不同應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土支架支護(hù)性能模擬分析及應(yīng)用研究

魏禮剛 王 軍 陳冰慧

(1.山東能源新礦集團(tuán)華豐煤礦，山東省泰安市，271413；2. 山東建筑大學(xué)，山東省濟(jì)南市，250101；3. 山東深博巷道支護(hù)技術(shù)有限公司，山東省濟(jì)南市，250022)

在深井軟巖巷道支護(hù)中，受高地應(yīng)力、高地溫、高滲透水壓和強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)影響，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度30 MPa以上的中硬巖層表現(xiàn)出了軟巖工程特點(diǎn)，巷道出現(xiàn)大變形，常規(guī)支護(hù)措施往往難以奏效，返修率不斷提高，支護(hù)成本大幅增加。此外，巷道變形也表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性：當(dāng)圍巖垂向荷載較大時(shí)，巷道變形表現(xiàn)為頂板下沉和底鼓；當(dāng)圍巖水平荷載較大時(shí)，巷道變形表現(xiàn)為兩幫收斂；當(dāng)巷道垂向荷載和水平荷載相近且都比較大時(shí)，巷道變形會(huì)最先出現(xiàn)在支護(hù)薄弱點(diǎn)，然后向周邊擴(kuò)散發(fā)展，直到巷道發(fā)生整體破壞。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(jià)比和施工簡單等特點(diǎn)。近年來，鋼管混凝土支架已經(jīng)應(yīng)用于全國近30個(gè)工程項(xiàng)目，在深井軟巖巷道支護(hù)中表現(xiàn)出良好的實(shí)踐效果。

一些學(xué)者針對鋼管混凝土支架在深井軟巖巷道中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要集中于鋼管混凝土支架在深井軟巖巷道的應(yīng)用實(shí)踐。但對于不同圍巖應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土支架的變形與應(yīng)力變化特征研究不多。本文以華豐煤礦-1100 m水平大巷為工程背景，模擬3種圍巖應(yīng)力狀態(tài)：以垂向荷載為主的圍巖應(yīng)力狀態(tài)、以水平荷載為主的圍巖應(yīng)力狀態(tài)和近似靜水壓力的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，以常用的直墻半圓拱巷道斷面設(shè)計(jì)鋼管混凝土支架，采用有限元軟件ABAQUS模擬分析不同應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土支架的結(jié)構(gòu)受力和變形特征，通過對支架變形破壞關(guān)鍵位置的分析，提出曲墻圓弧拱支架這種合理結(jié)構(gòu)，最后將曲墻圓弧拱支架應(yīng)用于華豐煤礦-1100 m水平大巷的鋼管混凝土支架支護(hù)實(shí)踐中。

1 工程概況

華豐煤礦-1100 m水平大巷埋深1230 m，布置在6號(hào)煤層底板巖石中，與6號(hào)煤層水平距離50 m，巷道掘進(jìn)揭露煤巖層依次為8(2)號(hào)煤層、中砂巖、8(1)號(hào)煤層、粉砂巖、7(3)煤層、泥灰?guī)r、粉砂巖、細(xì)砂巖和7(2)煤層。穿層圍巖主要為粉砂巖，巖層傾角31°～33°，巖石單向抗壓強(qiáng)度30～40 MPa，圍巖參數(shù)見表1。

表1 巷道圍巖參數(shù)表

-1100 m水平大巷斷面為直墻半圓拱，使用時(shí)間已接近10年，經(jīng)歷多次返修，最近兩次返修支護(hù)方式分別為全斷面雙層錨網(wǎng)噴支護(hù)與錨網(wǎng)噴+U36型鋼支架復(fù)合支護(hù)。錨桿參數(shù)為：直徑22 mm，長2200 mm的全螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm×1000 mm；噴層參數(shù)為：?5 mm鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100 mm×100 mm，噴層混凝土強(qiáng)度等級C20；型鋼支架參數(shù)：壓力較大地段采用早期U29型鋼支架，后期U36型鋼支架，直墻半圓拱形無反底拱，間距800～1000 mm。受高地壓、構(gòu)造應(yīng)力及6號(hào)煤層工作面采動(dòng)影響，巷道變形具有明顯的非對稱性或尖頂?shù)痊F(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)典型變形圖

2 巷道破壞原因及初步返修設(shè)計(jì)

2.1 原有支護(hù)破壞因素分析

2.1.1 巷道埋深大、地壓高

-1100 m水平大巷埋深1200～1250 m，取上覆巖層平均重度25 kN/m3，則垂向地應(yīng)力30～31.25 MPa，而-1100 m水平大巷周邊圍巖抗壓強(qiáng)度為30～40 MPa，應(yīng)力強(qiáng)度比值接近1；同時(shí)地應(yīng)力測試顯示-1100 m水平大巷水平地應(yīng)力略高于垂向地應(yīng)力，故圍巖表現(xiàn)出軟巖特征。

2.1.2 圍巖強(qiáng)流變易擾動(dòng)

監(jiān)測顯示，-1100 m水平大巷支護(hù)后沒有穩(wěn)定期，不論返修多少次，大巷始終處于變形狀態(tài)中，主要是由于千米深井圍巖壓力大且接近或超過巖石長期穩(wěn)定強(qiáng)度所致。強(qiáng)流變狀態(tài)下，圍巖極易受擾動(dòng)影響，上覆6號(hào)煤層與-1100 m水平大巷距離較近，如圖2所示，6號(hào)煤層工作面開采擾動(dòng)加速了-1100 m水平大巷圍巖變形。

2.1.3 非對稱擠壓作用

由圖2可知，煤巖混合層強(qiáng)度較低，受上下粉砂巖層擠壓作用，容易產(chǎn)生垂直巖層節(jié)理面的壓縮；同時(shí)，多次返修清除的渣土是軟弱煤巖混合層破碎體，最終表現(xiàn)為典型非對稱變形。

圖2 -1100 m水平大巷巖層層狀圖

根據(jù)破壞因素分析，返修應(yīng)選用承載力較強(qiáng)的外部支護(hù)體，不但單純運(yùn)用錨網(wǎng)噴調(diào)動(dòng)圍巖自承載力，同時(shí)，反底拱要進(jìn)行支護(hù)形成封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)，擬采用鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)噴的復(fù)合支護(hù)技術(shù)。

2.2 返修方案初步設(shè)計(jì)

依據(jù)-1100 m水平大巷原有斷面初步設(shè)計(jì)直墻半圓拱形鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)噴復(fù)合支護(hù)返修方案，直墻段與反底拱之間拐角鋼管切斜口焊接而成，復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

為預(yù)防過渡拐角處鋼管開裂，同時(shí)設(shè)計(jì)曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)噴復(fù)合支護(hù)，曲墻段與反底拱之間采用圓弧過渡，過渡中點(diǎn)設(shè)接頭套管，如圖4所示。

圖3 直墻半圓拱形復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)

圖4 曲墻半圓拱形復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)

鉆孔應(yīng)力監(jiān)測顯示，受上覆巖層構(gòu)造應(yīng)力作用，-1100 m水平大巷圍巖主應(yīng)力方向在穿層過程存在變化。為研究鋼管混凝土支架在不同圍巖應(yīng)力狀態(tài)下支護(hù)性能，驗(yàn)證鋼管混凝土支架的支護(hù)適用性，采用ABAQUS數(shù)值分析軟件對直墻半圓拱形鋼管混凝土支架和曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架做模擬分析，模擬不同應(yīng)力狀態(tài)下支護(hù)性能。

3 鋼管混凝土支架模擬分析

3.1 數(shù)值分析模型建立

以鋼管混凝土支架為研究對象，選擇支架周圍一定范圍內(nèi)的圍巖輔助支護(hù)模擬。計(jì)算模型大小為一架支架的支護(hù)范圍，即長12 m、寬12 m、厚度0.8 m，模型底部限定位移。其中，曲墻半圓拱形支架模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值分析模型圖

模型圍巖參數(shù)以粉砂巖參數(shù)為準(zhǔn)，鋼管采用彈塑性模型，鋼管應(yīng)力與塑性應(yīng)變的關(guān)系見表2，混凝土采用塑性損傷模型。鋼管混凝土采用Mises屈服準(zhǔn)則，即通過一個(gè)等效量替代多個(gè)應(yīng)力張量將復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)模擬成一維狀態(tài)。

表2 鋼管和混凝土材料參數(shù)

假定核心混凝土完全充填鋼管，在加載過程中鋼管和核心混凝土沒有相對滑動(dòng)，接觸采用自動(dòng)耦合辦法處理。邊界條件設(shè)定為：模型底部采用嵌固邊界，限制各個(gè)方向的位移，采用大變形模式。通過模型頂部和兩幫對模型逐漸施加切向荷載即壓應(yīng)力，直至鋼管混凝土支架破壞為止。

3.2 模型加載設(shè)計(jì)

垂向地壓隨巷道埋深的增加呈現(xiàn)線性增長，因此以垂向地壓σz為基礎(chǔ)，將圍巖應(yīng)力狀態(tài)分為3種：等壓應(yīng)力狀態(tài)(σh=σz)；垂向主應(yīng)力狀態(tài)(σz>σh，σh=0.7σz)；水平主應(yīng)力狀態(tài)(σz<σh，σh=1.3σz)。

根據(jù)3種圍巖應(yīng)力狀態(tài)分別設(shè)計(jì)3種加載方式，垂向地壓初始值σz=0 MPa，加載時(shí)σz按照0.2 MPa/級均勻增加，按不同應(yīng)力狀態(tài)下的對應(yīng)關(guān)系σh隨σz均勻變化，直到支架屈服破壞。兩種斷面支架的數(shù)值模型加載設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 數(shù)值分析加載設(shè)計(jì)圖

3.3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

計(jì)算完成后分析不同應(yīng)力狀態(tài)下鋼管混凝土支架的支護(hù)反力、支架變形量和破壞方式。

3.3.1 支護(hù)反力分析

支護(hù)反力是支架對圍巖的支撐能力，取支架半圓形拱頂段進(jìn)行研究，假設(shè)拱頂段支護(hù)反力大小一致、分布均勻，提取拱頂段兩端軸力N，支架拱頂段支護(hù)反力計(jì)算原理圖如圖7，通過式(1)，可求得拱頂屈服前的最大支護(hù)反力如表3所示。

圖7 支架拱頂段支護(hù)反力計(jì)算原理圖

(1)

式中：s——支架間距，即計(jì)算模型厚度，取0.8 m；

R——支架半圓拱半徑，取2.597 m；

σ——支架的支護(hù)反力，MPa；

N——半圓拱端面軸力，kN。

表3 鋼管混凝土支架支護(hù)反力表

由表3可以看出，曲墻半圓拱形支架支護(hù)反力在3種圍巖應(yīng)力狀態(tài)下均優(yōu)于直墻半圓拱形支架。對于兩種斷面支架而言，都是垂向地壓與水平地壓等壓狀態(tài)下，支護(hù)反力最大；而其他兩種地壓狀態(tài)差別不大。

3.3.2 支架變形量分析

支架變形主要包括拱頂下沉和兩幫收斂。隨著圍巖承受荷載增加，支架前期微變形；當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，支架開始產(chǎn)生變形且變形速度不斷增加，直到支架變形過大而破壞。提取最大支護(hù)反力對應(yīng)的支架極限變形量見表4，支架位移云圖如圖8所示。

表4 鋼管混凝土支架極限變形量

由表4可以看出，各種圍巖應(yīng)力狀態(tài)下，曲墻半圓拱封閉型鋼管混凝土支架的極限變形量都比直墻對應(yīng)支架的極限變形量大，同時(shí)主應(yīng)力對應(yīng)方向的變形量略大。在以水平地壓為主的狀態(tài)下，支架變形量最大。

3.3.3 支架破壞方式

鋼管混凝土采用Mises屈服準(zhǔn)則，當(dāng)鋼管混凝土支架局部單元體屈服破壞時(shí)模型停止運(yùn)算。3種圍巖應(yīng)力狀態(tài)下破壞方式分析分別見表5、表6和表7，鋼管混凝土支架破壞如圖9所示。

圖8 鋼管混凝土支架位移云圖

分類直墻半圓拱支架曲墻半圓拱支架破壞位置底角焊縫反底拱段破壞方式焊縫受拉開裂鋼管局部應(yīng)力屈服破壞原因焊接位置鋼管變形大導(dǎo)致焊縫外側(cè)拉應(yīng)力集中反底拱曲率半徑過大支架底鼓導(dǎo)致鋼管局部應(yīng)力屈服

表6 垂向主應(yīng)力狀態(tài)下的破壞方式分析

通過數(shù)值模擬分析可知，等壓狀態(tài)鋼管混凝土支架支護(hù)性能最優(yōu)，垂向主應(yīng)力狀態(tài)次之，水平主應(yīng)力狀態(tài)最差；曲墻半圓拱形狀支架支護(hù)性能優(yōu)于直墻半圓拱形支架，特別是底角支護(hù)效果好。

表7 水平主應(yīng)力狀態(tài)下的破壞分析

圖9 鋼管混凝土支架Mises云圖

4 鋼管混凝土支架支護(hù)實(shí)踐

4.1 支護(hù)實(shí)踐過程

2010年8月份，-1100 m水平大巷采用鋼管混凝土支架+錨網(wǎng)噴返修支護(hù)，為進(jìn)一步驗(yàn)證支架斷面差異，分別進(jìn)行了直墻半圓拱與曲墻圓弧拱鋼管混凝土支架工程對比實(shí)踐。鋼管混凝土支架型號(hào)?194 mm×8 mm，支架間距800 mm；錨桿采用?22 mm×2400 mm左旋螺紋錨桿，間排距1000 mm×800 mm，鋼筋網(wǎng)采用鋼筋焊接而成的2000 mm×1000 mm網(wǎng)片，噴射混凝土強(qiáng)度等級C20；巷道周邊預(yù)留變形空間寬度150 mm，支架壁后水泥背板插花式排列。

基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案實(shí)施后，-1100 m水平大巷穩(wěn)定性良好，復(fù)合支護(hù)前兩年兩種斷面支架均無明顯變形，支護(hù)效果如圖10所示。2013年3月份開始，直墻半圓拱支架底角焊口出現(xiàn)開裂，而曲墻半圓拱支架底角處無明顯變化，鋼混支架底角變化對比如圖11所示。采用外包鋼箍方式加固直墻半圓拱支架底角，有效抑制了底角引起的支架變形。

圖10 基于曲墻半圓拱鋼混支架的復(fù)合支護(hù)效果

圖11 鋼混支架底角變化對比圖

2010-2016年期間，基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)兩側(cè)的錨網(wǎng)噴支護(hù)及U型鋼支護(hù)共臥底7次，小修3次，大修2次，而基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)基本無明顯變形，僅進(jìn)行2次壁后卸壓處理。2016年底至2017年4月份，-1100 m水平大巷受上覆煤層采動(dòng)影響，整條巷道出現(xiàn)明顯變形，基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)段先出現(xiàn)底鼓變形，緊接著支架反底拱凸起，隨后2～3個(gè)月支架兩幫向內(nèi)側(cè)變形，在肩部出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，因此動(dòng)壓擾動(dòng)條件下的鋼管混凝土支架承載性能將是下一步的重點(diǎn)研究問題。

4.2 支護(hù)變形監(jiān)測分析

采用十字布點(diǎn)法對兩種復(fù)合支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測，并繪制變形監(jiān)測曲線如圖12所示。監(jiān)測曲線表明，基于曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)方案支護(hù)效果優(yōu)于直墻半圓拱形鋼混支架復(fù)合方案，特別是兩幫變形對比明顯。

圖12 巷道變形監(jiān)測曲線

5 結(jié)論與建議

5.1 主要結(jié)論

(1)華豐煤礦-1100 m水平大巷埋深大、強(qiáng)流變、受非對稱擠壓力、構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、存在動(dòng)壓擾動(dòng)，導(dǎo)致支護(hù)困難，且支護(hù)后巷道不易穩(wěn)定，采用高強(qiáng)支護(hù)是必然趨勢。

(2)設(shè)計(jì)直墻半圓拱形鋼管混凝土支架和曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架兩種斷面，經(jīng)模擬分析，曲墻半圓拱形支架優(yōu)于直墻半圓拱形支架，焊縫式拐角是個(gè)薄弱點(diǎn)，容易導(dǎo)致直墻半圓拱形支架提前破壞；等壓狀態(tài)鋼管混凝土支架支護(hù)性能最優(yōu)，垂向主應(yīng)力狀態(tài)次之，水平主應(yīng)力狀態(tài)最差。

(3)基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)應(yīng)用于-1100 m水平大巷后，巷道持續(xù)穩(wěn)定5年左右，總體支護(hù)效果良好，實(shí)現(xiàn)了-1100 m水平大巷長期穩(wěn)定。實(shí)踐驗(yàn)證曲墻半圓拱形支架支護(hù)效果良好，相同荷載作用下變形小于直墻半圓拱，且不存在明顯薄弱點(diǎn)。但鋼管混凝土支架抵抗動(dòng)壓擾動(dòng)效果不良，最終受動(dòng)壓作用破壞。

5.2 研究建議

-1100 m水平大巷基于鋼管混凝土支架的復(fù)合支護(hù)應(yīng)用5年后受上覆煤層采掘擾動(dòng)破壞，且破壞速度較快；除鋼管混凝土支架外，其他支護(hù)系統(tǒng)在動(dòng)壓擾動(dòng)作用也無一幸免，且采動(dòng)作用作為煤礦巷道的主要影響因素不能避免。因此建議將動(dòng)壓擾動(dòng)作用下鋼管混凝土支架的支護(hù)性能研究作為一個(gè)理論問題，進(jìn)行深入研究。

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