超前管棚支護(hù)散體地壓監(jiān)測及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

高忠

(1.紫金（長沙）工程技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410012； 2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 上杭縣 364200)

0 引言

礦山巷道施工往往需要穿越復(fù)雜的地質(zhì)區(qū)域，如軟弱破碎地層等工程地質(zhì)條件[1]，采用常規(guī)的施工方法會發(fā)生開挖面積失穩(wěn)，或由于初期支護(hù)不及時、強(qiáng)度不滿足圍巖穩(wěn)定要求導(dǎo)致圍巖塌落、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，這樣給巷道施工帶來極大的困難，同時影響施工安全、延誤礦房準(zhǔn)備，影響礦山生產(chǎn)。

針對此類工程地質(zhì)條件，超前管棚（預(yù)）支護(hù)[2]是一種比較好的施工方法，它是在巷道開挖前沿巷道斷面預(yù)先施工超前錨桿，在巷道頂板區(qū)域形成一個殼狀預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定圍巖。超前管棚支護(hù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軟弱破碎地層。

合理的支護(hù)參數(shù)是超前管棚支護(hù)的重要影響因素之一。在礦山施工中，超前管棚支護(hù)構(gòu)件選型及支護(hù)參數(shù)往往根據(jù)工程經(jīng)驗法確定，支護(hù)效果存在不確定性。本文針對礦山松散體中超前管棚施工問題，監(jiān)測和分析管棚散體地壓規(guī)律，優(yōu)化管棚支護(hù)參數(shù)，進(jìn)一步科學(xué)指導(dǎo)超前管棚施工，保障巷道安全穩(wěn)定。

1 工程概況

某礦山主要采礦方法為大直徑深孔空場嗣后充填采礦法，分為一、二步驟回采。礦石類型為銅硫礦石和銅鋅硫礦石，S平均品位為37.94%。由于礦石含硫較高，在一步驟采場底部積壓，在采場水、空氣氧化等因素的作用下礦石板結(jié)，鏟運機(jī)無法鏟出而滯留在采場；在回采二步驟采場時，采場出礦巷道需布置在一步驟采場板結(jié)殘礦松散體中，影響巷道掘進(jìn)與巷道安全。經(jīng)掃描、統(tǒng)計采場滯留殘礦，殘礦高度一般為9～12 m。

為加快二步驟采場準(zhǔn)備，礦山采用超前管棚支護(hù)進(jìn)行施工。根據(jù)含硫板結(jié)殘礦情況和現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)，一次施工進(jìn)尺為1.2～1.5 m；超前管棚支護(hù)采用超前錨桿，錨桿間距為20 cm，采用工字鋼門架，型號為20a，門架支護(hù)間距為1.2 m。門架間采用Φ30 mm螺紋鋼作為連接桿，連接桿上面鋪薄木板以承載巷道頂板垮塌殘礦散體。

根據(jù)現(xiàn)場觀察，采用當(dāng)前超前管棚支護(hù)參數(shù)，出礦巷道工字鋼梁出現(xiàn)一定程度的彎曲，局部地方發(fā)生扭轉(zhuǎn)。因此，有必要監(jiān)測滯留板結(jié)殘礦散體地壓，進(jìn)一步優(yōu)化超前管棚支護(hù)參數(shù)，保障巷道穩(wěn)定和作業(yè)人員及設(shè)備的安全。

2 超前管棚散體地壓作用形式

2.1 超前管棚散體地壓形式

在板結(jié)殘礦堆超前管棚施工過程中，受巷道掘進(jìn)爆破振動及周邊采場地壓等作用，巷道頂部殘礦會逐漸垮塌至管棚支護(hù)的木板，木板載荷集中傳遞至工字鋼梁上[3]。隨著巷道散體地壓的逐漸顯現(xiàn)， 工字鋼梁發(fā)生彎曲變形，超前管棚支護(hù)頂板板結(jié)殘礦散體地壓作用示意見圖1。

圖1 超前管棚支護(hù)頂板板結(jié)殘礦散體地壓

根據(jù)力的平移定理[4]，作用在剛體上的力，其作用點可沿該力的作用線移動，而不改變其對剛體的作用效應(yīng)。因此，巷道頂部垮塌殘礦散體面荷載等效于工字鋼簡支梁的線載荷，公式如下：

式中，l為巷道寬度；b為支架支護(hù)間距；q面為頂部面荷載；q線為頂部線荷載。

2.2 工字鋼梁受力

工字鋼支架視支架本身為支護(hù)體，巷道頂部垮塌殘礦散體為載荷，上部載荷通過面板集中傳遞至工字鋼頂梁，符合工程力學(xué)中的簡支梁條件[5]。工字鋼支架頂梁的破壞機(jī)理是由于支架上彎矩達(dá)到極限后，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力超過工字鋼材料的抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致頂梁變形、破壞而失去承載力，工字鋼簡支梁彎矩示意見圖2。

圖2 工字鋼簡支梁彎矩示意

根據(jù)梁的彎曲內(nèi)力計算公式，梁在x點處的彎矩[6]為：

根據(jù)式（2）和彎矩與工字鋼抗彎截面系數(shù)關(guān)系，可知工字鋼簡支梁線載荷：

式中，Wz為抗彎截面系數(shù)；σ為x點處工字鋼應(yīng)力。

3 地壓監(jiān)測方案及規(guī)律分析

3.1 地壓監(jiān)測方案

管棚上部殘礦高度一般為9～12 m，殘礦散體理論載荷遠(yuǎn)大于當(dāng)前工字鋼承載能力，由此說明現(xiàn)場工字鋼橫梁承受的為局部松散體荷載，而非全部殘礦堆高度的荷載，工字鋼載荷可能來自殘礦堆自然平衡拱下的松散體載荷。

在工字鋼梁的中點處的截面上，沿中性軸上側(cè)工字鋼受壓應(yīng)力，下側(cè)受拉應(yīng)力，當(dāng)所受拉應(yīng)力大于工字鋼的抗拉強(qiáng)度時，工字鋼下側(cè)便被破壞。因此，本次通過監(jiān)測工字鋼下側(cè)拉應(yīng)力間接顯示散體地壓顯現(xiàn)情況，工字鋼簡支梁監(jiān)測布置平面見圖3。

圖3 工字鋼簡支梁監(jiān)測布置平面

本次采用JMZX-212HAT表面型智能應(yīng)變計來實時監(jiān)測工字鋼簡支梁載荷過程；該應(yīng)變計具有高度的靈敏性，采用通用的輕巧結(jié)構(gòu)，使用較小的拉力就能確保傳感器與被測結(jié)構(gòu)體同步變形。振弦采用特種超強(qiáng)鋼絲（進(jìn)口），監(jiān)測工字鋼下表面的應(yīng)變，通過鋼材的彈性模量可以計算出其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，反映工字鋼實時應(yīng)力變化。

每排工字鋼橫梁下側(cè)布置5個點，來反饋不同位置下的散體地壓情況，超前管棚散體地壓監(jiān)測儀器布置見圖4。

圖4 超前管棚散體地壓監(jiān)測儀器布置

3.2 散體地壓規(guī)律分析

3.2.1 工字鋼梁拉應(yīng)力分析

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，在超前管棚施工過程中，監(jiān)測點工字鋼頂梁拉應(yīng)力總體偏小；進(jìn)入采場拉槽和大孔爆破后，在爆破振動等因素影響下，管棚頂部殘礦垮塌增多，工字鋼頂梁拉應(yīng)力增大后趨于平穩(wěn)，其中C2排最大值為340 MPa，C3排最大值為546 MPa，工字鋼已進(jìn)入屈服狀態(tài)。其監(jiān)測拉應(yīng)力值見圖5。

圖5 工字鋼監(jiān)測拉應(yīng)力值

3.2.2 工監(jiān)測點彎矩分析

工字鋼監(jiān)測點彎矩變化過程與拉應(yīng)力類似，巷道掘進(jìn)過程中彎矩總體偏小，進(jìn)入采場回采期后，在爆破振動等因素影響下，工字鋼頂梁監(jiān)測點彎矩逐漸增大后趨于平穩(wěn)，其中C2排最大值為80.6 kN/m，C3排最大值為129.4 kN/m。工字鋼監(jiān)測點處彎矩值見圖6。

圖6 工字鋼監(jiān)測點處彎矩值

3.2.3 超前管棚散體地壓顯現(xiàn)規(guī)律

從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，滯留板結(jié)殘礦松散體管棚地壓顯現(xiàn)規(guī)律包括以下兩個方面。

（1）工字鋼梁中心位置應(yīng)力和彎曲變形大。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，不管是在巷道掘進(jìn)期還是采場回采期，工字鋼梁C2、C3、C4監(jiān)測點應(yīng)力值明顯大于其他監(jiān)測點，也是工字鋼彎曲變形的主要 部位。

（2）回采期地壓明顯大于掘進(jìn)期地壓。由于開挖爆破后，圍巖應(yīng)力重新分布，超前管棚頂部殘礦散體平衡拱破壞；隨著時間向下逐漸坍落，坍落至一定程度后停止，巖體又進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，新的平衡拱形成。

在巷道掘進(jìn)期，受掘進(jìn)爆破振動影響，超前管棚頂部散體垮塌后平衡，從監(jiān)測數(shù)據(jù)和變化趨勢來看，掘進(jìn)期散體地壓偏小。進(jìn)入采場回采期后，采場進(jìn)行拉底爆破和大孔爆破回采后，采場爆破藥量增大，爆破振動效應(yīng)更加劇烈，巷道頂部殘礦散體坍落更加嚴(yán)重，工字鋼梁荷載更大。

4 支護(hù)方案優(yōu)化

4.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

超前管棚支護(hù)參數(shù)優(yōu)化內(nèi)容主要有工字鋼型號和支護(hù)間距。在礦山工程實踐中，加快巷道施工速度有利于礦房盡快形成備采礦量，巷道施工進(jìn)度決定了礦山的三級礦量平衡。因此，在保障巷道掘進(jìn)速度的前提下，本次管棚支護(hù)優(yōu)化重點內(nèi)容為工字鋼強(qiáng)度校核和型號優(yōu)化。

根據(jù)現(xiàn)場地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，20a工字鋼最大彎矩為129.4 kN/m。工字鋼為塑性材料，礦山工況可以允許工字鋼出現(xiàn)一定變形，但不能超過材質(zhì)的極限抗拉強(qiáng)度[7]。工字鋼的極限抗拉強(qiáng)度為610 MPa，安全系數(shù)為1.2。根據(jù)最大彎矩進(jìn)行校核工字鋼Wz。

根據(jù)《熱軋型鋼》（GB/T 706-2016）[8]，應(yīng)選用22a型工字鋼，其Wz=309 cm3。

因此，在保障現(xiàn)有施工進(jìn)度情況下，超前管棚支護(hù)工字鋼型號應(yīng)由20a調(diào)整為22a，保障巷道安全和穩(wěn)定性。

4.2 支護(hù)方案施工要求

（1）加強(qiáng)鎖腳錨桿，減少矩形巷道兩腳垮塌。由于是在松散體介質(zhì)中進(jìn)行施工，在重力的作用下，拱腳位置的頂部松散體容易沿拱形結(jié)構(gòu)切線方向滑落，造成局部垮塌，一般采用增加超前錨桿對局部松散體進(jìn)行加固，鎖住拱腳位置，防止垮塌。

（2）加強(qiáng)門架間連接效果，避免彎曲扭轉(zhuǎn)。現(xiàn)場工字鋼門架出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工字鋼門架支護(hù)效果大大降低，應(yīng)加強(qiáng)門架間連接桿焊接效果，使之形成一個整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，避免門架扭轉(zhuǎn)變形。

（3）加強(qiáng)門架側(cè)向約束和腳底加固效果。應(yīng)加強(qiáng)門架結(jié)構(gòu)側(cè)向錨桿加固效果，避免水平側(cè)向約束失效后兩側(cè)立柱工字鋼向外側(cè)彎曲，呈現(xiàn)“外八字”形態(tài)。矩形門架立柱承擔(dān)主要荷載，應(yīng)保持立柱處于豎直狀態(tài)且加強(qiáng)腳底穩(wěn)固效果，避免結(jié)構(gòu)失效的潛在風(fēng)險。

5 結(jié)論

（1）礦石含硫板結(jié)形成采場殘礦，采用超前管棚支護(hù)保障了巷道掘進(jìn)進(jìn)度，但現(xiàn)場工字鋼支護(hù)出現(xiàn)了一定程度的彎曲、變形。

（2）現(xiàn)場地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，靠近工字鋼頂梁中間位置拉應(yīng)力更大，是工字鋼變形的主要部位。

（3）超前管棚散體地壓受爆破振動影響較大，在巷道掘進(jìn)期工字鋼拉應(yīng)力值低，地壓偏小；進(jìn)入采場回采期，工字鋼拉應(yīng)力逐漸上升后趨于平穩(wěn)，地壓偏大。

（4）在保障現(xiàn)有施工進(jìn)度情況下，超前管棚支護(hù)工字鋼型號應(yīng)由20a調(diào)整為22a，提高工字鋼承載能力，保障巷道安全與穩(wěn)定。