頂升可縮式鋼管混凝土支柱試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用

王 軍，楊 光，黃萬(wàn)朋，張 濤，邢魯義

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101；3.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.臨礦集團(tuán)魯西煤礦，山東 濟(jì)寧 273512)

沿空留巷是我國(guó)煤礦開采技術(shù)的一次重大變革，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)采礦方式中保護(hù)煤柱的回采，避免工作面推進(jìn)過(guò)程中因煤柱應(yīng)力集中造成的危害，同時(shí)在降低巷道掘進(jìn)率、充分回收煤炭資源、緩解接續(xù)緊張、實(shí)現(xiàn)工作面Y型通風(fēng)等方面具有重要意義。沿空留巷中的巷旁支護(hù)體既要支撐上覆巖體保持留巷穩(wěn)定，又要隔絕采空區(qū)，防止采空區(qū)漏風(fēng)，是沿空留巷能否成功的關(guān)鍵體。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)沿空留巷巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)存在的初撐力低、增阻速度慢、支護(hù)阻力不足等工程問題進(jìn)行了大量研究?？导t普、吳擁政等采用定向水力壓裂技術(shù)消除懸頂效應(yīng)，切斷護(hù)巷煤柱上方堅(jiān)硬頂板，轉(zhuǎn)移護(hù)巷煤柱的高采動(dòng)應(yīng)力，改善留巷受力狀態(tài)。陳勇、周華強(qiáng)等對(duì)高水速凝充填材料及膏體材料等巷旁充填沿空留巷技術(shù)進(jìn)行研究，建立巷旁充填支護(hù)力學(xué)模型，并確定了合理的巷旁支護(hù)體寬度。胡明明等通過(guò)墩柱壓力試驗(yàn)及力學(xué)模型計(jì)算，提出采用墩柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行沿空留巷支護(hù)，針對(duì)可縮性墩柱支護(hù)強(qiáng)度不足的問題采取相應(yīng)的加筋補(bǔ)強(qiáng)措施。付玉凱、吳擁政等提出煤柱留巷“卸壓-支護(hù)-注漿”協(xié)同控制技術(shù)，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行遠(yuǎn)、近場(chǎng)卸壓，利用“四高”錨索主動(dòng)支護(hù)結(jié)合套管和注漿技術(shù)，提高巷道圍巖穩(wěn)定。何滿潮、王琦等開展N00工法的地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)，得到了自成巷圍巖變形控制機(jī)制，形成了無(wú)煤柱自成巷N00工法的開采體系。王炯等開展110工法模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)頂板預(yù)裂切縫，切斷頂板與采空區(qū)的應(yīng)力傳遞路徑，減小上部巖層的回轉(zhuǎn)下沉。王軍、黃萬(wàn)朋等提出將鋼管混凝土支柱支護(hù)與矸石墻護(hù)巷結(jié)合的沿空留巷技術(shù)，對(duì)鋼管混凝土支柱承載力計(jì)算理論和留巷穩(wěn)定性進(jìn)行研究。謝生榮等依據(jù)對(duì)關(guān)鍵塊B不同下沉量圍巖響應(yīng)特征的研究，提出采用鋼管混凝土組合支架+柔性墊層與錨桿索聯(lián)合進(jìn)行充填體側(cè)巷旁支護(hù)，有效控制了深部大采高沿空留巷圍巖變形。

上述理論與實(shí)踐研究為巷旁支護(hù)技術(shù)提供了很好的借鑒，其中鋼管混凝土支柱憑借其高強(qiáng)承載力，在沿空留巷工程中得到廣泛應(yīng)用，能夠有效控制頂板下沉。但隨著工作面推進(jìn)，頂板來(lái)壓特征逐漸明顯，鋼管混凝土支柱存在以下問題：① 承載力雖高，但支柱不能有效讓壓，容易壓彎；② 與支柱配合的可縮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可縮量較小或不易控制；③ 鋼管混凝土支柱安裝時(shí)靠木楔等結(jié)構(gòu)接頂，施工不便，接頂效果差，初撐力小，穩(wěn)定性差。由此，筆者提出頂升可縮式鋼管混凝土支柱結(jié)構(gòu)，將可縮結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土支柱相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了支柱合理讓壓與高強(qiáng)支頂組合效果，開展了鋼管混凝土支柱的可縮與承載試驗(yàn)研究，并在山東魯西煤礦3A02工作面進(jìn)行了沿空留巷實(shí)踐。

1 基于頂升可縮式鋼管混凝土支柱的沿空留巷方法

1.1 頂升可縮式鋼管混凝土支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂升可縮式鋼管混凝土支柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上節(jié)柱、下節(jié)柱、可縮結(jié)構(gòu)和內(nèi)部混凝土。通過(guò)注漿孔向下節(jié)柱腔體內(nèi)注入混凝土，混凝土在充填壓力作用下頂升上節(jié)柱，實(shí)現(xiàn)支柱帶壓接頂。混凝土摻有早強(qiáng)劑、減水劑和高強(qiáng)纖維材料，具備快硬和高強(qiáng)特性。內(nèi)部混凝土在鋼管的約束下承載力大幅提高，鋼管內(nèi)充滿混凝土增加了管壁的穩(wěn)定性，防止其壓屈變形，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

圖1 頂升可縮式鋼管混凝土支柱結(jié)構(gòu)

采用頂升可縮式鋼管混凝土支柱作為巷旁支護(hù)主體結(jié)構(gòu)，具有以下特征：① 支柱上腔內(nèi)置可縮結(jié)構(gòu)，頂板來(lái)壓作用下支柱能有效讓壓，避免支柱集中受力造成的壓彎破壞；② 可縮結(jié)構(gòu)成本低且便于加工，壓縮量可達(dá)300 mm以上，且在外部鋼管的約束作用下，內(nèi)置可縮結(jié)構(gòu)具有較高承載力，實(shí)現(xiàn)“增阻讓壓”；③ 頂升支柱安裝簡(jiǎn)單、注漿方便、注漿頂升，帶壓接頂效果好，初撐力較高。

1.2 以頂升可縮式鋼管混凝土支柱為基礎(chǔ)沿空留巷方法

建立“以頂升可縮式鋼管混凝土支柱+控頂錨索為巷旁支護(hù)、以擋風(fēng)簾+網(wǎng)噴層隔絕采空區(qū)”的沿空留巷方法，具體包括：① 控頂錨索在靠近采空區(qū)側(cè)提前施打，利用錨索對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)；② 于工作面空間鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，并在雙層鋼筋網(wǎng)中間加設(shè)一層風(fēng)筒布，隨工作面推進(jìn)頂板垮落，在控頂錨索和鋼管混凝土立柱雙重約束下，垮落區(qū)鋼筋網(wǎng)下翻隔絕采空區(qū)；③ 緊貼端頭液壓支架后部沿采空區(qū)架設(shè)空鋼管支柱，支柱上腔預(yù)置可縮結(jié)構(gòu)，對(duì)空鋼管支柱進(jìn)行注漿，通過(guò)注漿頂升，上節(jié)管帶壓接頂，對(duì)留巷頂板形成初撐力，完成支柱立設(shè)；④ 支柱使用過(guò)程中，頂板壓力超過(guò)可縮結(jié)構(gòu)讓壓承載力后，可縮結(jié)構(gòu)壓縮，適應(yīng)頂板下沉，支柱實(shí)現(xiàn)讓壓，讓壓過(guò)程中支柱承載力先增大、后恒阻再增阻，直至支柱承載力與頂板荷載匹配實(shí)現(xiàn)頂板穩(wěn)定，即留巷穩(wěn)定。

2 沿空留巷巷旁支護(hù)阻力及壓縮量計(jì)算

開展頂升可縮式鋼管混凝土支柱沿空留巷須先開展巷旁支護(hù)阻力及壓縮量計(jì)算分析，進(jìn)而選擇更為合理的支柱規(guī)格型號(hào)并設(shè)計(jì)可縮結(jié)構(gòu)。

2.1 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

巷旁支護(hù)阻力主要以上覆巖層活動(dòng)規(guī)律為依據(jù)，在對(duì)沿空留巷技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者通過(guò)建立巷旁支護(hù)力學(xué)模型，推導(dǎo)出基本頂在不同斷裂位置和不同位態(tài)下巷旁支護(hù)阻力計(jì)算公式，具體的計(jì)算公式及評(píng)價(jià)分析見表1。

表1 沿空留巷巷旁支護(hù)阻力計(jì)算方法

在上述多種巷旁支護(hù)阻力計(jì)算方法中，文獻(xiàn)[20]根據(jù)巷旁支護(hù)適應(yīng)性原理，提出“柔-強(qiáng)”組合結(jié)構(gòu)模型，符合頂升可縮式鋼管混凝土支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，具有理論概念清晰、計(jì)算準(zhǔn)確等特點(diǎn)。因此，選用該方法作為本文巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算方法。

2.2 巷旁支護(hù)體壓縮量分析

沿空留巷上覆巖層控制是一個(gè)既要“限定變形”，又要“給定變形”的過(guò)程，支護(hù)體應(yīng)具有足夠的壓縮量以適應(yīng)頂板下沉。匯總巷旁支護(hù)體壓縮量計(jì)算方法見表2。

從表2可以看出，文獻(xiàn)[20]在得出頂板巖梁允許沉降值和巷旁支護(hù)體可縮量的基礎(chǔ)上，提出巷旁支護(hù)應(yīng)與采空區(qū)矸石的壓縮流變變形規(guī)律相協(xié)調(diào)，該計(jì)算方法更接近于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際。因此，選用該方法作為巷旁支護(hù)體壓縮量的計(jì)算方法。

表2 巷旁支護(hù)體壓縮量計(jì)算方法

2.3 具體沿空留巷工程巷旁支護(hù)阻力與壓縮量分析

以魯西煤礦3A02工作面沿空留巷為工程實(shí)例，進(jìn)行所需巷旁支護(hù)阻力和壓縮量計(jì)算。魯西煤礦3A02工作面位于-300 m水平，埋深280～320 m，西部臨采空區(qū)A02工作面，東部為未開采的A05工作面。工作面主采3煤層，平均厚度為2.09 m，煤層平均傾角4°，留巷尺寸為3.4 m×2.6 m，煤層頂板主要為粉砂巖﹑細(xì)粒砂巖、泥巖為主。

根據(jù)煤巖層分布結(jié)構(gòu)及工程力學(xué)等綜合分析得到工作面基本參數(shù)：直接頂厚度為3.70 m，容重取24 kN/m；基本頂厚度為11.59 m，容重取24 kN/m；采高為2.09 m，頂板巖梁斷裂線到煤幫距離取4.0 m，留巷寬度為3.4 m，巷旁支護(hù)體寬度為0.4 m，頂板巖梁長(zhǎng)度取26.0 m。

2.3.1 巷旁支護(hù)體壓縮量計(jì)算

取直接頂碎脹系數(shù)為1.3，則頂板巖梁沉降為0.98 m，巷旁支護(hù)體可縮結(jié)構(gòu)壓縮量：

=[(++)]=294 mm

為確保沿空留巷能夠長(zhǎng)時(shí)間的正常使用，需進(jìn)一步考慮采空區(qū)矸石和巷旁支護(hù)體的壓縮流變特性，等效碎脹系數(shù)隨時(shí)間的變化為

=[1-exp()-]

(1)

式中,,,為由矸石壓縮試驗(yàn)獲取的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)相近工作面頂板巖層垮落矸石試驗(yàn)結(jié)果，取=-0.19，=-0.072，=0.18，得出留巷50 d后采空區(qū)矸石趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的碎脹系數(shù)為1.1，則采空區(qū)矸石壓縮流變應(yīng)變?yōu)?.154，矸石壓縮量為0.74 m，矸石壓縮長(zhǎng)度為8.9 m，由此得出支柱所需最終壓縮量為306 mm。

2.3.2 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出，實(shí)體煤幫內(nèi)斷裂線處載荷強(qiáng)度為140 kPa，煤壁處載荷強(qiáng)度為260 kPa，由此得出實(shí)體煤幫作用力為800 kN/m。

假設(shè)矸石對(duì)基本頂作用力為線性分布，得出流變穩(wěn)定后采空區(qū)矸石載荷強(qiáng)度為250 kPa，通過(guò)表1中公式=2，求出采空區(qū)矸石對(duì)基本頂巖梁作用力為1 116 kN/m，并由此得出留巷工作面巷旁支護(hù)體所需提供的阻力：

[]≥(++)+

--=6 009 kN/m

3 頂升可縮式鋼管混凝土支柱試驗(yàn)研究

3.1 支柱可縮試驗(yàn)分析

在頂升可縮式鋼管混凝土支柱的可縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常用的可縮讓壓方式包括液壓油缸讓壓、氣墊結(jié)構(gòu)讓壓、鋼結(jié)構(gòu)讓壓和木結(jié)構(gòu)讓壓，經(jīng)對(duì)比論證，選用成本低且便于加工制作的木結(jié)構(gòu)做可縮結(jié)構(gòu)。根據(jù)木結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，順紋屈服應(yīng)力和吸能率比橫紋方向要大得多，為研究木結(jié)構(gòu)的可縮性能，通過(guò)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)對(duì)比分析了松木、楊木2種木材的壓縮率和承載力，并對(duì)比分析了鋼結(jié)構(gòu)可縮性能。

試驗(yàn)分3組進(jìn)行：第1組為楊木和松木直接壓縮試驗(yàn)，此時(shí)木結(jié)構(gòu)充當(dāng)墊塊作用，通常在巷旁支護(hù)體高度不夠接觸巷道頂板時(shí)使用；第2組為套管約束下木結(jié)構(gòu)壓縮試驗(yàn)，將木結(jié)構(gòu)放置在鋼套管中，在套管約束下壓縮；第3組為套管約束下鋼筋柱壓縮試驗(yàn)，由多根鋼筋按一定分布規(guī)律豎向排列，形成網(wǎng)柱結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，楊木柱、松木柱各3根，柱高260 mm，直徑210 mm，鋼筋柱采用18 mm鋼筋，以套管約束下松木柱屈服載荷為參照，根據(jù)軸壓整體穩(wěn)定性計(jì)算得出需要12根鋼筋。鋼套管分上下2節(jié)，高250 mm，壁厚10 mm，上節(jié)直徑273 mm，下節(jié)245 mm，套管一端焊接10 mm厚的鋼板作為柱帽和鞋板與試驗(yàn)機(jī)承壓板接觸，并在下套管內(nèi)放置鋼墊塊，試驗(yàn)布置如圖3所示。試驗(yàn)在200 t液壓機(jī)上進(jìn)行，對(duì)支柱進(jìn)行逐級(jí)增壓加載，讓壓木最終變形形態(tài)如圖4所示。

圖2 可縮結(jié)構(gòu)照片

圖3 可縮結(jié)構(gòu)壓縮試驗(yàn)

圖4 可縮體最終壓縮變形形態(tài)

通過(guò)試驗(yàn)得到3組支柱試件的力學(xué)性能參數(shù)，見表3。

表3 支柱力學(xué)性能參數(shù)

試驗(yàn)得到楊木、松木及套管約束下支柱的荷載-位移曲線(圖5)，直接壓縮時(shí)，液壓機(jī)下降速度較快，初始加載過(guò)程中存在較大反力，載荷迅速上升；在套管內(nèi)壓縮時(shí)反力較小，且支柱、套管、墊塊間存在傾斜和空隙，前期加載過(guò)程中需進(jìn)行20～30 mm的自找平。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

(1)在整個(gè)加載過(guò)程中，支柱的壓縮變形可分為4個(gè)階段：彈性階段(初期直線段)、屈服階段(曲線下降段)、塑流階段(近水平段)、強(qiáng)化階段(曲線快速增長(zhǎng)段)。

(2)進(jìn)入塑性屈服階段后，荷載-位移曲線多次振蕩，木材胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞，當(dāng)支柱進(jìn)入壓實(shí)強(qiáng)化階段后，荷載隨位移的增加快速上升。

(3)在直接壓縮試驗(yàn)中，2種木材的壓縮量相近，壓縮率均接近80%，但松木支柱的屈服載荷為598.8 kN，約為楊木的2倍，松木具有更好的可縮承載能力。

(4)由圖5(c)可知，相較楊木支柱和鋼筋網(wǎng)柱，松木支柱在上下套管約束作用下，屈服載荷和塑性極限荷載均相應(yīng)增大，保證松木支柱在屈服破壞后仍能保持較大承載力，實(shí)現(xiàn)增阻可縮。

圖5 支柱壓縮荷載-位移對(duì)比曲線

(5)由圖4可知，木材纖維在直接壓縮作用下試件中部向周圍發(fā)生不同程度的屈服折斷，并伴隨明顯的纖維脫層現(xiàn)象；在上下套管約束作用下，支柱表面雖出現(xiàn)一定程度的剝落現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)完整性較好，而鋼筋網(wǎng)柱受到偏心加載作用，破壞形態(tài)變形向一邊傾倒。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，松木順紋荷載-位移曲線與理想曲線基本吻合，具有“前期恒阻可縮、后期增阻可縮”的性質(zhì)。在外部鋼管約束作用下，松木支柱的可縮支撐力接近900 kN，壓縮率達(dá)到77%，說(shuō)明松木是理想的可縮材料，與鋼管混凝土支柱匹配能夠適應(yīng)上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉引起的“給定變形”。

3.2 頂升可縮式鋼管混凝土支柱極限承載力試驗(yàn)與計(jì)算分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證頂升可縮式鋼管混凝土支柱作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，通過(guò)對(duì)鋼管混凝土短柱及中長(zhǎng)柱試件的軸壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而推出適用于頂升可縮式鋼管混凝土支柱的極限承載力計(jì)算公式。

3.2.1 鋼管混凝土短柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

將長(zhǎng)徑比/≤4的圓鋼管混凝土柱視為短柱，選取不同壁厚和管徑的10根鋼管混凝土短柱分2組進(jìn)行軸壓承載性能試驗(yàn)，鋼管內(nèi)填C40核心混凝土，2組試件的鋼管型號(hào)及試驗(yàn)結(jié)果見表4，不同壁厚短柱破壞過(guò)程如圖6所示、最終形態(tài)如圖7所示，不同管徑短柱破壞最終形態(tài)如圖8所示。

圖6 不同壁厚短柱試件破壞過(guò)程[26]

圖7 管徑194 mm不同壁厚試件最終破壞形態(tài)[26]

圖8 不同管徑試件最終破壞形態(tài)[14]

表4 2組鋼管混凝土短柱試件力學(xué)性能參數(shù)[14,26]

通過(guò)短柱破壞形態(tài)可以看出，當(dāng)鋼管壁厚低于6 mm時(shí)，短柱脆性破壞，主要表現(xiàn)為剪切破壞；當(dāng)鋼管壁厚超過(guò)6 mm后，短柱塑性屈服破壞，主要表現(xiàn)為腰鼓形破壞，此時(shí)鋼管混凝土支柱承載力達(dá)到材料極限。

以試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制短柱軸壓載荷-變形曲線如圖9所示，當(dāng)鋼管壁厚超過(guò)6 mm后，鋼管混凝土短柱軸壓變形過(guò)程可分為彈性階段、塑流階段及強(qiáng)化階段3個(gè)階段，且強(qiáng)化階段曲線較長(zhǎng)，以194 mm×8 mm×600 mm為例，試件的極限承載力可達(dá)到4 188 kN，軸向變形量大于11%，說(shuō)明鋼管混凝土短柱具有高強(qiáng)的承載能力，能夠滿足沿空留巷“限定變形”的頂板控制要求。鋼管混凝土短柱隨著鋼管管徑和壁厚的增大，極限承載力隨之增大，其中短柱承載力隨壁厚增加的幅度超過(guò)隨管徑增加的幅度，且當(dāng)壁厚≤4 mm時(shí)短柱承載后期呈現(xiàn)塑性軟化特征，當(dāng)壁厚≥6 mm時(shí)短柱承載后期呈現(xiàn)塑性強(qiáng)化特征。

圖9 鋼管混凝土短柱荷載-變形對(duì)比曲線

3.2.2 鋼管混凝土中長(zhǎng)柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

為進(jìn)一步了解長(zhǎng)徑比較大的鋼管混凝土支柱的力學(xué)性能，文獻(xiàn)[27]設(shè)計(jì)了2組共7根鋼管混凝土支柱試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，試件基本參數(shù)見表5。A組試件選用長(zhǎng)徑比不同的5個(gè)鋼管混凝土支柱，B組試件減小壁厚，以A組中A-2,A-3兩個(gè)試件為參照，分析壁厚對(duì)鋼管混凝土支柱軸壓力學(xué)性能的影響規(guī)律，支柱最終破壞形態(tài)如圖10所示，較短的試件有明顯地端頭腰鼓和整體屈曲變形，較長(zhǎng)的試件明顯屈曲變形，可見鋼管混凝土長(zhǎng)柱以壓彎破壞為主。

表5 試件基本參數(shù)[27]

圖10 鋼管混凝土中長(zhǎng)柱最終破壞形態(tài)[27]

試驗(yàn)得出不同長(zhǎng)徑比的5個(gè)試件和不同徑厚比的2組試件荷載-應(yīng)變曲線如圖11，12所示，由圖11，12可知：① 試件加載初期，長(zhǎng)徑比對(duì)支柱的初始剛度影響較小，各試件的荷載-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致；② 隨著荷載的增大，長(zhǎng)徑比較大的試件先進(jìn)入屈服階段，且隨著軸向變形增大承載快速下降，可見隨著長(zhǎng)徑比增大，長(zhǎng)柱承載力明顯降低；③ 長(zhǎng)徑比相同的情況下，隨著壁厚增加，長(zhǎng)柱承載力有較大幅度增長(zhǎng)。④ 根據(jù)結(jié)果，長(zhǎng)徑比為14的A-3試件(219 mm×7 mm×3 066 mm)極限荷載可達(dá)3 496 kN，說(shuō)明鋼管混凝土支柱具有很高的承載力。

圖11 不同長(zhǎng)徑比試件的荷載-縱向應(yīng)變對(duì)比曲線

通過(guò)鋼管混凝土長(zhǎng)短柱試驗(yàn)可以看出，鋼管混凝土支柱具有較高的承載力，在沿空留巷過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)留巷高度、巷旁支護(hù)阻力和合理壓縮量，選擇合適鋼管外徑、壁厚和高度，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)長(zhǎng)徑比和徑厚壁組合。

3.2.3 支柱軸壓極限承載力計(jì)算

根據(jù)極限平衡法對(duì)頂升可縮式鋼管混凝土支柱極限承載力公式進(jìn)行推導(dǎo)，支柱的極限承載能力與長(zhǎng)細(xì)比、偏心率的大小密切相關(guān)，計(jì)算公式為

=

(2)

式中，為考慮長(zhǎng)細(xì)比對(duì)極限承載力影響的折減系數(shù)，按式(3)計(jì)算；為考慮偏心率對(duì)極限承載力影響的折減系數(shù)，本文設(shè)計(jì)中假設(shè)支柱軸心受壓，取=1；為鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力的理論計(jì)算值，kN。

圖12 徑厚比影響下試件荷載-縱向應(yīng)變對(duì)比曲線

文獻(xiàn)[28]中，考慮長(zhǎng)細(xì)比/對(duì)極限承載力影響的折減系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)JGJ 138—2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，支柱的等效計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算公式為

=

(4)

式中，為鋼管外徑，mm；為考慮柱端約束條件下的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，頂升可縮式鋼管混凝土支柱頂部焊接固定式柱帽與頂板相接，底部裝有可拆卸式柱鞋并配有防倒抓可固定支柱，相當(dāng)于兩端鉸接，故工程應(yīng)用中取=1；為考慮柱身彎矩分布梯度影響的等效長(zhǎng)度系數(shù)，注漿頂升軸壓柱取=1；為支柱的實(shí)際高度，mm。

根據(jù)上述計(jì)算公式，不同參數(shù)的鋼管混凝土柱進(jìn)行軸心承載力受壓計(jì)算，并與極限載荷實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表6。隨著鋼管長(zhǎng)徑比的增大，鋼管混凝土柱軸心受壓承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值基本呈上漲趨勢(shì)，當(dāng)長(zhǎng)徑比增大到17.5時(shí)比值達(dá)到1.83，當(dāng)長(zhǎng)徑比增大到20時(shí)比值達(dá)到1.75，已經(jīng)接近倍數(shù)差距，可見長(zhǎng)細(xì)比折減系數(shù)計(jì)算方法過(guò)于保守。由表6可知，/≤4和/>4的鋼管混凝土支柱試驗(yàn)值與計(jì)算值之比的平均值為1.18和1.50。

表6 鋼管混凝土支柱軸壓承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)值和計(jì)算值的對(duì)比分析，建議修正鋼管混凝土支柱軸壓承載力長(zhǎng)細(xì)比折減系數(shù)，修正公式為

(5)

經(jīng)計(jì)算，鋼管混凝土支柱軸壓承載力試驗(yàn)值與根據(jù)式(2)和式(5)得出的鋼管混凝土支柱承載力計(jì)算值之比的平均值為1.26，最大值為1.35，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14，可為工程應(yīng)用提供參考，修正后實(shí)測(cè)值/計(jì)算值分布如圖13所示,為試驗(yàn)值與計(jì)算值之比。

圖13 修正后的實(shí)測(cè)值/計(jì)算值分布

綜上，根據(jù)可縮結(jié)構(gòu)變形曲線和鋼管混凝土長(zhǎng)短柱受力特征曲線，擬合鋼管混凝土支柱全過(guò)程荷載-位移曲線如圖14所示，曲線能夠很好地反映支柱在注漿頂升段、松木結(jié)構(gòu)可縮段及支柱軸壓極限3個(gè)階段受力特征。

圖14 頂升可縮式鋼管混凝土支柱受力全過(guò)程曲線

鋼管混凝土支柱在壓縮階段和穩(wěn)定階段的極限承載力計(jì)算公式為

(6)

其中，為松木構(gòu)件的凈截面面積，mm；為木柱順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm。經(jīng)驗(yàn)證，該公式與試驗(yàn)結(jié)果相一致，可為工程應(yīng)用提供參考。

4 頂升可縮式鋼管混凝土支柱工程應(yīng)用

在山東能源集團(tuán)魯西煤礦A02工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行頂升可縮式鋼管混凝土支柱沿空留巷工程應(yīng)用。留巷目的是在工作面回采以后保留A02運(yùn)輸巷，作為A05工作面的軌道巷，滿足A05工作面運(yùn)輸、行人、通風(fēng)及安裝需要，形成生產(chǎn)系統(tǒng)。

4.1 魯西煤礦頂升可縮式鋼管混凝土支柱沿空留巷設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)沿空留巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)，A02工作面采用“頂升可縮式鋼管混凝土支柱+控頂錨索做巷旁支護(hù)，錨網(wǎng)索噴做巷內(nèi)支護(hù)，雙層鋼筋網(wǎng)+擋風(fēng)簾隔絕采空區(qū)”的沿空留巷思路。圖15為頂升可縮式鋼管混凝土支柱布置圖，于采空區(qū)側(cè)布置1排頂升可縮式鋼管混凝土支柱，支柱高度2.8 m，上節(jié)柱和下節(jié)柱分別選用325 mm×10 mm，299 mm×10 mm的鋼管，柱距0.6 m，核心混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度不低于40 MPa；經(jīng)理論計(jì)算，選用高度405 mm的松木做可縮結(jié)構(gòu)，其壓縮量可達(dá)306 mm以上，滿足巷旁支護(hù)體可縮變形要求。

圖15 頂升可縮式鋼管混凝土支柱沿空留巷布置

巷內(nèi)支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，利用錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，控制頂板下沉，所留巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用。提前施工2排控頂錨索進(jìn)行超前加固支護(hù)，規(guī)格為21.6 mm×10 300 mm，間排距1.9 m×1.5 m，錨索預(yù)緊力為196 kN；錨桿選用18 mm×2 000 mm的右旋螺紋肋樹脂錨桿，間排距1.95 m×1.0 m。

為防止采空區(qū)垮落矸石從相鄰支柱間進(jìn)入預(yù)留巷道內(nèi)，掛設(shè)2層鋼筋網(wǎng)，并于鋼筋網(wǎng)間夾設(shè)風(fēng)筒布防止采空區(qū)漏風(fēng)。

4.2 頂升可縮式鋼管混凝土支柱實(shí)施過(guò)程

4.2.1 頂升可縮式鋼管混凝土支柱承載力結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，滿足魯西煤礦3A02工作面留巷穩(wěn)定的巷旁支護(hù)力[]≥6 009 kN/m。工程選用299 mm×10 mm的鋼管，灌注C40級(jí)核心混凝土，由式(6)求得單根支柱承載力為4 843 kN，按照布設(shè)間距0.6 m時(shí)頂升可縮式鋼管混凝土支柱縱向支護(hù)力為8 071.7 kN/m。除頂升可縮式鋼管混凝土支柱外，巷內(nèi)控頂錨索支護(hù)力300 kN/根，沿留巷方向布置2列，間距均為0.6 m，錨網(wǎng)噴可提供的總支護(hù)力為1 000 kN/m，合計(jì)支護(hù)力為9 071.7 kN/m，符合留巷穩(wěn)定性要求。

4.2.2 頂升可縮式鋼管混凝土支柱全過(guò)程受力分析

根據(jù)頂升可縮式鋼管混凝土支柱巷旁支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，基于承載力試驗(yàn)及理論計(jì)算公式得出圖16的支柱現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程荷載-位移曲線。

圖16 工程現(xiàn)場(chǎng)每米支柱受力全過(guò)程曲線

空鋼管墩柱架設(shè)后，集中灌注混凝土，灌注過(guò)程中支柱頂升接頂。圖17為支柱室內(nèi)注漿頂升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明頂升可縮式鋼管混凝土支柱密封效果良好，支柱對(duì)頂板初撐力可達(dá)到150 kN，滿足頂板留巷接頂要求，鋼管混凝土支柱現(xiàn)場(chǎng)接頂支護(hù)效果如圖18所示。當(dāng)上覆巖層壓力超過(guò)初撐力之后高強(qiáng)頂升支柱內(nèi)部松木結(jié)構(gòu)開始?jí)嚎s，發(fā)揮其吸能特征，在支柱上部鋼管側(cè)向約束下，松木支柱在屈服破壞后仍能保持較大的可縮承載力，具有“前期恒阻可縮、后期增阻可縮”的性質(zhì)。隨著工作面的推進(jìn)，頂升可縮式鋼管混凝土支柱開始發(fā)揮其主要承載作用，當(dāng)工作面初次來(lái)壓后，支柱承壓明顯，隨著變形的持續(xù)增大，受力全過(guò)程如圖16所示。

圖17 鋼管混凝土支柱室內(nèi)頂升試驗(yàn)

圖18 鋼管混凝土支柱現(xiàn)場(chǎng)接頂支護(hù)

4.3 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證頂升可縮式鋼管混凝土支柱巷旁支護(hù)效果，在回采過(guò)程中對(duì)巷道表面位移及頂板離層值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析巷道圍巖變形及基本頂控制效果。以第1根支柱位置為測(cè)點(diǎn)1進(jìn)行編號(hào)，每隔15 m布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行觀測(cè)；巷道頂板離層觀測(cè)點(diǎn)布置在巷道表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，采用安裝在測(cè)點(diǎn)頂板處的頂板離層指示儀監(jiān)測(cè)頂板離層量。

選取12號(hào)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其超前工作面25 m至工作面推進(jìn)后159 m進(jìn)行監(jiān)測(cè)，推進(jìn)過(guò)程中頂板下沉與頂板離層量如圖19所示，頂板移近速度如圖20所示。

圖19 頂板下沉量與頂板離層量

圖20 頂板移近速度

由圖19可知，工作面推進(jìn)前20 m，頂板在單體液壓支柱及前方未開采煤層支撐作用下，圍巖變形較為平緩，頂板離層量接近0；當(dāng)工作面推過(guò)20～75 m時(shí)，頂板來(lái)壓明顯，頂板移近速度達(dá)到20 mm/d，此時(shí)基本頂斷裂，支柱內(nèi)松木壓縮量接近300 mm，能夠適應(yīng)關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉，基本頂“給定變形”位態(tài)得到有效控制；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板變形趨于穩(wěn)定，頂板移近速度控制在1 mm/d以下，頂升可縮式鋼管混凝土支柱承壓明顯，無(wú)彎曲折斷現(xiàn)象，整體支護(hù)效果良好。頂升可縮式鋼管混凝土支柱支護(hù)2 a后巷旁支護(hù)無(wú)變形，留巷持續(xù)穩(wěn)定，如圖21所示。

圖21 沿空留巷2 a后巷旁支護(hù)效果

5 結(jié)論與展望

(1)頂升可縮式鋼管混凝土支柱采用松木短柱做可縮結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理。通過(guò)松木和楊木的直接壓縮、套管內(nèi)壓縮試驗(yàn)分析得出，松木短柱的壓縮率達(dá)到77%，可縮階段承載力為500 kN，承載力極值可達(dá)900 kN，具有“前期恒阻可縮、后期增阻可縮”的性質(zhì)。

(2)通過(guò)參考試驗(yàn)分析，194 mm×8 mm×600 mm的鋼管混凝土短柱極限承載力可達(dá)4 188 kN，219 mm×7 mm×3 066 mm的鋼管混凝土長(zhǎng)柱極限承載力可達(dá)3 496 kN，驗(yàn)證了頂升可縮式鋼管混凝土支柱作為巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，并修正了支柱長(zhǎng)細(xì)比折減系數(shù)，獲得了支柱在壓縮階段和穩(wěn)定階段的極限承載力計(jì)算公式。

(3)開展了沿空留巷支護(hù)阻力和可縮量調(diào)研分析，設(shè)計(jì)了適用于魯西礦3A02工作面的頂升可縮式鋼管混凝土支柱支護(hù)方案，工程采用299 mm×10 mm的支柱，其巷旁支護(hù)力可達(dá)9 071.7 kN/m，滿足留巷穩(wěn)定性要求。

頂升可縮式鋼管混凝土支柱現(xiàn)已在魯西煤礦多個(gè)工作面成功應(yīng)用，下一步擬通過(guò)切頂卸壓技術(shù)，將基本頂斷裂位置轉(zhuǎn)移至采空區(qū)上方，優(yōu)化頂板結(jié)構(gòu)及留巷圍巖應(yīng)力；同時(shí)提出核心混凝土去除技術(shù)，結(jié)合輔助安裝機(jī)械，實(shí)現(xiàn)支柱外殼鋼管回收復(fù)用。