鄧昕　王再舉

摘 要：為了解決深井主井箕斗裝載硐室斷面尺寸大和埋深大的技術(shù)難題，首先對(duì)原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，即通過(guò)采用鋼梁代替原鋼筋混凝土平臺(tái)，而在二側(cè)墻相應(yīng)位置設(shè)置小錨索來(lái)代替樓板對(duì)二側(cè)墻的支撐作用，并且對(duì)優(yōu)化后的鋼筋混凝土山墻受力進(jìn)行了受力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：豎向鋼筋一直處于受拉狀態(tài)；鋼筋應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。證明了優(yōu)化方案是合理的，優(yōu)化后的主井箕斗裝載硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

關(guān)鍵詞：箕斗裝載硐室；鋼梁；錨索；受力監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TD326 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1098（2014）03-0050-04

立井箕斗裝載硐室是立井井筒施工中所涉及的重要工程之一，其布置形式和支護(hù)形式與否會(huì)直接影響井筒施工的進(jìn)度和質(zhì)量[1]?；茨系V業(yè)集團(tuán)望峰崗煤礦主井是一個(gè)具有井筒埋深大、地應(yīng)力大、圍巖條件差、主井箕斗裝載硐室斷面尺寸大及施工難度高等特點(diǎn)的礦井，這些因素輕者影響工程進(jìn)度，重者影響施工安全。本文先根據(jù)已有的初步設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和進(jìn)行施工決策，從而確保在安全的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工的科學(xué)性及合理性。因此，針對(duì)主井裝載硐室斷面大、支護(hù)難等特點(diǎn)，開展對(duì)該礦主井裝載硐室支護(hù)技術(shù)研究，對(duì)確保裝載設(shè)備運(yùn)行安全有著非常重要的意義。

1 工程概況

望峰崗煤礦井主井箕斗裝載硐室位于垂深-860～-881.1 m處，所處巖性主要為泥巖和鮞狀泥巖，其凈高、凈寬和凈深分別為21.1 m、10.0 m和5.075 m，為一特大型箕斗裝載硐室，斷面形狀為高直墻半圓拱結(jié)構(gòu)，采用二次支護(hù)形式：① 初期支護(hù)。采用錨、噴、網(wǎng)支護(hù)方式，其中采用22螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，其參數(shù)為L(zhǎng)=2500 mm@800 mm×800 mm；而鋼筋網(wǎng)采用6光圓鋼筋網(wǎng)格間距為150 mm×150 mm；② 二次支護(hù)。支護(hù)時(shí)二側(cè)墻和迎面墻分別采用800 mm和900 mm厚雙排鋼筋混凝土支護(hù)形式，并在-867.0 m和-870.55 m處分別設(shè)置一層厚350 mm的鋼筋混凝土平臺(tái)。其中鋼筋規(guī)格取縱筋Φ25 mm、豎筋（環(huán)筋）Φ25 mm，間排距200 mm×200 mm；模筑混凝土：強(qiáng)度等級(jí)C40。

2 硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于望峰崗礦井主井箕斗裝載硐室墻高特大，所處巖性又特別差，在施工和使用過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力極其復(fù)雜，必須采取強(qiáng)有力的支護(hù)措施，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。① 采用鋼梁來(lái)代替原設(shè)計(jì)上、下室之間二層厚度為350 mm的鋼筋混凝土平臺(tái)；② 對(duì)于二側(cè)墻支撐作用的削弱則通過(guò)在原鋼筋混凝土平臺(tái)二側(cè)墻位置上、下設(shè)置長(zhǎng)度、錨深分別為6.2 m和6.0 m的小錨索來(lái)代替混凝土平臺(tái)對(duì)二側(cè)墻的支撐作用，錨索為15.24 mm鋼絞線，錨索的設(shè)計(jì)錨固力不低于200 kN，南側(cè)和北側(cè)每排布置3根錨索，而西側(cè)每排布置2根錨索，并且每排錨索用16號(hào)槽鋼作為整體托梁聯(lián)接；③ 在三面墻角處增打底角錨桿，防止墻角及底板變形過(guò)大造成破壞，錨桿設(shè)計(jì)為直徑22 mm的高強(qiáng)錨桿，長(zhǎng)為3.5 m，與水平夾角為30°，優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖1所示。

3 硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)

為了實(shí)時(shí)了解優(yōu)化后箕斗裝載硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，在其二側(cè)和迎面山墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)傳感器，實(shí)施信息化長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，目的是監(jiān)測(cè)其內(nèi)力變化情況，當(dāng)出現(xiàn)不安全因素時(shí)，及時(shí)預(yù)報(bào)，以采取加固措施。

3.1 監(jiān)測(cè)元件布置

為了確保觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和可靠性，本次測(cè)量采取精度高、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的振弦式傳感元件作為一次儀表，振弦式頻率儀作為二次儀表[2]。傳感器隨工程施工埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，其中壓力采用振弦式壓力傳感器測(cè)量，鋼筋應(yīng)力則采用振弦式鋼筋傳感器測(cè)量；振弦式頻率儀采用XP99振弦頻率儀，其量測(cè)范圍為300～6 000 Hz[3]。

監(jiān)測(cè)元件布置在箕斗裝載硐室兩側(cè)墻和迎面山墻的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，共分為三個(gè)測(cè)試斷面，每個(gè)測(cè)試斷面布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)在巖石和混凝土結(jié)構(gòu)的交界面上布置一個(gè)壓力傳感器，以測(cè)量壓力的大?。辉诨炷两Y(jié)構(gòu)的內(nèi)排鋼筋上沿豎向、環(huán)向各布置一個(gè)鋼筋傳感器，用來(lái)確定豎向鋼筋應(yīng)力和環(huán)向鋼筋應(yīng)力的大小。三個(gè)測(cè)試斷面共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，并且6個(gè)測(cè)點(diǎn)在埋設(shè)深度為-870m的水平面上，測(cè)試元件布置如圖1所示，其中1、3、5、7、9、11號(hào)為豎向鋼筋應(yīng)力傳感器，2、4、6、8、10、12號(hào)為環(huán)向鋼筋應(yīng)力傳感器，A、B、C、D、E、F號(hào)為壓力傳感器。三個(gè)測(cè)試斷面所有傳感器的導(dǎo)線通過(guò)防水接線盒與集中電纜聯(lián)接到地面觀測(cè)站，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

元件埋設(shè)后，進(jìn)行實(shí)測(cè)觀測(cè)，獲得大量的數(shù)據(jù)[4]。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制了三個(gè)測(cè)試斷面的鋼筋平均應(yīng)力和平均壓力隨時(shí)間變化的情況。

3.2.1 環(huán)向鋼筋 望峰崗主井箕斗裝載硐室環(huán)向鋼筋監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。其中受拉為正，受壓為負(fù)。

從圖3可以看出，環(huán)向鋼筋應(yīng)力在0～10天內(nèi)，鋼筋的拉應(yīng)力急劇增加，這主要是由于混凝土水化熱釋放完后，三個(gè)斷面山墻溫度下降，混凝土收縮變形，此時(shí)環(huán)向鋼筋承受溫度拉應(yīng)力；隨后環(huán)向鋼筋應(yīng)力逐漸減小，觀測(cè)91 d時(shí)，鋼筋應(yīng)力由受拉狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)；觀測(cè)后期，環(huán)向鋼筋的壓應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

在6個(gè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力傳感器中，4、6、8、10號(hào)鋼筋應(yīng)力傳感器受壓，只有2和12號(hào)鋼筋應(yīng)力傳感器受拉，這主要是由于這兩個(gè)鋼筋應(yīng)力傳感器位于井壁和箕斗裝載峒室交界處，是裝載峒室支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域；而環(huán)向鋼筋2號(hào)測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力最大，目前已經(jīng)增長(zhǎng)到97.8 MPa，環(huán)向鋼筋8號(hào)測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)至87.3 MPa。即主井箕斗裝載峒室北墻壓應(yīng)力增加較快，表明主井箕斗裝載峒室及其井筒位置承受東西方向的壓力較大[5]。

觀測(cè)顯示，三個(gè)測(cè)試斷面環(huán)向鋼筋應(yīng)力變化曲線是一致的，其最大值為94.0 MPa，位于西側(cè)，處于受壓狀態(tài)，遠(yuǎn)小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，可見，鋼筋混凝土環(huán)向鋼筋一直處于安全狀態(tài)。

3.2.2 豎向鋼筋 望峰崗井主井箕斗裝載硐室豎向鋼筋監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 豎向鋼筋平均應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線從圖4可以看出，豎向鋼筋應(yīng)力變化過(guò)程大致分為3各階段。①急劇增加段。在此階段內(nèi)，平均應(yīng)力以2.5 MPa/d速度增長(zhǎng)，這是因?yàn)榛炷了療徇_(dá)到峰值后開始降低，鋼筋立即收縮變形，使鋼筋進(jìn)入溫度約束拉應(yīng)力狀態(tài)；②緩慢增長(zhǎng)段。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼筋混凝土溫度逐漸下降，巖石對(duì)混凝土產(chǎn)生約束，進(jìn)一步阻礙了鋼筋混凝土的收縮，使豎向鋼筋依然承受較大的豎向拉應(yīng)力，且成緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；③穩(wěn)定階段。在此階段，鋼筋混凝土溫度和圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，豎向鋼筋拉應(yīng)力也基本趨于穩(wěn)定。

此外，三個(gè)測(cè)試斷面的豎向鋼筋應(yīng)力處于拉應(yīng)力狀態(tài)，沒有出現(xiàn)壓應(yīng)力，其中，拉力最大值為113.3 MPa，位于西側(cè)，小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，可見，鋼筋混凝土豎向鋼筋一直處于安全狀態(tài)。

3.2.3 圍巖壓力 望峰崗井主井箕斗裝載硐室圍巖監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

鋼筋混凝土壓力就是圍巖受開挖擾動(dòng)后產(chǎn)生變形而施加在鋼筋混凝土上的側(cè)壓力，由圖5可以看出，西側(cè)壓力較大，且在150 d后圍巖變形才趨于穩(wěn)定，這主要是由于主井箕斗裝載峒室及其井筒位置承受南北方向的壓力較大；而南側(cè)壓力較小，最大值0.54 MPa。在后期觀測(cè)中，鋼筋混凝土所承受的側(cè)壓力也基本趨于穩(wěn)定?？芍?，壓力較小且沒有突變現(xiàn)象，說(shuō)明主井箕斗裝載硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)是安全可靠的，同時(shí)也驗(yàn)證了主井箕斗裝載硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可靠性。

4 結(jié)論

三個(gè)測(cè)試斷面的環(huán)向鋼筋在觀測(cè)初期承受拉力，而在后期主要承受壓力，處于受壓狀態(tài)；對(duì)于豎向鋼筋一直處于受拉狀態(tài)，這表明了鋼筋混凝土豎向鋼筋拉應(yīng)力的大小與混凝土溫度變化和圍巖變形大小有關(guān)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，主井箕斗裝載硐室用鋼梁代替原鋼筋混凝土平臺(tái)和通過(guò)錨索支護(hù)來(lái)補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全可靠性，并驗(yàn)證了支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的合理性，為類似結(jié)構(gòu)的支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華 吳曉紅）