深部高應力巷道彎曲D型鋼管混凝土支架支護分析①

侯元將，左宇軍，陳 斌，鄭祿璟，2，金開玥，孫文吉斌

（1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貞豐 562204）

隨著礦山開采向深部發(fā)展，巷道面臨著高應力、強采動和斷層破碎帶等復雜條件［1-2］。受這些復雜條件的影響，傳統(tǒng)型巷道支護鋼拱架存在支護強度不足、鎖緊力不足、拱架工作阻力較低、受力結(jié)構(gòu)不合理等缺點，易出現(xiàn)局部屈曲、整體折斷以及搭接部位撕裂折損等現(xiàn)象［3-4］，導致支護體系失效，從而使深部巷道圍巖穩(wěn)定性失去控制。拱架支護作為維護巷道自承結(jié)構(gòu)完整性和有效性的主體，是圍巖穩(wěn)定性控制的最后一道防線［5］。深部復雜地質(zhì)條件對圍巖支護形式提出了新的要求，支護能力更大的鋼管混凝土支架作為一種新型支護方式應運而生［6］。

在鋼管混凝土支架的鋼管中注入混凝土，混凝土受外部鋼管的約束作用，處于三向受壓狀態(tài)，其自身抗壓強度得以提高；同時，核心混凝土對外部約束結(jié)構(gòu)（鋼管）提供了支撐作用，鋼管抗彎強度和穩(wěn)定性得以提高，防止了鋼管屈曲凹陷失穩(wěn)。鋼管與混凝土相互作用，能夠產(chǎn)生“力的共生”效應，能有效發(fā)揮材料各自的強度，提高鋼管混凝土支架的承載能力［7-8］。鋼管混凝土支架包含圓形鋼管混凝土支架、方形鋼管混凝土支架、U形鋼管混凝土支架以及彎曲D型鋼管混凝土支架等［9-10］。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，對彎曲D型鋼管混凝土支架開展了系統(tǒng)研究。首先通過理論計算圓形和彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管的抗彎截面系數(shù)，對比分析了2種支架的抗彎性能；然后使用ABAQUS構(gòu)建了圍巖支架耦合模型，研究了2種支架在不同側(cè)壓力系數(shù)下的受力特點與變形破壞特征，并分析了2種支架的支護效果。

1 工程概況

某礦位于貴州省黔西南州貞豐縣境內(nèi)，地處喀斯特地貌區(qū)，地質(zhì)條件復雜。礦區(qū)30 m水平巷道圍巖變形如圖1所示。通過現(xiàn)場照片可以看出，該區(qū)域巷道變形嚴重且兩幫出現(xiàn)局部破壞，由于圍巖大變形，錨網(wǎng)出現(xiàn)破壞斷裂。受多期地質(zhì)構(gòu)造作用，該區(qū)域礦體及圍巖破碎，斷裂構(gòu)造、層理及節(jié)理裂隙發(fā)育。

圖1 巷道大變形

30 m水平巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，在30 m水平進行現(xiàn)場取芯，以RQD指標作為評價巖石質(zhì)量的標準，取芯位置為礦體及其上下盤，所得結(jié)果如表1所示。巷道圍巖穩(wěn)定性差，RQD平均值僅33.75%，屬差等級。根據(jù)現(xiàn)場區(qū)域圍巖裂隙程度，30 m水平巷道圍巖最終被確定為IV級圍巖。30 m中段巷道埋深將近800 m，圍巖所處環(huán)境地應力較高，且水平應力影響顯著，根據(jù)現(xiàn)場地應力測試結(jié)果計算得出該中區(qū)域側(cè)壓系數(shù)約為1.2。針對該巷道支護難題，特提出采用鋼管混凝土支架支護。

表1 RQD統(tǒng)計結(jié)果

2 抗彎承載力理論分析

在實際圍巖支護中，支架處于壓彎組合狀態(tài)；且鋼管混凝土支架中鋼管截面的抗彎截面系數(shù)與支架的抗彎承載力有顯著關(guān)系。圓形和彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管截面的抗彎截面系數(shù)可用于評價2種支架的抗彎性能和抗彎承載力。2種支架的截面如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土支架截面參數(shù)（單位：mm）

2.1 圓形鋼管截面抗彎截面系數(shù)計算

圓形鋼管截面的慣性矩和抗彎截面系數(shù)計算式為：

式中Iz為圓形鋼管截面的慣性矩；D為圓形鋼管截面外徑；d為圓形鋼管截面內(nèi)徑；Wz為圓形鋼管截面的抗彎截面系數(shù)；ymax為鋼管截面形心至鋼管外徑的最大距離。經(jīng)計算得：Iz＝9 023 835.34 mm4，Wz＝120 317.80 mm3。

2.2 彎曲D型鋼管截面抗彎截面系數(shù)計算

彎曲D型實心鋼形狀以及參數(shù)根據(jù)文獻［11］數(shù)值模擬優(yōu)化而來。建立如圖3所示坐標系，該截面由A1，A2，A3組成，其中A1是圓心為O、半徑為R的半圓，A2由2個半徑為r的1／4圓組成，A3為長2（R-r）、寬r的矩形。

圖3 彎曲D型實心鋼截面

彎曲D型實心鋼截面形心縱坐標計算公式為：

式中yc為彎曲D型實心鋼截面形心的縱坐標；Ai為組成彎曲D型實心鋼截面各部分區(qū)域的面積，i＝1，2，3；yi為組成彎曲D型實心鋼截面各部分區(qū)域的形心縱坐標，其計算公式為：

其中R＝80 mm，r＝48 mm，經(jīng)計算得：yc＝59.58 mm。

根據(jù)平行移軸公式，彎曲D型實心鋼截面的慣性矩計算公式為：

式中Iz為實心鋼截面的慣性矩；Izi為組成彎曲D型實心鋼截面各部分區(qū)域的慣性矩；di為各部分區(qū)域形心距實心鋼截面形心的距離。

式中Izg為鋼管截面的慣性矩；r0為A3的內(nèi)徑，r0＝40 mm。經(jīng)計算得：Iz＝27 644 630.40 mm4，Izg＝14 312 922.07 mm4。

彎曲D型鋼管截面的抗彎截面系數(shù)計算公式為：

式中Wz為彎曲D型鋼管截面的抗彎截面系數(shù)；ymax為鋼管截面的形心至鋼管外徑的最大距離，經(jīng)計算得：

Wz＝177 066.52 mm3。

由上述計算結(jié)果可知，彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管抗彎截面系數(shù)是圓形鋼管混凝土支架鋼管抗彎截面系數(shù)的1.47倍。彎曲D型鋼管混凝土支架抗彎性能要強于圓形鋼管混凝土支架的抗彎性能，抗彎承載力也更大。

3 數(shù)值試驗分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件并結(jié)合巷道斷面尺寸，采用ABAQUS有限元軟件建立2種圍巖支架耦合數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 圍巖支架耦合數(shù)值模型

巷道圍巖支架整體模型如圖5（a）所示，長、高、寬尺寸為65 m×65.5 m×3.16 m，巷道斷面尺寸為5 m×5.5 m，其中在鋼管混凝土支架上選取如圖5（a）所示的26個監(jiān)測點，其中1＃、26＃監(jiān)測點位于底角部位，2＃～4＃以及23?！?5＃監(jiān)測點位于支架腿部，5?！?1＃、16?！?2＃號監(jiān)測點位于拱肩部位，12?！?5＃監(jiān)測點則布置于頂拱處。圍巖支架耦合模型受力如圖5（b）所示，其中k為側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實測計算得側(cè)壓力系數(shù)為1.2，且隨著開采向深部發(fā)展，水平應力對巷道穩(wěn)定性的作用愈發(fā)關(guān)鍵，因此k分別取1.0、1.2、1.4。

圖5 巷道圍巖整體模型與圍巖支架力學模型

模型底面設(shè)置為完全固定，限制前后面的法向位移，并在模型頂部和側(cè)面施加均布載荷，即壓強。在數(shù)值模擬過程中，為簡化力學模型，作如下假設(shè)：①假設(shè)圍巖為單一均質(zhì)的理想彈塑性體；②假設(shè)圍巖整體不產(chǎn)生滑移［12］；③不考慮水的影響。鋼管，混凝土以及圍巖材料屬性均按照表2～4設(shè)置，其中混凝土采用ABAQUS中特有的混凝土塑性損傷模型。圍巖、鋼管和混凝土均采用C3D8R單元，支架與圍巖以及鋼管與混凝土之間均設(shè)定為綁定約束。鋼管混凝土支架共設(shè)立4架，間隔為1 m。

表2 20＃無縫鋼管參數(shù)

表3 混凝土參數(shù)

表4 圍巖參數(shù)

3.2 數(shù)值試驗結(jié)果與分析

不同側(cè)壓力系數(shù)下，圓形鋼管混凝土支架和彎曲D型鋼管混凝土支架應力云圖如圖6～7所示。隨著側(cè)壓力系數(shù)增加，圓形鋼管混凝土支架和彎曲D型鋼管混凝土支架的最大應力逐漸增大。側(cè)壓力系數(shù)1.0時，2種支架的最大受力部位均為兩側(cè)的底角，這是由于支架底角處容易產(chǎn)生應力集中。側(cè)壓力系數(shù)1.2和1.4時，2種支架最大受力部位變?yōu)榈捉?頂拱；但側(cè)壓力系數(shù)1.4時，頂拱處最大受力范圍增大，主要原因是隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，頂拱拱形凸顯，受力逐漸增大，最終成為受力極大的部位之一。2種支架的受力均呈對稱分布，且腿部的受力小于底角以及頂拱處。在相同側(cè)壓力系數(shù)條件下，彎曲D型鋼管混凝土支架的最大應力小于圓形鋼管混凝土支架的最大應力，表明彎曲D型鋼管混凝土支架的支護效果要強于圓形鋼管混凝土支架的支護效果，可見彎曲D型鋼管混凝土支架比圓形鋼管混凝土支架在巷道支護方面更具優(yōu)勢。

圖6 不同側(cè)壓力系數(shù)下圓形鋼管混凝土支架應力云圖

圖7 不同側(cè)壓力系數(shù)下彎曲D型鋼管混凝土支架應力云圖

提取2種支架在不同側(cè)壓力系數(shù)下各監(jiān)測點的變形數(shù)據(jù)并繪制成曲線，如圖8所示。各支架變形量與側(cè)壓力系數(shù)呈正相關(guān)，頂拱處變形量增幅明顯大于兩側(cè)底角處變形量增幅。2種支架的最大變形量均小于13 mm，底角處變形量均在8.6～9.5 mm之間。側(cè)壓力系數(shù)1.4時，彎曲D型鋼管混凝土支架與圓形鋼管混凝土支架的最大變形量分別為11.95 mm與12.45 mm，說明彎曲D型鋼管混凝土支架在深部高應力巷道中有更好的支護效果。2種支架的最大變形量均在頂拱處，最小變形量均在兩側(cè)底角。但底角部位容易產(chǎn)生應力集中，從而使其局部破壞，進一步影響支架的穩(wěn)定性。因此要加強對支架兩側(cè)底角的監(jiān)測，防范其先破壞。隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，頂拱拱形開始逐漸凸顯。側(cè)壓力系數(shù)1.4時，頂拱受力最大。

圖8 不同側(cè)壓力系數(shù)下支架變形曲線

提取2種支架在相同側(cè)壓力系數(shù)條件下各監(jiān)測點的變形量并繪制成曲線，如圖9所示。相同側(cè)壓力系數(shù)條件下，對于相同監(jiān)測點，彎曲D型鋼管混凝土支架變形量均小于圓形鋼管混凝土支架變形量，表明彎曲D型鋼管混凝土支架的支護效果要優(yōu)于圓形鋼管混凝土支架，彎曲D型鋼管混凝土支架在深部高應力巷道支護方面更具優(yōu)勢。

圖9 相同側(cè)應力系數(shù)下2種支架變形量對比

4 結(jié) 論

1）通過理論分析得出彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管截面的抗彎截面系數(shù)是圓形鋼管混凝土支架鋼管截面抗彎截面的1.47倍，前者抗彎性能、抗彎承載力均強于后者。

2）2種支架受力均呈對稱分布，頂拱處變形量均高于底角處。當側(cè)壓力系數(shù)變大，2種支架的最大受力部位由底角變?yōu)榈捉?頂拱，且兩者變形量均有所增大，頂拱拱形逐漸凸顯。

3）相比于圓形鋼管混凝土支架，彎曲D型鋼管混凝土支架的受力及變形量更小，具有更大的承壓載荷且抗彎性能更好，在深部高應力巷道支護上更具優(yōu)勢，能更好地解決深部高應力巷道支護難題。