深部巷道直墻半圓拱形鋼管混凝土支架承載性能分析①

陳 斌， 左宇軍，2，3， 王 劍， 孫文吉斌， 鄭祿璟， 林健云

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽550025； 2.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽550025； 3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽550025； 4.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙410083)

近年來,德國、加拿大、澳大利亞、中國以及南非等國家的許多金屬礦和煤礦開采深度已超千余米,有的金屬礦山開采深度甚至超三千米,資源開采轉(zhuǎn)向深部開采［1-2］。 在轉(zhuǎn)入深部開采后,受“三高一擾動”等復(fù)雜條件作用,巷道圍巖處于與淺部開采不同的非線性地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中,其中以高地應(yīng)力影響最為顯著［3］。受高地應(yīng)力、(極)軟巖等復(fù)雜地質(zhì)條件影響,出現(xiàn)了大量深部難支護(hù)巷道。 承載能力較低的一般金屬支架不能有效控制深部高應(yīng)力巷道的變形［4-5］。 我國常用的深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)方式為U 型鋼支架＋錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù),已取得較好的支護(hù)效果和大量的研究成果,但在轉(zhuǎn)向更深的開采條件時也表現(xiàn)出承載強(qiáng)度不足、U 型鋼自身結(jié)構(gòu)缺陷、截面受力不合理等缺點(diǎn)［1］。

為解決深部高應(yīng)力軟巖巷道的難支護(hù)問題,持續(xù)有人嘗試新觀念、新工藝以及新材料,最具代表性的當(dāng)屬采用鋼管混凝土支架。 該結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是:外部鋼管與內(nèi)部混凝土相互共同作用,形成“力的共生”現(xiàn)象［6-7］,使鋼管混凝土支架具有較高的承載力。 在巷道支護(hù)中,直墻半圓拱形斷面是最常用的斷面形狀,具有諸多優(yōu)點(diǎn),但目前鋼管混凝土支架的設(shè)計應(yīng)用多集中在圓形和橢圓形斷面［8］,而對直墻半圓拱形斷面結(jié)構(gòu)研究較少。

為了推動直墻半圓拱形鋼管混凝土支架在深部高應(yīng)力巷道中的應(yīng)用,本文在現(xiàn)有鋼管混凝土支架的研究基礎(chǔ)上,對鋼管混凝土支架的承載力進(jìn)行計算和分析,進(jìn)一步通過ANSYS 軟件建立三維耦合模型,得到不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下支架的變形情況,綜合研究兩類支架的支護(hù)效果,為解決深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)難題提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

貴州某礦區(qū)270 中段巷道斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育,部分節(jié)理已呈張開狀態(tài),圍巖整體較破碎,穩(wěn)定性較差。在270、290 中段進(jìn)行取坑內(nèi)鉆取芯工作,采用RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo)分類)進(jìn)行巖體質(zhì)量評價,由于礦山使用坑內(nèi)鉆探礦,巖芯為圈定礦體的探礦巖芯,分為礦體下盤、礦體和礦體上盤3 部分,鉆孔巖芯RQD 值分別為29.37%、30.23%和41.92%,所以巖體整體破碎,穩(wěn)定性不好,根據(jù)巖石RQD 分類標(biāo)準(zhǔn),巖石質(zhì)量呈“差”等級。 結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的圍巖裂隙程度和巖石質(zhì)量指標(biāo)評價,最后將巷道圍巖定義為穩(wěn)定性較差的Ⅳ級巖體［9］。

2 支架承載力理論計算

2.1 U 型鋼支架承載力計算

通過文獻(xiàn)［10］可知,隨著測應(yīng)力系數(shù)逐步增大,U型鋼支架支撐力逐漸減小。 而深部巷道的典型特征是水平應(yīng)力高于垂直應(yīng)力,某些深部巷道的側(cè)應(yīng)力系數(shù)甚至超過1.5。 因此,在深部高水平應(yīng)力巷道中采用U型鋼支架支護(hù)無法達(dá)到需要的支護(hù)效果。

2.2 鋼管混凝土支架承載力計算

鋼管混凝土支架選取Φ194 mm × 8 mm 的20＃無縫鋼管灌注C40 核心混凝土,其斷面形狀和大小與U型鋼支架保持一致。

2.2.1 鋼管混凝土短柱承載力計算

鋼管混凝土短柱的軸壓承載力Nx計算公式為［6］:

式中Nx為鋼管混凝土短柱的承載力；Ac為核心混凝土的橫截面積；fc為核心混凝土抗壓強(qiáng)度,fc＝26.8 MPa。 套箍指標(biāo)θ 表示外部鋼管對核心混凝土套箍約束程度,,其中As為鋼管的橫截面積,fs為鋼管的屈服強(qiáng)度,鋼管和混凝土核心的參數(shù)見表1 ～2。 計算可得:Nx＝2 798.72 kN。

表1 鋼管參數(shù)

表2 混凝土參數(shù)

2.2.2 鋼管混凝土支架承載力計算

壓彎組合是鋼管混凝土支架在實(shí)際承載過程中的受力狀態(tài),考慮長細(xì)比和偏心率的綜合作用,支架的承載能力為:

式中N0為支架的極限承載能力；φ 為極限承載能力的折減系數(shù),受長細(xì)比以及偏心率的綜合影響,取φ ＝0.78［5］。計算得:N0＝2 183 kN。

通過對比可知,理論計算得出的鋼管混凝土支架的承載力遠(yuǎn)大于U 型鋼支架。 從理論計算結(jié)果來看,在高應(yīng)力巷道中采用鋼管混凝土支架支護(hù)是更優(yōu)選擇。

3 數(shù)值試驗(yàn)分析

3.1 力學(xué)模型建立與邊界約束

數(shù)值計算模型以某礦區(qū)270 中段實(shí)際工程地質(zhì)條件為背景,依據(jù)巖體力學(xué)相關(guān)理論,一般取巷道寬度的3～5 倍作為巷道開挖后的應(yīng)力調(diào)整范圍［11］,聯(lián)系巷道工程實(shí)際尺寸,采用ANSYS 有限元軟件建立圍巖與支架耦合模型,巷道圍巖模型尺寸為32 m ×32 m ×3 m,整個模型分為兩部分:圍巖體和支架。 固定約束整個數(shù)值計算模型的底部,限制前后面的法向位移,模型頂部和側(cè)面逐步施加壓力。 根據(jù)深部礦山圍巖裂隙程度,將圍巖質(zhì)量劃分為5 個等級,選取的參數(shù)與不穩(wěn)定的Ⅳ級巖體相似［9］,結(jié)合270 中段實(shí)際地質(zhì)情況和相關(guān)資料［12］,U36 型鋼以及圍巖參數(shù)如表3～4 所示。 在整個數(shù)值模擬過程中,由于不能將所有影響巷道穩(wěn)定性的因素都考慮進(jìn)去,因此對所做模擬進(jìn)行以下必要假定:①將圍巖體視為連續(xù)均質(zhì)、各向同性的力學(xué)介質(zhì)；②在計算的過程中圍巖體不產(chǎn)生滑移；③假定支架與圍巖體之間完全接觸。

表3 U36 型鋼參數(shù)

表4 圍巖參數(shù)

3.2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)條件下進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),在鋼管混凝土支架上選取32 個監(jiān)測點(diǎn),U 型鋼支架上選取24個監(jiān)測點(diǎn),如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)模型

在深部巷道中水平應(yīng)力對巷道圍巖體穩(wěn)定性的影響比垂直應(yīng)力更為顯著。 在支架間距1.0 m、側(cè)應(yīng)力系數(shù)分別為1.0、1.5、2.0 條件下進(jìn)行模擬,得到鋼管混凝土支架和U 型鋼支架的變形情況如圖2 ～3 所示。 由圖2～3 可知,隨著側(cè)應(yīng)力系數(shù)增大,支架的最大變形量也隨之增大。 主要受力為虛線部分。

圖2 不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下鋼管混凝土支架變形云圖

圖3 不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下U 型鋼支架變形云圖

提取鋼管混凝土支架和U 型鋼支架監(jiān)測點(diǎn)在不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下的變形量,繪制曲線,如圖4 ～5 所示。圖4 中當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1.0 時,鋼管混凝土支架底角與頂拱的變形量相差較大,反底拱的變形量較小且往底拱中心方向變形量逐漸減小,但整體變化不大。 說明此時頂?shù)坠笆芰^小,而底角的受力較大。 隨著側(cè)應(yīng)力系數(shù)逐漸增大,頂?shù)坠暗淖冃瘟恳搽S之增加；底角的變形量增幅較小,變形量均在6～7 mm 之間；反底拱中心處的變形量大于兩端。 從7 ～18 號監(jiān)測點(diǎn)可看出,側(cè)應(yīng)力系數(shù)為2.0 時頂拱的拱形最為凸顯,此時頂拱受力超過底角,變?yōu)檎麄€支架受力最大的部分。 反底拱中心處的受力逐步增大,最后大于兩端受力。 支架底角應(yīng)力變化不大,但應(yīng)力較高,主要原因是底角部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。 應(yīng)對其底角部位進(jìn)行監(jiān)測觀察,防止其首先變形破壞,從而影響支架的整體承載能力。 側(cè)應(yīng)力系數(shù)逐漸增大,但鋼管混凝土支架底角變形量增幅較小,表明其在深部高水平應(yīng)力巷道中有良好的適用性。

圖4 不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下鋼管混凝土支架變形折線圖

圖5 不同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下U 型鋼支架變形折線圖

圖5中當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1.0 時,U 型鋼支架頂拱變形量較小且遠(yuǎn)小于底角的變形量,此時與頂拱相比底角的受力較大。 側(cè)應(yīng)力系數(shù)逐步增大時,支架頂拱和底角的變形量隨之增加,從7 ～18 號監(jiān)測點(diǎn)可看出,側(cè)應(yīng)力系數(shù)為2.0 時頂拱的拱形最凸顯。 其中,在同一側(cè)應(yīng)力系數(shù)時,底角的變形量始終大于頂拱,且為支架整體的最大值。 表明底角所受應(yīng)力是整個支架受力的最大部位。 因此,U 型鋼支架的腿部會最先遭到變形破壞,從而影響支架的整體承載能力,這也是U 型鋼支架不適用于深部高水平應(yīng)力巷道的原因。

在相同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下提取鋼管混凝土支架的前24 個監(jiān)測點(diǎn)和U 型鋼支架的全部監(jiān)測點(diǎn),繪制曲線,如圖6 所示。 當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)為1.0 時,除1 號監(jiān)測點(diǎn)U型鋼支架變形量差值稍大外,兩類支架在各監(jiān)測點(diǎn)的變形量基本相等。 隨著側(cè)應(yīng)力系數(shù)增加,鋼管混凝土支架底角的變形量變化較小；而U 型鋼支架底角的變形量急劇增加,遠(yuǎn)大于鋼管混凝土支架底角的變形量,兩類支架其他監(jiān)測點(diǎn)變形量基本保持相同。 其中,當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)為2.0 時,鋼管混凝土支架頂拱的變形量大于底角,而U 型鋼支架頂拱的變形量始終小于底角。 進(jìn)一步表明,與鋼管混凝土支架相比,U 型鋼支架腿部是其最薄弱的部位,在深部高水平應(yīng)力巷道中使用時會首先遭到破壞,不適合在水平應(yīng)力較高的巷道中采用。

圖6 相同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下兩類支架變形折線圖

4 結(jié) 論

1) 理論分析結(jié)果表明,鋼管混凝土支架的承載力遠(yuǎn)大于U 型鋼支架。 受U 型鋼支架自身結(jié)構(gòu)影響,隨著側(cè)應(yīng)力系數(shù)增加,U 型鋼支架的承載力呈降低趨勢。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)側(cè)應(yīng)力系數(shù)為2.0 時支架變形量達(dá)到最大,鋼管混凝土支架和U 型鋼支架的最大變形量分別為9.136 4 mm 和13.046 0 mm,最大變形量位置分別在頂拱和底角處；隨著側(cè)應(yīng)力系數(shù)增大,鋼管混凝土支架底角變形量增幅較小且低于U 型鋼支架,U 型鋼支架腿部最先遭到破壞,而鋼管混凝土支架整體承載性能良好。

3) 相比于U 型鋼支架,直墻半圓拱形鋼管混凝土支架承載性能優(yōu)越,在解決深部高水平應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性問題中有良好的潛力。