劉國(guó)磊，林芊君，張曉君

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.河南理工大學(xué) 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000)

高應(yīng)力巷道鋼管混凝土支架支護(hù)圍巖穩(wěn)定性分析

劉國(guó)磊1,2，林芊君1，張曉君1

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.河南理工大學(xué) 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000)

針對(duì)高應(yīng)力巷道圍巖控制難度大的問題，對(duì)鶴壁三礦高應(yīng)力巷道的鋼管混凝土支架支護(hù)后的巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬.理論計(jì)算表明，Φ219×8mm型鋼管混凝土支架極限承載能力是2 595.04kN，可提供極限支護(hù)反力為1.8MPa.數(shù)值模擬結(jié)果顯示，支護(hù)后巷道最大垂向位移172mm，兩幫位移82mm，變形量較小，滿足巷道圍巖控制要求.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)兩幫和頂?shù)装遄冃尉l(fā)生在施工后30d內(nèi)，最大移近量為40mm和60mm;后期變形量無明顯增長(zhǎng)，巷道圍巖保持穩(wěn)定.

高應(yīng)力巷道；鋼管混凝土支架；巷道支護(hù)；圍巖穩(wěn)定性

當(dāng)前，蔡紹懷、鐘善桐、韓林海等眾多專家對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，取得了一系列研究成果，并將其成功應(yīng)用于建筑、橋梁工程[1-4]，但將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于煤礦井下巷道支護(hù)方面的研究相對(duì)較少.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)的高延法教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過熱煨工藝將鋼管分段彎制成巷道斷面形狀，運(yùn)至井下后組裝并灌注混凝土，成為具有較大支護(hù)能力的鋼管混凝土支架；將其用于深井軟巖巷道圍巖控制，取得了較大進(jìn)展，目前已用于20余個(gè)礦井[5-14].河南煤化鶴壁三礦變電所泵房硐室埋深760m，圍巖強(qiáng)度較弱，巷道變形破壞嚴(yán)重，普通U型鋼+錨網(wǎng)噴支護(hù)方式不能有效控制圍巖變形，本文嘗試通過鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)有效提高其圍巖穩(wěn)定性.

1 工程概況

河南煤化鶴壁三礦井田位于河南省鶴壁市市區(qū)以北約4.4km，核定生產(chǎn)能力125萬(wàn)t/年，立井多水平雙翼開拓，走向長(zhǎng)壁傾斜分層全部垮落式采煤法.近年來，鶴壁三礦開采水平不斷加深，目前主要開采三水平，埋深約760m，巷道圍巖應(yīng)力大，變形破壞嚴(yán)重.三水平變電所泵房硐室原采用錨網(wǎng)噴+U29型鋼支架支護(hù)，由于高地應(yīng)力的作用和圍巖底板力學(xué)強(qiáng)度較低，巷道圍巖變形速度較快，僅6個(gè)月后巷道斷面減小1/2，無法使用，需要不斷返修，維護(hù)成本高.三水平變電所泵房硐室服務(wù)于整個(gè)開采水平，服務(wù)周期長(zhǎng)，為保持巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定，在該段巷道應(yīng)用具有高支護(hù)能力的鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為40m.

三水平變電所硐室鋼管混凝土主體支架使用20#無縫鋼管，型號(hào)Φ219×8mm，鋼管單位長(zhǎng)度重量41.6kg/m.為便于安裝，將支架分為4節(jié)，頂拱段較短，反底拱較長(zhǎng).主體支架間采用Φ245×8mm的套管連接，其中底角套管采用兩段鋼管焊接連接，單架支架整體重量653.5kg.鋼管混凝土支架支護(hù)方案如圖1所示.

圖1 鋼管混凝土支架支護(hù)斷面圖

2 鋼管混凝土支架支撐能力理論計(jì)算

(1)鋼管混凝土短柱承載能力

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，鋼管混凝土支架軸壓短柱極限承載力設(shè)計(jì)值為

(1)

(2)鋼管混凝土支架支護(hù)反力

簡(jiǎn)化為按照?qǐng)A形巷道承受均布?jí)毫τ?jì)算，結(jié)構(gòu)力學(xué)模型見圖2.

圖2 鋼管混凝土支架支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，極限承載平衡方程為

(2)

式中，S為鋼管混凝土支架排距，m，取S=0.7m；σ為圍巖應(yīng)力，MPa；R為巷道計(jì)算半徑，m，取R=2.1m；Nu為鋼管混凝土支架的承載能力，kN，取Nu=2595.04kN.

代入式(2)得

求得圍巖應(yīng)力σ=1.8MPa，即：三水平變電所泵房所選用鋼管混凝土支架所能提供的極限支護(hù)反力為1.8MPa.

3 巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行分析，將巷道斷面形狀簡(jiǎn)化為由兩個(gè)橢圓組成.為減小模型邊界對(duì)分析結(jié)果的影響，以巷道為核心，四周分別取巷道高度10倍左右，巷道軸向方向取7m，建立模型尺寸為40m×40m×7m.對(duì)模型X軸和Y軸方向進(jìn)行邊界位移約束，在Z軸方向，將模型下邊界設(shè)為固定約束，上邊界為自由邊界，并施加垂向應(yīng)力作用模擬其上覆巖層的重力，巷道埋深為760m，取巖層的平均容重為26.5kN/m3，模型上部施加20MPa垂直應(yīng)力.模型中從上至下各巖層力學(xué)參數(shù)見表1.據(jù)此建立了數(shù)值模型，包含13 200個(gè)分析單元，如圖3所示.

表1 鋼管混凝土支架支護(hù)段巷道圍巖力學(xué)參數(shù)匯總表

巖層巖性容重/kN·m-3彈性模量/GPa泊松比內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa1中砂巖276．000．204．00354．002泥巖253．000．352．00351．003細(xì)砂巖267．000．253．50353．004泥巖253．000．352．00351．005中砂巖276．000．204．00354．006泥巖253．000．352．00351．007細(xì)砂巖267．000．253．50353．008泥巖253．000．352．00351．009煤131．500．401．00280．5010粉砂巖268．000．303．00352．0011泥巖253．000．352．00351．00

圖3 建立的力學(xué)模型

3.2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

在所建立的模型中進(jìn)行巷道開挖模擬計(jì)算，巷道開挖后模型計(jì)算200步后進(jìn)行錨桿支護(hù)，再經(jīng)過1 400步計(jì)算后進(jìn)行鋼管混凝土支架支護(hù)，鋼管混凝土支架采用Beam單元.經(jīng)計(jì)算平衡后，巷道圍巖垂直方向位移云圖如圖4所示，水平位移云圖如圖5所示，巷道圍巖垂向應(yīng)力云圖如圖6所示.

圖4 巷道圍巖垂直位移云圖

圖5 巷道圍巖水平位移云圖

圖6 巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖

由圖4～圖6可知：巷道最大垂向位移為172mm，兩幫最大位移為82mm，小于200mm，總體變形量較小，滿足巷道使用要求，巷道垂直方向變形量大于兩幫變形量，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力.

3.3 鋼管混凝土支架受力監(jiān)測(cè)

由巷道圍巖應(yīng)力云圖可以看出，鋼管混凝土支架兩幫段較頂?shù)装宥问芰Υ?，支架左幫荷載隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示.由圖可以看出支架荷載最大值為1 300kN，經(jīng)理論計(jì)算得到的鋼管混凝土支架的極限承載能力是2 595.04kN，因此能夠滿足承載要求.

圖7 鋼管混凝土支架荷載變化趨勢(shì)圖

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)施工后，對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行為期60d的“十”字布點(diǎn)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平繉?shí)測(cè)，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析，得到巷道圍巖變形情況如圖8所示.由圖8可知：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近，鋼管混凝土支架施工完成后60d內(nèi)，巷道圍巖兩幫和頂?shù)装遄畲笠平考s為40mm和60mm，總體變形量較小，兩幫變形量大于頂?shù)装遄冃瘟?，且巷道圍巖變形破壞集中在巷道施工后前30d內(nèi)，后期變形量增長(zhǎng)不明顯，巷道圍巖穩(wěn)定.鋼管混凝土支架施工完成至今已近4年，巷道圍巖后期變形量接近零，支架穩(wěn)定.

圖8 巷道圍巖變形情況

5 結(jié)論

(1)在鶴壁三礦三水平變電所泵房硐室巷道應(yīng)用鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)，鋼管混凝土支架的型號(hào)為Φ219×8mm.為便于安裝，將支架分為4節(jié)，主體支架間采用Φ245×8mm的套管連接，單架支架整體重量653.5kg.

(2)經(jīng)理論計(jì)算，鋼管混凝土支架極限承載能力是2595.04kN，所能提供最大支護(hù)反力為1.8MPa.

(3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，巷道最大垂向位移為172mm，兩幫最大位移為82mm，變形量較小，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力.支架荷載最大值為1 300kN，小于鋼管混凝土支架的極限承載能力2 595.04kN，因此能夠滿足承載要求.

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明鋼管混凝土支架施工完成后60d內(nèi)，巷道圍巖兩幫和頂?shù)装遄畲笠平考s為60mm和40mm，總體變形量較小，兩幫變形量大于頂?shù)装遄冃瘟?，且巷道圍巖變形破壞集中在巷道施工后30d內(nèi)，后期變形量增長(zhǎng)不明顯，巷道圍巖穩(wěn)定.

[1]蔡紹懷. 現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

[2]韓林海，楊有福. 現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007.

[3]韓林海. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007.

[4]鐘善桐. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[5]高延法，何曉升，陳冰慧，等. 特厚富水軟巖巷道鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2016(01): 84-89.

[6]高延法，劉珂銘，何曉升，等. 鋼管混凝土支架在千米深井動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2015(08): 7-12.

[7]黃萬(wàn)朋，高延法，文志杰，等. 鋼管混凝土支柱巷旁支護(hù)沿空留巷技術(shù)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015(04): 604-611.

[8]高延法，劉珂銘，馮紹偉，等. 早強(qiáng)混凝土實(shí)驗(yàn)與極軟巖巷道鋼管混凝土支架應(yīng)用研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015(04): 537-543.

[9]王軍，高延法，何曉升，等. 沿空留巷巷旁支護(hù)參數(shù)分析與鋼管混凝土墩柱支護(hù)技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2015(06)： 943-949.

[10]李學(xué)彬，楊仁樹，高延法，等. 楊莊礦軟巖巷道錨桿與鋼管混凝土支架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2015(02)： 285-290.

[11]李學(xué)彬，楊仁樹，高延法，等. 大斷面軟巖斜井高強(qiáng)度鋼管混凝土支架支護(hù)技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2013(10)： 1742-1748.

[12]李學(xué)彬，高延法，楊仁樹，等. 巷道支護(hù)鋼管混凝土支架力學(xué)性能測(cè)試與分析[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013(06): 817-821.

[13]高延法，王波，王軍，等. 深井軟巖巷道鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)及應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(S1): 2604-2609.

[14]夏洪滿，劉國(guó)磊，劉捷，等. 鋼管混凝土支架性能試驗(yàn)及其在動(dòng)壓巷道支護(hù)中的應(yīng)用[J]. 煤礦安全, 2013(09): 146-149.

(編輯：姚佳良)

Analysisonthestabilityofthesurroundingrockbasedonsteeltube-confinedconcretesupportssupportingtechnologyintheroadwaywithhighstress

LIUGuo-lei1，2,LINQian-jun1，ZHANGXiao-jun1

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentolEnginneering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;2.StateandLocalJointEngineeringLaboratoryforGasDrainageandGroundControlofDeepMines,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Thecontrolonhighstressroadwayisdifficult,aimingatthisproblem,wesimulatedandanalyzedthedeformationanddestructionofthesurroundingrockonroadwaywithhighstressconditioninHebithirdCoalMineafterusingthesteeltube-confinedconcretesupportssupportingtechnology.Resultsshowedthatthetypeofthesteeltube-confinedconcretesupportswasΦ219×8mm.Theultimatebearingcapacityofconcrete-filledsteelwas2 595.04kN,anditcanprovidethelimitofthesupportingforcewas1.8MPa.Thenumericalsimulationresultsshowedthatthemaximumverticaldisplacementofroadwaywas172mm,andthemaximaldisplacementoftwosidecoal-wallswas82mmaftersupporting.Thedeformationwassmall,meetingtherequirementsofcontrollingthesurroundingrockontheroadway.Fieldexperimentsshowedthatthemaximumdeformationdisplacementofthetwosidecoal-wallsandtheroofandflooris40mmand60mm,andthedeformationmainlyhappenedinthe30days.Thegrowthofdeformationwasnotobviousinlaterdays,andthesurroundingrockofroadwaywasstable.

highstressroadway;steeltube-confinedconcretesupports;roadwaysupporting;stabilityofsurroundingrock

2016-08-20

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51474218)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015M571159)；深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(G201606)；山東理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(415036)

劉國(guó)磊，男，liuguolei2003@163.com

1672-6197(2017)02-0013-04

TD

A