鋼管混凝土支架承載性能試驗與工程應(yīng)用

馬錦偉 楊柳 馮紹偉

(1. 山東能源新礦集團華豐煤礦,山東泰安 271416;2. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083)

鋼管混凝土支架承載性能試驗與工程應(yīng)用

馬錦偉1楊柳2馮紹偉2

(1. 山東能源新礦集團華豐煤礦,山東泰安 271416;2. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083)

鋼管混凝土支架具有良好的承載能力,應(yīng)用于深井巷道支護具有良好的支護效果。本文針對鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu),設(shè)計了Φ194×8鋼管混凝土支架,試驗中著重考察支架的荷載—位移曲線、極限承載力與支架破壞方式。并將鋼管混凝土支架應(yīng)用山東能源新礦集團華豐煤礦深井巷道支護,取得良好的支護效果,實驗與工程應(yīng)用證明鋼管混凝土支架的具有較高的承載能力,解決深井巷道難支護問題具有突出優(yōu)勢。

鋼管混凝土支架 承載能力實驗 深井巷道支護

鋼管混凝土材料具有優(yōu)良承壓性能,以其為基本材料做成的鋼管混凝土支架具有高承載力、高性價比和施工簡單等特點[1~2],鋼管混凝土支架應(yīng)用煤礦可以解決深井巷道難支護問題,并已經(jīng)取得優(yōu)良成果[3~5]。本文設(shè)計了鋼管混凝土支架力學性能試驗,并將鋼管混凝土支架應(yīng)用山東能源新礦集團華豐煤礦深井巷道支護,取得良好的支護效果。

1 鋼管混凝土支架試驗設(shè)計

1.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

支架斷面形狀為淺底拱圓形;凈寬4000mm凈高3800mm。鋼管混凝土支架所選鋼管規(guī)格為Φ194×8,即鋼管管194mm,壁厚6mm。鋼管材質(zhì)為20#碳素結(jié)構(gòu)用無縫鋼管。支架由四段弧組成:頂弧段、左右?guī)投魏头吹坠?各段之間采用接頭套管相連。

圖1 支架加載約束設(shè)計圖

圖2 支架實際加載圖

圖3 垂向荷載-垂向位移曲線

圖4 垂向荷載-水平位移曲線

2.2 加載約束設(shè)計

在支架頂部1500mm范圍內(nèi)加載,采用靜力單調(diào)連續(xù)加載方法。為模擬巷道支護中鋼管混凝土支架的受力狀態(tài),制作支架底座和水平拉桿約束,試驗中淺底拱圓形鋼管混凝土安放在與反底拱弧度一樣的支架底座上,水平方向布置3對拉桿,使支架水平上內(nèi)力自平衡,頂部施加荷載。支架約束設(shè)計與加載如（圖1、2)所示。

2 φ194×8淺底拱圓形支架試驗結(jié)果分析

2.1 荷載—位移曲線分析

圖5 φ194×8型鋼管混凝土支架右肩套管破壞情況

圖6 -1100m水平大巷變形圖

圖7 鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖8 鋼管混凝土支架支護效果

φ194×8型鋼管混凝土支架極限荷載為2035kN,垂向位移為130mm,水平相對分離位移28mm。荷載施加過程中,支架無明顯變形,荷載值達到極限荷載后,支架亦無明顯變形破壞,支架承載力不降低,此時加載油缸行程達到最大值,試驗結(jié)束。通過實驗數(shù)據(jù)分析得出支架荷載-垂向位移曲線和荷載-水平位移曲線,分別如(圖3)和(圖4)所示。

通過垂向荷載—垂向位移曲線可以看出,φ194×8型支架受力變形明顯分為4個階段:

第一階段,支架整體壓實階段,荷載范圍0～350kN,垂向位移范圍是0～10mm。在此階段內(nèi),支架整體、試驗平臺、加載裝置以及固定裝置之間相互壓實,試件無明顯變形。第二階段,支架彈性變形階段,荷載范圍350～2000kN,垂向位移范圍10～90mm。在此階段內(nèi),支架垂向位移與荷載是線性關(guān)系,支架整體最大垂向位移為90mm,左側(cè)點和右側(cè)點水平位移分別為15mm和13mm,左右測點相對分離,試件無明顯變形破壞。第三階段,支架塑性變形階段,荷載大概范圍是2000～2035kN,垂向位移范圍是90～130mm。在此階段內(nèi),荷載經(jīng)過短暫波動紅進入平穩(wěn)期,荷載值不再增加,保持在2000～2035kN,垂向位移持續(xù)增長,支架整體最大垂向位移增長到130mm,因油缸行程有限,加載千斤頂不能隨支架繼續(xù)變形,開始卸載。第四階段,卸荷階段,荷載逐漸減小,直至為零,在此階段,支架部分位移恢復(fù),其中垂向位移恢復(fù)近40mm,左右測點水平位移恢復(fù)6mm。

荷載-位移曲線表明,φ194×8型鋼管混凝土支架的整體承載力較高,變形穩(wěn)定,支架整體結(jié)構(gòu)的荷載屈服點約2000kN。

2.2 鋼管混凝土支架破壞分析

φ194×8型鋼管混凝土支架卸荷拆除后,兩肩部接頭套管處鋼管均出現(xiàn)內(nèi)側(cè)鼓包和外側(cè)與套管分離破壞形式,剖開鋼管可以看到核心混凝土已經(jīng)開裂破壞。支架右肩套管處破壞情況與核心混凝土破壞如(圖5)所示。

淺底拱圓形支架的實測整體結(jié)構(gòu)承載力略低于短柱承載力,充分說明淺底拱圓形斷面結(jié)構(gòu)形式可靠,按照該形狀設(shè)計的支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,圓弧拱受力后可以良好的轉(zhuǎn)化為軸向壓力。

3 鋼管混凝土支架在深井巷道支護中的應(yīng)用

華豐煤礦具有百年開采歷史,更以千米深井著稱,-1100m水平為礦井的第五生產(chǎn)水平,五水平共有四、六層煤兩層可采煤層,煤層間距為39米,由于四層煤具有強烈沖擊傾向性,五水平采用先采六層煤后采四層煤的解放層開采順序[6～7]。-1100m水平大巷布置在六層煤底板巖石中,與六層煤水平距離50米。因此-1100m水平大巷等巷道將受到四、六層工作面兩次采動影響。

(1)-1100m水平大巷地質(zhì)條件。-1100m水平大巷埋深1230m,該區(qū)煤巖層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)比較簡單,所穿過巖石大部分為粉砂巖、中砂巖,巖石單向抗壓強度30MPa～40MPa,垂向地應(yīng)力32Mpa,水平構(gòu)造應(yīng)力35～47MPa之間。

(2)-1100m水平大巷支護現(xiàn)狀及破壞分析。-1100m水平大巷斷面為直墻半圓拱,全斷面一次成巷施工。臨時支護初噴50mm厚混凝土;永久支護為噴錨噴+錨網(wǎng)噴。壓力較大地段采用U29型鋼支架加強支護,有底鼓地段采用加底拱的支護方式。-1100m水平大巷掘進3個月后巷道不能穩(wěn)定,變形過大,開始返修,返修采用全面架設(shè)U29型鋼支架支護方式。返修后巷道受到六層煤采動影響,巷道再次破壞,頂板嚴重下沉,兩幫嚴重收斂,并具有明顯的方向性和不對稱性。巷道和支架變形破壞狀態(tài)如圖6所示。

通過對-1100m水平大巷的分析,其變形破壞原因:1)巷道埋深大,埋深1230～1250m,圍巖荷載超過巖石單軸抗壓強度;2)采動影響,先受六層煤動壓影響,后受四層煤動壓影響,采動破壞具有明顯一致性,是巷道不對稱變形的主要原因;3)現(xiàn)有支護體強度不足,僅使用錨網(wǎng)噴、U29型鋼支架常規(guī)支護措施,承載能力不足。擬采用基于淺底拱圓形鋼管混凝土支架的復(fù)合支護方案。

(3)鋼管混凝土支架復(fù)合支護技術(shù)實施。

①支架結(jié)構(gòu)設(shè)計。巷道斷面尺寸為凈寬5000mm,凈高3900mm。支架型號φ194×8,鋼管單位重量36.7kg/m,支架結(jié)構(gòu)分為四節(jié):頂弧段、兩幫段和反底拱,各段間采用接頭套管連接。支架上部為四分之三圓形,下部為較大曲率反底拱。支架結(jié)構(gòu)如圖7所示。采用淺底拱圓形后可以使底板開挖深度由圓形的2066mm減小到1044mm,節(jié)省開挖深度1022mm,可極大降工程量。

②巷道支護效果監(jiān)測。支護完成后,對-1100m水平大巷進行三個月的巷道表面收斂監(jiān)測,監(jiān)測表明巷道頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繕O值為115mm,而兩幫相對位移量極值為100mm,均滿足巷道圍巖穩(wěn)定的要求。通過支護前后的巷道變形對比表明,鋼管混凝土支架支護效果明顯好于原支護方案,維持了-1100m水平大巷圍巖的穩(wěn)定,如(圖8)所示。

4 主要結(jié)論

(1)鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)合理,承載力高,凈寬4000mm、凈高3800mm的淺底拱圓形φ194×8鋼管混凝土支架承載力可達2035kN。(2)-1100m水平大巷埋深在1230m,巷道所處巖層多為砂巖,圍巖荷載大于巖石強度,巷道破壞嚴重,常規(guī)的錨網(wǎng)噴支護和U型鋼支護已完全不能滿足支護要求。(3)采用φ194×8mm鋼管混凝土支架支護,間距800mm,輔以簡單錨網(wǎng)支護,并設(shè)置預(yù)留變形空間,可以有效保證-1100m水平大巷支護穩(wěn)定。

[1]蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(修訂版)[M].北京:人民交通出版社,2007．

[2]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004.

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馬錦偉,男,1979年,山東泰安人,山東能源新礦集團華豐煤礦,主要從事掘進開拓工作。