王衍海， 王 方， 唐鳴東， 史秀志， 喻 智

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410083； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙410012)

破碎采場(chǎng)賦存條件復(fù)雜,礦體形態(tài)不規(guī)則,圍巖穩(wěn)定性差,不當(dāng)?shù)拈_(kāi)采易導(dǎo)致采場(chǎng)頂板失穩(wěn)破壞,同時(shí)采場(chǎng)作業(yè)的擾動(dòng)易引發(fā)周邊采場(chǎng)頂板大規(guī)模垮塌,出現(xiàn)安全事故。 為保證人員在破碎采場(chǎng)內(nèi)正常作業(yè),需在破碎采場(chǎng)構(gòu)筑人工假頂。

人工假頂骨架是承重的關(guān)鍵,目前假頂設(shè)計(jì)中多采用全鋼筋骨架,文獻(xiàn)［1］曾提出使用既可保證其抗拉性能又能減少成本的竹筋替代部分鋼筋的配筋方式。 關(guān)于竹筋作為骨架結(jié)構(gòu)的研究很多［2-5］,但大都停留在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)探討或簡(jiǎn)單力學(xué)性能研究上,對(duì)于竹筋替代鋼筋的可行性和具體替代效果并沒(méi)有明確的分析結(jié)果或結(jié)論,致使方案設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法科學(xué)合理地設(shè)計(jì)、分配竹筋。

首層充填厚度,即人工假頂?shù)母叨仁侨斯ぜ夙斣O(shè)計(jì)的重要參數(shù),其設(shè)計(jì)效果需同時(shí)滿足強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好與經(jīng)濟(jì)性佳的要求［6-7］。 本文從竹筋與鋼筋材料特性出發(fā),首先分析了竹筋替代鋼筋作為人工假頂骨架的可行性,隨后運(yùn)用簡(jiǎn)支梁理論與數(shù)值模擬方法分析了竹筋-鋼筋人工假頂骨架的受力行為、破壞方式、合理配筋方式和設(shè)計(jì)方案。 經(jīng)相互驗(yàn)證,最終優(yōu)選出了合理的竹筋-鋼筋配筋方式與最優(yōu)首層充填厚度,并將其應(yīng)用于凡口鉛鋅礦Shd-200m 試驗(yàn)采場(chǎng)。

1 人工假頂首層充填厚度研究

1.1 竹筋替代鋼筋可行性研究

人工假頂需要骨架材料具有足夠高的抗拉強(qiáng)度,文獻(xiàn)［2］指出竹制品抗拉強(qiáng)度較大,約為鋼材抗拉強(qiáng)度的1/2,同時(shí)竹制品具有強(qiáng)重比大于鋼材、可塑性好、成本低、易獲得等優(yōu)點(diǎn)。 這些特性使竹筋具備替代鋼筋成為礦山人工假頂骨架材料的可行性。

1.2 人工假頂簡(jiǎn)支“梁”力學(xué)模型

人工假頂上部為間柱采場(chǎng)充填方式,即在充填一定強(qiáng)度充填體后回采一定高度的廢石,采場(chǎng)上部主要的受力為人工假頂自重、充填體及上部回填廢石自重荷載之和。 由此,假定人工假頂只受自身重力與均布荷載的影響。 假頂模型大多采用簡(jiǎn)支梁模型,針對(duì)采場(chǎng)長(zhǎng)度和跨度的不同,將礦體、圍巖和充填體近似成均勻的彈塑性介質(zhì)體,構(gòu)建相應(yīng)的“梁”模型［8］發(fā)揮其承載作用。

由簡(jiǎn)支梁理論［9］可知,矩形截面簡(jiǎn)支梁的慣性矩與拉應(yīng)力為:

式中Iz為慣性矩；b為人工假頂寬度；h為人工假頂厚度；σt為拉應(yīng)力；K0為假頂荷載賦值危險(xiǎn)修正系數(shù),這里取K0=1.27；q0為人工假頂自重；q′為充填荷載自重；l為邊距；y為中心面原點(diǎn)至人工假頂?shù)椎木嚯x。

對(duì)矩形截面簡(jiǎn)支梁人工假頂進(jìn)行全塑形分析,應(yīng)力應(yīng)變分布如圖1 所示。 此時(shí)截面承受彎矩作為最大彎矩Mmax計(jì)算人工假頂受彎承載力、配筋。 這種計(jì)算方式符合安全可靠性,破壞發(fā)生在適筋梁范圍內(nèi),經(jīng)濟(jì)合理。

圖1 全塑形分析的截面和應(yīng)力分布

當(dāng)人工假頂厚度h=6 m、寬度b=4 m 時(shí),由式(1)～(2)計(jì)算可得慣性矩Iz=72 m4,最大拉應(yīng)力σtmax=3 029 MPa；同時(shí)第二層與第三層鋼筋處的拉應(yīng)力分別為:σ2=2.2 MPa,σ3=1.8 MPa。

1.3 布筋與最優(yōu)充填厚度

目前梁結(jié)構(gòu)常用的鋼筋布置方案為正截面受拉區(qū)布置縱向受拉筋的單筋矩形截面方案,其布筋方案的正截面簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 布筋方案正截面簡(jiǎn)圖

由圖2 可知,鋼筋所負(fù)擔(dān)區(qū)域高度h′為530 mm,即第一層鋼筋所負(fù)擔(dān)面積下的拉力為:

考慮現(xiàn)有鋼筋力學(xué)性質(zhì)及采場(chǎng)不穩(wěn)定性等因素,現(xiàn)場(chǎng)選用直徑30 mm 的HRB500 螺紋鋼,其力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 鋼筋力學(xué)參數(shù)

所負(fù)擔(dān)面積下的鋼筋數(shù)滿足:

式中fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；S為鋼筋的截面積,mm2；n為鋼筋數(shù)量。

由式(3)可得,在2 m 鋼筋長(zhǎng)度前提下,第一層需要布置鋼筋數(shù)n為22 根,即每間隔182 mm 布置一根鋼筋。 同理,第二層鋼筋負(fù)擔(dān)面積下的拉力F2為4 800 kN,需要鋼筋16 根,第三層鋼筋負(fù)擔(dān)面積下的拉力F3為4 320 kN,需要鋼筋15 根。 故最低配筋條件下,20 m 寬采場(chǎng)需要鋼筋530 根。

結(jié)合凡口鉛鋅礦現(xiàn)場(chǎng)所使用的竹筋情況,選用外徑80 mm、內(nèi)徑60 mm 的韶關(guān)本地毛竹。 參考相關(guān)文獻(xiàn)［5］,竹筋基本力學(xué)參數(shù)如表2 所示。 毛竹有效截面面積S竹=2 198 mm2。 同樣地,由上述公式可計(jì)算出相同應(yīng)力情況下,僅需要20 根毛竹即可替代22 根螺紋鋼。

表2 竹筋試驗(yàn)數(shù)據(jù)

人工假頂材料參數(shù)選自凡口鉛鋅礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。 其中,人工假頂彈性模量為500 MPa,泊松比為0.2,內(nèi)摩擦角31°,黏聚力1.561 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度5.6 MPa,抗拉強(qiáng)度0.65 MPa。 人工假頂中的鋼筋彈性模量為2×105MPa,密度為7 800 kg/m3,抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值為435 N/mm2。

同理由公式(1)～(2)可計(jì)算出不同充填厚度時(shí)人工假頂?shù)呐浣钋闆r如表3 所示。 當(dāng)人工假頂最大拉應(yīng)力大于充填體最大拉應(yīng)力時(shí)說(shuō)明頂板安全。 同時(shí)為減少施工成本,充填厚度應(yīng)盡可能小。 因此,從表3 可知最優(yōu)充填厚度為4.75 m。

表3 不同充填厚度下的人工假頂參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

以凡口鉛鋅礦Shd-200m 中段試驗(yàn)采場(chǎng)為例建立人工假頂模型,采用分離式建模［10］,其中充填體采用SOLID65 單元,鋼筋及竹筋采用LINK8 單元。 由于竹筋粗糙度不如螺紋鋼,在握裹力較小時(shí),會(huì)產(chǎn)生縱向滑移,因此增加COMBIN39 彈簧單元以符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

布筋形式:層間距為750 mm,沿采場(chǎng)寬度方向,間隔200 mm 布置縱向受拉竹筋,間隔1 000 mm 布置豎向架立鋼筋,且底部布置橫向鋼筋。 同時(shí)沿采場(chǎng)長(zhǎng)度方向間隔2 000 mm 布置架立筋與橫向鋼筋［11］。

2.2 模擬方案

人工假頂模型如圖3 所示,三層縱向受拉竹筋-鋼筋骨架模型如圖4 所示。 采場(chǎng)長(zhǎng)度20 m,采場(chǎng)暴露寬度4 m,由于人工假頂應(yīng)力關(guān)于Y軸對(duì)稱,為減小計(jì)算量,采用對(duì)稱約束,即假頂長(zhǎng)度為10 m。 建立首層充填高度分別為4.5、4.75、5.0、5.25、5.5、5.75 m 時(shí)人工假頂模型,分析其穩(wěn)定性。

圖3 人工假頂模型

圖4 三層縱向受拉竹筋-鋼筋骨架模型

3 結(jié)果分析

3.1 不同充填厚度竹筋-鋼筋骨架人工假頂模擬結(jié)果

表4 為不同充填厚度時(shí)竹筋-鋼筋人工假頂應(yīng)力與位移變化,可看出充填厚度與假頂Y方向的最大位移成反比,在厚度為4.5 m 時(shí)最大位移增至145.63 mm,對(duì)于延展性較差的充填體介質(zhì)而言,屬于較大變形,假頂沉降量大,極易發(fā)生破壞。

當(dāng)首層充填厚度減小時(shí),竹筋Z方向上無(wú)明顯滑移,說(shuō)明未出現(xiàn)竹筋斷裂分離現(xiàn)象,竹筋與充填體共同承擔(dān)上部荷載。 可從側(cè)面說(shuō)明竹筋替代鋼筋后仍有較好的黏結(jié)力,這種結(jié)構(gòu)的人工假頂具有較大的荷載承受能力。 但當(dāng)充填厚度為4.5 m 時(shí),Z方向最大位移增加到53.72 mm,說(shuō)明假頂出現(xiàn)大跨度裂縫延伸。 因此說(shuō)明4.75 m 為最優(yōu)充填厚度。

表4 不同充填厚度竹筋-鋼筋結(jié)構(gòu)人工假頂模擬結(jié)果

3.2 開(kāi)裂情況對(duì)比

圖5 為不同充填厚度下人工假頂開(kāi)裂主視圖與側(cè)視圖,紅色區(qū)域表明其開(kāi)裂程度。 從圖中可看出,隨著充填厚度減小,假頂開(kāi)裂程度也隨之增加,裂縫位置從跨中區(qū)域往兩側(cè)延伸。 當(dāng)充填厚度為4.75 m 時(shí),人工假頂拉應(yīng)力為4.8 MPa,假頂邊緣因位移約束及應(yīng)力集中的原因出現(xiàn)了小幅度開(kāi)裂現(xiàn)象,但跨中裂縫延伸相對(duì)較短,高拉應(yīng)力區(qū)與頂部受壓區(qū)未貫穿,滿足安全條件。

當(dāng)充填厚度降至4.5 m 時(shí),從圖中可明顯看到人工假頂出現(xiàn)了大跨度的裂紋延伸現(xiàn)象,假頂中心區(qū)域出現(xiàn)二次開(kāi)裂,假頂發(fā)生失穩(wěn)破壞。 結(jié)合表4 可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)拉應(yīng)力為5.6 MPa,大于人工假頂?shù)目估瓘?qiáng)度,可以判定首層充填厚度4.5 m 不能滿足安全要求。 因此,由表4 及圖5 可知人工假頂數(shù)值模擬的最優(yōu)充填厚度為4.75 m。

圖5 不同充填厚度人工假頂開(kāi)裂主視圖與側(cè)視圖

綜合簡(jiǎn)支梁理論分析與ANSYS 軟件模擬的結(jié)果,可得出結(jié)論:竹筋-鋼筋配筋方式可行,最優(yōu)充填厚度為4.75 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4.1 竹筋-鋼筋骨架鋪設(shè)

竹筋-鋼筋骨架需在采場(chǎng)兩幫掛網(wǎng),預(yù)先選取圍巖整體性較好處作為掛網(wǎng)承載點(diǎn),進(jìn)行鉆鑿安裝管縫式錨桿。 為保證安全,在巷道內(nèi)搭建骨架,橫向及高度方向鋪設(shè)出三層HBR500 材質(zhì)的、直徑30 mm 的螺紋鋼,縱向鋪設(shè)三層受拉竹筋。 竹筋用橫向竹子互相聯(lián)接固定,防止充填倒伏,骨架搭接處用鐵絲纏繞加固。搭建完畢后,由鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)送至采場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)位置。 隨后進(jìn)行人工假頂充填。

4.2 人工假頂現(xiàn)場(chǎng)效果

圖6 與圖7 為充填28 d 后厚度為4.75 m 人工假頂現(xiàn)狀及高度圖。 從圖中可看出鋼筋和竹筋完整程度較好,竹筋與充填體共同承擔(dān)著上部荷載壓力,人工假頂支護(hù)效果良好。

圖6 充填28 d 人工假頂現(xiàn)狀圖

圖7 充填28 d 人工假頂高度圖

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

HBR500 螺紋鋼成本約4 000 元/t,即2 m 鋼筋成本約40 元/根,凡口鉛鋅礦所用毛竹的成本約5 元/根,膠面充填的綜合充填成本約40 元/m3,采場(chǎng)長(zhǎng)度為20 m,假頂寬度為4 m,按照最低消耗進(jìn)行計(jì)算,原首層充填厚度6 m 時(shí),每2 m 消耗鋼筋53 根,改良后4.75 m 人工假頂每2 m 消耗鋼筋47 根,縱向竹筋為6 根。 可得6 m 人工假頂總成本C1為:

而充填厚度為4.75 m 時(shí),總成本C2為:

節(jié)約成本ΔC為:

因此,采用竹筋-鋼筋骨架及4.75 m 充填高度后,每個(gè)人工假頂可節(jié)約成本6 100 元,降低成本約15%。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 基于竹筋與鋼筋的物理力學(xué)性能對(duì)比分析,礦山充填現(xiàn)場(chǎng)施工中使用竹筋部分或全部替換鋼筋進(jìn)行支護(hù)是可行的。

2) 簡(jiǎn)支梁理論和數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,采用竹筋-鋼筋的單筋矩形截面方案的配筋方式時(shí),首層充填厚度為4.75 m 的人工假頂竹筋-鋼筋骨架能夠有效地對(duì)凡口鉛鋅礦采場(chǎng)人工假頂進(jìn)行支護(hù)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明竹筋-鋼筋骨架人工假頂能夠有效保護(hù)破碎采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性,可節(jié)約支護(hù)成本約15%。

4) 竹筋部分或全部替代鋼筋進(jìn)行人工假頂骨架制作是未來(lái)的重要發(fā)展方向。 本文僅對(duì)原竹進(jìn)行了人工假頂方面的應(yīng)用研究,在將來(lái)的研究中可以嘗試將改性竹筋運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐,進(jìn)一步擴(kuò)展竹筋骨架人工假頂結(jié)構(gòu)的適用范圍。