钢管混凝土支架在煤矿深部支护中的应用.pdf

膏堪晨 科技 2 0 1 4 年 第 2 期 钢管混凝土支架在煤矿深部支护中的应用 姜喜林 黑龙江龙煤集团公司鹤岗分公司， 黑龙江 鹤岗 1 5 4 1 0 0 摘要益新煤矿采深距地表 8 0 0 m， 随着开采深度 不断加 深， 深部巷道 支护 已成为 困扰益新煤矿生产的一大难题 。钢 管混凝 土支架具有优 良的承压与抗变形能力 ， 其支护能力是相 同单位 重量 u形钢 支架的 3倍 以上。三水平 南一石 门 一 2 5 0 m轨道石 门经过 多次复修均不能稳定 ， 采用钢管混凝土支架后 ， 取得 了 良好 的支护效果 ， 巷道稳定 ， 满足 了生产需求。 关键词深部 支护钢管混凝土 支架应用研 究 中图分类号 T D 3 5 3 ． 3 文献标识码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 8 0 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 1 6 App l i c a t i o n o f c on c r e t e fil l e d s t e e l t u be s c a ffo l d s up po r t i n c o a l m i ne De e p S upp or t i ng J i a n g Xi l i n He i l o n g j i a n g L o n g C o a l Mi n i n g G r o u p C o ． ，L T D．He g a n g B r a n c h ，H e i l o n g j i a n g He g a n g 1 5 4 1 0 0 Ab s t r a c t Yi x i n c o a l mi n i n g d e p t h f r o m t h e s u r f a c e o f 8 0 0 m，wi t h t h e mi n i n g d e p t h d e e p e n i n g ，t h e d e e p r o a d w a y s u p p o r t h a s b e c o me a b i g p r o b l e m i n b e n e f i c i a l n e w c o a l mi n e p r o d u c t i o n ． C o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s c a f f o l d wi t h e x c e l l e n t p r e s s u r e a n d r e s i s t a n c e t o d e f o r ma t i o n a b i l i t y，i t s s u p p o r t i n g c a p a c i t y i s t h e s a me u n i t we i g h t mo r e t h a n 3 t i me s o f us h a p e d s t e e l s u pp o rt． Th r e e l e v e l s o f t h e s o ut h s t o ne c r o s s 一 2 5 0m r a i l s t o n e a fte r ma n y r e s t o r a t i o ns a r e n o t s t a b l e ，t h e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s c aff o l d，a c h i e v e d g o o d s u p p o rti n g e f f e c t ，t h e s t a b i l i t y o f r o a d wa y，me e t t h e pr o du c t i o n r e qu i r e men t s ． Ke y wo r dsd ee p s up p o si n g c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u be s c aff o l d s u pp o rt a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 1 三水平南一石门 一2 5 0 m轨道石门地质概况 益新煤矿开 采历 史较 长 ， 是 中 国第一 对 现代 化 竖井 ， 目前开采深度达 一8 0 0 m。进 入深部 遇到 一系 列的支护难题 ， 高地压 、 大变形 、 强构造应 力 ， 采 动影 响等， 使得深部支护陷入困难。 一 2 5 0 m轨道石 门， 采用 u型断面 ， 支 护形式 为 u形棚锚 网喷 支护 ， 此后 经过 3次复修 。该巷道 由于受深部 高地 压及断 层带 影响 ， 巷道两帮移近量 大 ， 顶板 下沉严 重 。巷道 原尺 寸净宽4 ． 5 m， 净高 3 ． 5 m， 修复前净宽 2 ． 8～ 3 ． 5 m， 净高 2 ． 4～ 2 ． 8 m， 断面已经完全不能满足生产需求。 2 钢管混凝土支架支护设计 1 钢管混凝土支架结构设计 钢管混凝土支架分 为 4段 顶 弧段 、 2个两帮 段 、 收稿 日期2 0 1 31 03 0 作者简介姜喜林 1 9 5 4一 ， 男， 黑龙 江省 通河县 人 ， 1 9 7 8年毕 业 于阜新矿业 学院采矿工程专业 ， 大学学历 ， 高级工程师 ， 现任 黑龙 江 龙煤矿业集 团股份有限公 司鹤 岗分公 司副总工程师。 反底拱段， 各段之间通过套管轴向连接 ， 核心混凝土 在支架 内充填成整体 。示意图如图 1 。 1 ． 接 头 套 管2 钢 管 混凝 土 支 架3 ． 巷 道 厩 板 图 1 钢管混凝土 支架结构 图 支护中采 用 的钢管 混凝 土 支架 为 马蹄形 结 构 ， 由4段钢 管组 装组 成 。钢 管选 用 准 1 9 48无缝 钢 管 ， 自重 3 6 ． 7 k g ／ I 1 1 。套管选用准 2 1 91 0无缝钢管 ， 自重 5 1 ． 5 k g ／ i n 。支架净 宽 4 ． 5 in， 净 高 3 ． 5 in， 卧底 0 ． 8 m。整个 支架全 部 由圆弧组成 ， 共 4个 曲率半径 ， 支架净重 8 0 0 k 架 。 相邻支架 间采用 铁 拉杆 连接 ， 同时在 两 帮 和顶 2 0 1 4年第 2期 互瞧蒺 斜救 3 5 部设置 3条拉 力钢 带 ， 这 样 支架 沿巷 道方 向受 铁 拉 杆和钢带的共同作用不易产生弯曲失稳 ， 可以提高 支架的承载能力， 使巷道 内所有支架形成整体支护 系统 ， 充分限制 围岩变形 。 2 混凝土配 比设计 为保证混凝 土 充满 钢管 ， 防止 由于混凝 土 自收 缩而出现的钢管和硬化混凝土之间的裂缝， 要求所 配制混凝 土具有 适 度 的膨胀 性 能 ， 即补偿 收缩 。参 考有关规范中关于原材料配合 比设计方面的要求 ， 膨胀剂 、 减水剂的选择 与掺量要求 ， 砼 设计强 度等级 为 C 4 0 ， 其 中水 泥选用 4 2 ． 5 普通硅 酸盐水 泥 ， 粗 骨料 选用级配合理 、 粒径 5～ l O m m 的坚 固洁净碎石 ， 细 骨 料选用优质河砂 中砂 ， 膨胀 剂采 用硫 铝酸钙 类膨 胀剂， 掺量在 1 0～1 2 ％； 减水剂选择 M F型高效减水 剂， 适量加入， 外加剂以等量取代水泥的形式加入。 通过实验确定混凝土配比方案， 水泥 砂子 石子 11 ． 3 1 2 ． 6 5 ， 水灰 比 0 ． 4 1 ， 膨胀 剂和 减水 剂掺量分别 为 1 1 ％ 和 0 ． 5 ％。该 配 比混 凝 土 的 3 d 、 7 d 、 2 8 d强度分别为 1 8 ． 4 MP a 、 2 8 ． 6 MP a 、 5 5 ． 4 MP a 。 3 辅助支护设计 1 锚 网喷支护设计 为更好地发挥钢管混凝土支架作用， 巷道扩修 后先进行锚网喷支护， 提高围岩的自承载能力 ， 并使 巷道围岩在 主动支护作用下适量地变形卸压 。 采用直径 2 0 m m的高强螺纹钢锚杆， 长度3 ． 0 m， 锚杆间排距 0 ． 8 x 0 ． 8 m， 采用 1 2 m钢筋网， 全面 铺设 ； 混凝 土喷 层厚度 2 0 0 m m， 其 中初喷 5 0 m m， 复 喷 1 5 0 m m。 2 围岩注浆加 固设计 钢 管混凝 土支 架 承载 后 ， 复 喷混 凝 土加 大 喷层 厚度 至 2 0 0 ra m， 对钢管混凝 土支架 承载力进行 监测 ， 当支架承载力达到 1 5 0 t 后 ， 进行高效围岩注浆加固， 使破碎的岩体重新胶结成整体， 降低支架承载力， 加 强 围岩稳定性 。 注浆锚杆长 3 m， 问排距 1 ． 6 2 ． 4 r n ； 注浆材料为 4 2 ． 5 普通硅酸盐水 泥， 水灰 比为 0 ． 6～ 0 ． 7 ； 注浆压力 为 2 ． 0～ 2 ． 5 M P a ； 每个断面注浆时间为 1 2 0 m i n 。 4 钢管混凝土支架施工工艺 基本工艺流程 巷道开帮挑顶一 初喷 5 0 m m厚 混 凝土层一锚杆 支护一 安 装空 钢管 支架 至少 连续 安 装 5架 一设置 3条 w 钢带 ， 铺设 钢筋网一 钢管支架 灌注混凝土一 等待 围岩变形 至支架 ， 复 喷 1 5 0 m m厚 混凝土层一 围岩注浆 。 1 巷道扩修 、 锚 网喷支护 巷道断面形状采用马蹄形， 毛断面 宽 高 5 8 9 0 4 5 5 0 m m， 净 断面 宽 高 5 0 0 0 4 0 0 0 m m 。 顶部留设 3 0 0 ra m变形 空 间 ， 巷道 两帮各 留设 2 0 0 ra m 变形空间。开帮挑顶按正常掘进要求进行， 力求安 全简易 ， 底部 先不 动 ； 毛断 面完 成后 立 即喷 射 5 0 m m 混凝土层 ， 喷射混凝土按正常使用配 比和技术要求 进行 。锚杆 间距 0 ． 8 m， 排距 0 ． 8 m， 每个断面 1 6根 。 锚杆施工按煤矿作业规程操作。 2 安装空钢管支架 锚杆安装后可 立即进行 空钢管 支架架设 。以巷 道中心线和腰线为准， 确定支架安装位置， 清理巷道 两帮底部浮矸 ， 按支架反底拱需求卧底 8 0 0 m i l l ， 顶部 预 留 3 0 0 m m， 帮部 预留 2 0 0 m m。 支架安装 轮 廓确 定好 之 后 ， 安装 钢管 支 架 。首 先确定反底拱段安放位置， 并放人反底拱段； 其次安 装 帮腿段 ， 先安装一 侧再安装 另一侧 ， 帮腿段 靠近 帮 壁后先 向上 抬高一 小 段距 离 ， 将 帮 腿段 的定 位 钢筋 缓慢插入反底拱段 ， 直到端 口紧密结 合 ， 将提前 套在 绑腿段上的接头套管向下移动到挡环； 最后安装顶 弧段 ， 现将顶弧段 向上抬起一 小段距 离 ， 将端 口对准 帮腿段上 的定位钢筋 ， 然后缓慢 插入 ， 直 到端 口紧密 结合， 然后将提前套在顶弧段的接头套管向下移动 到挡环 。钢管 支架 安装 之 后 ， 连 接好 顶 杆 ， 顶部 、 两 帮设置 3条 w 型钢带 ， 铺设钢筋网。 3 钢管支架灌注混凝土工序 ①混凝土输送泵平放在巷道， 通过高压胶管与 支架注浆短管连接 。 ②首先一组人员连 接好 电缆 、 布置好 水管 ， 输 送 泵空载 1 5～ 2 0 m i n ； 另一组人员去料场掺和混凝土干 料， 每次 1 矿车。 ③拌制} 昆 凝土， 有条件的话使用搅拌机， 每次搅 拌 1 m ， 严格按 C 4 0配 比添加水 泥 、 砂 子 、 石 子及 外 加剂。混凝土搅拌均匀， 坍落度大于 1 6 0 m m， 符合泵 送混凝土要求 。 ④连接注浆管路 ， 依次为 输送泵一输送管一高 压胶管一支架注浆口。第 1 次使用输送泵时应先泵 送一罐水泥砂浆 以润滑管路， 然后正常泵送注浆。 灌注过程 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。 每次注 下转 第 3 8页 3 8 圭 ， 趟蕊 妓 2 0 1 4 年 第 2 期 面上的沙粒 、 石粉擦干净， 然后再抹高温脂 ； 如遇楔 块工作面上有擦伤， 应及时打磨光滑， 减少 内， 外 的 楔 面摩擦 阻力。 1 0 不作 业时 ， 应将 内 、 外 楔块 处理 干净 ， 抹 上 高温脂后 用塑料 膜封好 ， 以保证 内 、 外楔块 工作 面不 生锈。 1 1 分裂枪不用时， 应把油管清理干净并放好， 以免胶 管受矸石 、 重物砸、 碰后 受伤或老化， 影响 使用 。 1 2 起落 吊盘 前 ， 电磁 启 动器工 作 面 的控 制 开 关及 电缆要 收起 至吊盘 ， 防止 吊盘起松 时碰坏 电线 。 1 3 施工前确保高压供油管路各连接点连接牢 固 ， 防止作业时脱落 。 1 4 工作面及吊盘劈裂器的供电、 供油线路要 布置合理有序 ， 做好文 明施工 。 1 5 动力泵 站 的压力严 禁 任意调 节 ， 油管 严禁 出现急弯 ， 所有接头必须连接可靠紧固， 操作者的精 力必须高度集 中， 其他无关人员必须远离枪体和油 管及接头处， 以免机器发生故障造成人员受伤。 3主要技术措施与经验 1 立井基岩段 采用 非爆破法开挖 时 ， 遇到 硬岩 工人劳动 强度 大 ， 工 程 进 度 慢 ， 成本 较 高且 实 施 效 果差 2 采 用 P C 6 0挖掘机 配合液压破碎锤， 配合 B 8 7气动破碎机 ， 液压劈裂机作 为施工机 械的新 型机 械化掘进作业方式， 大大提高了掘进施工速度 ， 并极 大减轻 了工人 的劳动强度 。 3 使用时应先用挖掘机在井筒中部开挖 自由 面， 然后再使用液压劈裂机分片操作， 以加快施工 速度。 4 由 于 产 品 非 防爆 设 备 ， 只 适 用 于 岩 石 段 施 工。 5 劈裂机 在 坚硬带 有 自由面的 岩石 中使 用效 果最佳 ， 在井壁或者巷道刷帮中也可实施 ， 可节省使 用成本 及 掘 进 时 间 ， 但 不 适 用 于 泥 岩 和 较 软 的 岩 层中。 4 实施效果 本项 目根 据 现场施 工 条件 及 地质 情况 的分 析 ， 经过精心组织 ， 合理安排， 通过采用掘进、 提升、 排 矸 、 清底、 浇筑相匹配的非钻爆法机械化作业线， 克 服了井筒掘进断面大 、 人工掘进等困难。在回风立 井 2 0 1 1 年 4月份进入 基岩 段硬 岩层施 工后 ， 采用劈 裂机辅助掘进效率提高一倍 段高 3 ． 6 m成井速度约 4 8小时一模 ； 多 次月 进尺 超过 5 0 m， 最高 月进 尺 达 5 9 ． 2 m， 且工程 质量全优 、 安全无 事故。 上接 第 3 5页 浆提前 连接 好 5架 支架 的输 送管 路 ， 以方 便管 路 连 接 ， 节 约时问 ， 防止输送 管内t 昆 凝 土凝固。 ⑤每架灌注结束前 ， 需顶部排浆孔流出约 3铁 锹混凝土作为结束标识点。 ⑥每架支架灌注结束后先停止泵送， 然后拆卸 管路 ， 封堵排浆孔 。连 接下一架 ， 继续灌注 ， 直 到5架 全部灌注完毕。灌注完毕后先停泵， 卸掉搅拌箱多 余混凝土 ， 正反泵水洗管路 ， 输送泵管道， 拆卸管路 ， 停泵 ， 停止供水 ， 最后断电。 5 钢管混凝土支架支护效果 钢管混凝 土支 架安 装后 ， 在 巷道 内选取 3个位 置做巷道变形 观测 、 支架变形 观O n, 4 和底鼓变 形观 测 ， 经过数月观测， 巷道变形观测值、 支架变形观测值和 底鼓变形观测值均远远小于同类 u形钢支护巷道观 测值 ， 观测结果表明 两帮收敛小于 3 0 m m， 顶板下沉 小于 2 0 m m， 底鼓消 失 ， 钢管混 凝土 支架 没有 明显变 形。巷道变形达到稳定 ， 巷 道尺寸 满足 生产要 求 ， 至 今运行 良好 。 【 参考文献】 [ 1 ] 王军， 田英楠， 韩立强， 等． 钢管混凝土支架附着式振 动器[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 王波． 软岩巷道变形机理分析与钢管混凝土支架支 护技 术研 究[ D ] ． 北京 中国矿业大学． 2 0 0 8 ． [ 3 ] 李冰． 深井软岩巷道钢管混凝土支架支护稳定性分 析及 工程应 用[ D ] ． 北京 中国矿业大学． 2 0 0 9 ． [ 4 ] 施 惠生， 孙振 平 ， 邓 恺． 混 凝土 外加 剂 实用技 术大全 [ M] ． 北京 中国建材工业出版社． 2 0 0 8 ．