均比较差。

鉴于刘庄煤矿即将开始二水平的开拓，煤层埋深将超过1000m，地质条件将更加复杂，现有支护形式已不能满足深井软岩巷道支护强度需求，故提出借鉴桥梁的支护技术提出钢管混凝土支架来解决目前我矿的支护难题。

钢管混凝土支架根据巷道需要可以设计成圆形、浅底拱圆形、三心拱圆形、梯形等形状。

图1为浅底拱圆形钢管混凝土支架示意图。

本文根据钢管混凝土的结构原理，设计适用于深井软岩巷道支护的高强度钢混支架，通过理论计算并试验测试了其力学性能，具有广泛的应用前景。

2 深部软岩巷道钢管混凝土支护研究
2.1 软岩巷道支护原理
软岩巷道支护的重点应放在充分利用和发挥自承能力上，支护原理是：根据岩层不同属性，不同地压来源，从分析地压活动基本规律入手，运用信息化设计方法，使支护体系和施工工艺过程不断适用围岩变形的活动状态，以达到控制围岩变形，维护巷道稳定的目的。

具体的说，有以下几个方面：
1）必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想；
2）必须采取卸压、加固与支护相结合的方法；
3）进行围岩变形量测，准确地掌握围岩变形的活动状态，以确定二次结构的参数，确定补强时间、再次支护时间和封底时间；
4）树立综合治理、联合支护、长期监控的支护思想体系。

2.2 钢管混凝土支护
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件，该构件可以加大钢管的强度和刚度，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。

众所周知，混凝土的抗压强度高。

但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。

而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。

钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中（如厂房、拱桥、公路立交桥、地铁车站、高层楼房建筑等）。

钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面：
1）钢管壳约束作用——使混凝土处于三向受压状态；2）从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度；3）内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力；4）钢管混凝土构件具有圆柱状外形；5）是当前最科学、最合理的截面形状；6）抗弯刚度大，无异向性，不易扭曲变形。

3 钢管混凝土支护承载能力计算
3.1 钢管混凝土支护承载能力计算理论
根据《现代钢管混凝土结构（修订版）》中关于钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值的计算公式为：
N0=Ac fc（1+■+θ）
θ为套箍指标，且θ=■
As、fs分别为钢管的横截面积和屈服强度，A3钢fs =215N/mm2
Ac、fc分别为核心混凝土的横截面积和抗压强度，C40混凝土的fc =19.1N/mm2
3.2 钢管混凝土支护承载能力计算实例
钢管混凝土支架所用钢管为Φ194×6.5（钢管厚为6.5mm），外径R1=194mm，内径R2=181mm，钢管混凝土截面如图1所示。

图1 钢管截面
则：
As =■πR12-■πR22=■×3.14×（194）2-■×3.14×（181）2=3826.875
Ac =■πR22=■×3.14×（181）2=25717.385
θ=■=■=1.675
N0=Ac fc（1+■+θ）=25717.385×19.1×3.97=1949687.99N
=1949.69kN
计算中不考虑长细比及偏心率影响的承载力折减系数，则：
Nu′=N0 =1950kN
钢管混凝土与同型号钢管支架的比值：
■=■=2.37
由此可以看出该钢管混凝土支架（Φ194×6.5 ，30kg/m）的承载能力是同型号钢管支架的2.37倍，也就是U29型钢支架承载能力的2.37倍。

4 钢管混凝土支架技术要点
4.1 支架的连接方式
1）支架每节之间采用套管连接。

2）支架与支架之间采用顶杆连接，每架之间可以用3～5根顶杆进行连接。

4.2 深井软岩巷道钢管混凝土的支护设计
巷道设计断面为直墙半圆浅底拱形，设计断面为宽×高=4400×3800mm，浅底拱设计高度为600mm，具体设计见图2所示该设计为后期的巷道变形提供了一定的变形空间，壁后可采用井下煤矸石装袋后直接充填，既节约充填材料又减少煤矸石打运深井的经济成本。

图2 钢管混凝土支护断面设计
5 钢混支架经济性分析
5.1 U29型钢支架与钢混支架支护费用比较
（1）U29型钢支架支护费用
U29型钢支架5100元/架；支架间距0.6m，支护反力为0.35MPa。

则每米支护费用为8500元。

（2）钢管混凝土支架支护费用
选用型号为Φ168×7mm，27.79kg/m的钢管混凝土支架，该支架加后期混凝土充填后的成本为5977元/架。

支架间距0.8m，支护反力为0.66 MPa。

则每米支护费用为7471.25元。

5.2 支架性价比分析
性价比：支架对巷道的支护反力与每米巷道支架成本之比。

通过以上计算钢管混凝土支架的支护成本为88.34 Pa/元，而U29型钢支架的支护成本为40.51 Pa/元，钢管混凝土支架的性价比是U29支架的2.18倍。

6 结论
1）钢管混凝土支架的承载能力，是相同重量U型钢支架的2～3倍：钢管套箍作用使内部混凝土具有更高的抗压强度，钢管与其内部混凝土共同承载。

2）钢管混凝土支架支护的成巷速度，比U型钢支架支护快：支架注浆工艺滞后于支架安装，平行作业，不影响支护速度。

3）钢管混凝土支架支护总成本较低：尽管支架加工要增加相应的成本，但钢管混凝土支架承载能力强大，性价比高。

巷道不用返修，如果考虑到巷道返修成本等，与U型钢支护相比总成本较低，具有广泛的推广应用前景。

【参考文献】
[1]杜计平.煤矿深井开采的矿压显现及其控制[D].中国矿业大学，2000.
[2]高延法.深井软岩巷道钢管混凝土支架结构性能试验及应用[J].岩石力学与工程学报，2002.。