軟巖硐室U型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及加固措施研究

黃 鑫，龐建勇

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采不斷向著深部發(fā)展，深部巷道支護(hù)以及軟巖巷道支護(hù)已成為煤礦安全的重要課題，以U型鋼為代表的支護(hù)措施結(jié)合錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等支護(hù)材料形成了一系列深部支護(hù)的方法[1-6]，諸如錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)、壁后注漿、局部強(qiáng)支護(hù)等多種手段單一或耦合支護(hù)[7-10]。U型鋼主要用于巷道局部軟弱面及軟巖硐室的支護(hù)，因此對(duì)U型鋼支護(hù)的效果提出了很高的要求，對(duì)于U型鋼的支護(hù)特性的研究也一直是很多專(zhuān)家學(xué)者的重點(diǎn)，尤春安[11]在支架受力結(jié)構(gòu)模型、卡纜搭接傳力機(jī)制、縮動(dòng)分析等方面進(jìn)行了大量的研究；鄭西貴[12]等利用ANSYS軟件U 型鋼反拱梁承載性能進(jìn)行研究，提出反拱圓心角在 70°時(shí)臨界屈曲載荷達(dá)到最大值；王其洲[13]等通過(guò)研究 U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)作用機(jī)理，提出了 U 型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)；謝文兵[14]等認(rèn)為引起支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因是連接件強(qiáng)度低或連接件結(jié)構(gòu)不合理，提出了支護(hù)穩(wěn)阻技術(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償原理和補(bǔ)償技術(shù)。

由于U型鋼成本較高且多用于軟弱的支護(hù)面，對(duì)于U型鋼自身的性能要求就需要提高，因此，以張集礦第二副井主排水泵房的支護(hù)設(shè)計(jì)為例，對(duì)U型鋼的受力特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)措施，監(jiān)測(cè)并對(duì)比改進(jìn)后的效果。

1 工程概況

張集礦第二副井-820m水平主排水泵房巷道類(lèi)型為巖巷，巷道坡度為3‰，巷道方位為15°、105°、195°，斷面形狀為直墻半圓拱。張集礦二副井井筒位于謝橋向斜北翼張集勘探區(qū)五線(xiàn)東側(cè)。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果確定主排水泵房圍巖的類(lèi)別和巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主排水泵房圍巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表1中圍巖參數(shù)，由式(1)計(jì)算圍巖的普氏硬度系數(shù)分別為：鋁質(zhì)花斑泥巖為3.9，細(xì)砂巖為6.1，泥巖為1.3，砂質(zhì)泥巖一為1.9，砂質(zhì)泥巖二為1.6，砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層為4.7。其中，泥巖、砂質(zhì)泥巖一、砂質(zhì)泥巖二的f值小于2，屬于軟巖，為支護(hù)弱面，需要采用局部強(qiáng)支護(hù)措施。張集礦-820m主排水泵房主體采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)模式，對(duì)于軟弱支護(hù)面設(shè)計(jì)采用U36型鋼進(jìn)行局部支護(hù)，主排水泵房支護(hù)斷面如圖1所示。

式中，f為普式硬度系數(shù)，量綱為1；Rc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

圖1 主排水泵房支護(hù)斷面圖(mm)

2 U型鋼受力數(shù)值模擬分析

2.1 拱頂及兩幫載荷計(jì)算

主排水泵房軟弱斷面局部支護(hù)采用U36型礦用鋼材，其基本規(guī)格為：高度138mm，厚度17mm，理論重量為36kg/m，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。依據(jù)以上參數(shù)，利用CAD軟件繪制U36型鋼斷面形狀，將其保存為.sat文件，再導(dǎo)入ANSYS 16.0有限元分析軟件，進(jìn)行U型鋼受到圍巖壓力下的數(shù)值模擬分析。

U型鋼在巷道內(nèi)受到拱頂?shù)木驾d荷q頂和來(lái)自?xún)蓭偷木驾d荷q幫的共同作用，拱頂?shù)木驾d荷q頂和兩幫的均布載荷q幫可根據(jù)普式平衡拱理論確定[15]。普式平衡拱理論適用于有足夠埋深的巷道圍巖壓力計(jì)算，且開(kāi)挖后能夠形成一個(gè)自然平衡拱，張集礦-820m主排水泵房的大硐室滿(mǎn)足這一計(jì)算要求，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 圍巖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)該理論的假設(shè)：①巷道開(kāi)挖后形成的松散巖體仍然具有一定的粘結(jié)力；②硐室開(kāi)挖完成后，在硐室頂部將形成一個(gè)自然平衡拱，在硐室兩幫處，形成一個(gè)與巖壁夾角為45°-φ/2的滑動(dòng)面。

當(dāng)巷道側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)：

當(dāng)巷道側(cè)壁不穩(wěn)定時(shí)：

其中：

式中，b為側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)平衡拱的矢高，m；b1為自然平衡拱的最大高度，m；a為側(cè)壁穩(wěn)定時(shí)平衡拱的跨度，m；a1為自然平衡拱的最大跨度，m；h為巷道埋深，m。

普式理論認(rèn)為作用在硐室頂部的圍巖壓力為自然平衡拱內(nèi)的巖體自重，因此硐室頂部的均布載荷q頂?shù)挠?jì)算公式如下：

硐室兩幫均布載荷q幫為：

q幫=λq頂

(6)

式中，q頂、q幫分別為硐室頂部與兩幫處的均布載荷，kN/m；γ為圍巖容重，取22～25kN/m3；λ為側(cè)壓力系數(shù)，取1.2。

根據(jù)張集礦主排水泵房支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，a=3.15m，b=3.15m，h=4.4m。U型鋼支護(hù)主要用于軟弱的圍巖斷面，所以f值取2，圍巖內(nèi)摩擦角取平均值30 °。根據(jù)式(2)—(6)計(jì)算得：q頂?shù)娜≈捣秶鸀?8.72～44kN/m；q幫的取值范圍為46.464～52.8kN/m。綜上，分別取q頂=39kN/m、q幫=47kN/m進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2.2 U型鋼受力分析模型建立

計(jì)算模型采用彈塑性模型，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為335MPa，采用梁?jiǎn)卧猙eam189單元，約束條件為直墻底部全約束，載荷采用均布載荷，拱頂和兩幫載荷不同，根據(jù)普氏平衡拱理論計(jì)算得到：拱頂載荷q頂=39kN/m，兩幫均布載荷為q幫=47kN/m。根據(jù)上述步驟，建立U型鋼受力分析模型，施加載荷進(jìn)行運(yùn)算。

3 U型鋼變形及力學(xué)特性分析

3.1 變形分析

U型鋼形變對(duì)比如圖3所示，對(duì)模型進(jìn)行受力加載后，可以明顯看到U型鋼的變形主要發(fā)生在拱頂處和兩幫處，由于U型鋼底部施加約束，其變形特征表現(xiàn)為：兩幫自底板向上約1/3處開(kāi)始發(fā)生形變，兩幫的U型鋼向內(nèi)收斂，到與拱形結(jié)構(gòu)接觸點(diǎn)處變形減小，拱頂處的變形與原U型鋼相比，向上隆起，擠壓頂板。

發(fā)生該變形的原因是由于U型鋼同時(shí)受到來(lái)自硐室兩幫及頂板的均布載荷，且q頂

圖3 U型鋼形變對(duì)比圖

圖4 兩幫受力簡(jiǎn)圖

3.2 力學(xué)特性分析

由數(shù)值模擬結(jié)果繪制U型鋼在均布載荷下的力學(xué)特性分析如圖5所示。

圖5 U型鋼力學(xué)特性分析

1)從圖5(a)中可以看出，U型鋼在均布載荷下的位移主要集中拱頂和兩幫處，其中最大位移372.783mm，發(fā)生在U型鋼拱頂處；兩幫處的位移量也達(dá)到124.261mm。

2)從5(b)中可以看出，應(yīng)力主要集中在拱腳處，由于拱腳處施加了位移約束，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，除拱腳處，兩幫靠近底板處以及接近拱梁處的應(yīng)力也相對(duì)集中，達(dá)到375.594MPa，由于U型鋼屈服強(qiáng)度為335MPa，因此在U型鋼的拱腳、兩幫的底部和拱梁與兩幫接觸處已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)。

3)從5(c)可知，彎矩最大為162kN·m，位于巷道兩幫，彎矩沿兩幫豎直方向向下呈線(xiàn)性增大，且彎矩分布關(guān)于硐室斷面中軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。所謂“控頂先控幫”，若要保障硐室頂板穩(wěn)定，對(duì)于彎矩值大的兩幫區(qū)域需要加強(qiáng)其抗彎能力，保障硐室支護(hù)有效。

4 U型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

4.1 U型鋼支護(hù)的不足

數(shù)值分析結(jié)果顯示，U型鋼在該硐室支護(hù)中存在以下不足：U型鋼拱頂在硐室圍巖的載荷下，產(chǎn)生變形量過(guò)大，剛度和強(qiáng)度明顯不足；硐室兩幫接近底板處和兩幫與拱梁接觸處以及拱腳處有明顯應(yīng)力集中，且均超過(guò)U型鋼屈服強(qiáng)度，需提高其強(qiáng)度；彎矩集中在U型鋼兩幫處，兩幫發(fā)生易發(fā)生變形，形成安全隱患。

4.2 U型鋼補(bǔ)強(qiáng)方法

針對(duì)上述不足，提出一種補(bǔ)強(qiáng)方法，用以提高U型鋼的剛度和強(qiáng)度，防止U型鋼在周?chē)鷰r石的長(zhǎng)期壓力下發(fā)生扭曲變形。該補(bǔ)強(qiáng)方法具體表述為：在U型鋼凹槽內(nèi)設(shè)置多個(gè)加強(qiáng)腹板來(lái)提高U型鋼支架的承載能力，每個(gè)加強(qiáng)腹板采用焊接的方式設(shè)置在U型鋼凹槽的兩邊緣，加強(qiáng)腹板是長(zhǎng)為200mm、寬為128mm、厚為10mm的鋼板，其在U型鋼凹槽內(nèi)均勻布置，相互之間的間隔約為500mm，其布置情況如圖6(a)所示。在該補(bǔ)強(qiáng)措施的基礎(chǔ)上，在U型鋼凹槽內(nèi)設(shè)置混凝土填充料，如圖6(b)所示；充分利用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到提高U型鋼結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的目的。

圖6 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)剖面及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

4.3 改善效果分析

為分析補(bǔ)強(qiáng)填充措施對(duì)U型鋼剛度和強(qiáng)度的改善效果，對(duì)填充前后的U型鋼斷面進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)U型鋼斷面頂部加載39kN/m的均布載荷，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制U型鋼斷面的形變、位移以及應(yīng)力分布圖，如圖7所示。

圖7 補(bǔ)強(qiáng)前后U型鋼變化情況

根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)前后U型鋼的形變特點(diǎn)可以看出：補(bǔ)強(qiáng)前U型鋼的形變主要是集中在斷面兩端且方向向外，補(bǔ)強(qiáng)后的形變主要集中在補(bǔ)強(qiáng)鋼板，方向向下；補(bǔ)強(qiáng)前U型鋼受力后向兩側(cè)擴(kuò)展，補(bǔ)強(qiáng)后U型鋼發(fā)生了壓縮變形，但整體形狀并未改變，剛度較補(bǔ)強(qiáng)前有所提高。通過(guò)觀察應(yīng)力云圖可發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)強(qiáng)前U型鋼的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，主要集中在U型鋼斷面兩側(cè)與底部交匯處，且最大應(yīng)力達(dá)到1110MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)U型鋼屈服強(qiáng)度335MPa，此時(shí)U型鋼已發(fā)生變形破壞失去支護(hù)能力，而補(bǔ)強(qiáng)后U型鋼應(yīng)力主要分布在斷面兩側(cè)，較補(bǔ)強(qiáng)前應(yīng)力并未集中于一點(diǎn)且此時(shí)最大應(yīng)力僅為252MPa，在U型鋼合理工作區(qū)間內(nèi)，U型鋼并未破壞，具有較好的支護(hù)強(qiáng)度。通過(guò)位移云圖也可發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)強(qiáng)前的最大位移位于斷面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)處，最大位移達(dá)到9.96mm，是補(bǔ)強(qiáng)后最大位移量0.155mm的64.25倍，且補(bǔ)強(qiáng)后的位移主要集中于補(bǔ)強(qiáng)板的彎曲變形。根據(jù)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)前后U型鋼力學(xué)和位移變化的分析可知，補(bǔ)強(qiáng)后的U型鋼能夠較好地保持自身形態(tài)，形變較小，具有較好的剛度改善，同時(shí)在相同均布載荷作用下，其最大應(yīng)力僅為補(bǔ)強(qiáng)前的22.7%，且較補(bǔ)強(qiáng)前其應(yīng)力分布較為均勻，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)U型鋼的破壞，強(qiáng)度大大改善。

5 效果監(jiān)測(cè)

對(duì)張集礦主排水泵房U型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)改進(jìn)后進(jìn)行為期60d圍巖位移變化監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄，并整理繪制了位移收斂量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖8所示。

圖8 主排水泵房收斂量變化曲線(xiàn)

從圖8可以看出，硐室圍巖收斂量在0～20d內(nèi)處于加速上升階段，收斂量逐漸增大，說(shuō)明圍巖內(nèi)的松散巖石在應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中逐漸被擠壓變得密實(shí)，位移量逐漸變大；在20d時(shí)到達(dá)13mm，30d后巷道圍巖收斂趨于穩(wěn)定，松散軟弱的圍巖在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下逐漸具有一定承載能力，變形得到遏制。同時(shí)，在0～13d內(nèi)硐室拱頂收斂量一直大于兩幫收斂量，與數(shù)值模擬趨勢(shì)基本一致，在13d時(shí)兩者達(dá)到一致，收斂量到達(dá)8mm，說(shuō)明在硐室開(kāi)挖初期，自重應(yīng)力的影響大于構(gòu)造應(yīng)力，且巷道變形主要以彈性變形為主，使得硐室頂板下沉量大于兩幫收縮量，但隨著應(yīng)力的重新分布，兩幫的圍巖收斂量逐漸大于拱頂，說(shuō)明隨著時(shí)間的推移，開(kāi)挖后的巖石由彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危锏纼蓭偷奈灰屏恐饾u大于拱頂，但圍巖位移量的總體趨勢(shì)都在減小，60d后已逐漸趨于穩(wěn)定。

60d監(jiān)測(cè)的拱頂最大位移12.36mm，兩幫最大位移19.176mm，遠(yuǎn)小于未采取補(bǔ)強(qiáng)措施前模擬結(jié)果的拱頂位移372.783mm，兩幫位移量124.261mm。結(jié)果顯示，采取補(bǔ)強(qiáng)措施后，U型鋼支護(hù)對(duì)于拱頂和兩幫的位移量的控制效果較模擬結(jié)果分別提高了29.6倍和5.5倍，說(shuō)明補(bǔ)強(qiáng)后的支護(hù)對(duì)硐室圍巖位移量的控制效果提高明顯，對(duì)于拱頂?shù)淖冃慰刂朴绕渫怀觥?/p>

6 結(jié) 論

1)借助普式平衡拱理論和張集礦-820m主排水泵房的圍巖實(shí)際情況，計(jì)算并得出了作用于U型鋼上拱頂處的均布載荷值39kN/m和兩幫處的均布載荷值47kN/m，為模型計(jì)算提供了參數(shù)。

2)利用CAD和ANSYS軟件，建立U型鋼模型，模擬其在深部圍巖硐室內(nèi)的受力情況，模擬結(jié)果表明，U型鋼在均布載荷下的最大位移為372.783mm，發(fā)生在拱頂處，兩幫位移為124.261mm；應(yīng)力主要集中在拱腳處，兩幫的應(yīng)力達(dá)到375.594MPa，已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，易發(fā)生扭曲變形；彎矩最大為162kN·m，位于巷道兩幫，彎矩沿兩幫豎直方向向下呈線(xiàn)性增大。

3)優(yōu)化了U型鋼的支護(hù)方案，在U型鋼凹槽處焊接補(bǔ)強(qiáng)板，在凹槽內(nèi)填充混凝土，用以提高其自身強(qiáng)度和剛度。并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和60d圍巖收斂量監(jiān)測(cè)，證明優(yōu)化方案取得良好效果。