深部巷道直墙半圆拱形钢管混凝土支架承载性能分析①

陈 斌， 左宇军，2，3， 王 剑， 孙文吉斌， 郑禄璟， 林健云

(1.贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳550025； 2.喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室,贵州 贵阳550025； 3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵州 贵阳550025； 4.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙410083)

近年来,德国、加拿大、澳大利亚、中国以及南非等国家的许多金属矿和煤矿开采深度已超千余米,有的金属矿山开采深度甚至超三千米,资源开采转向深部开采［1-2］。 在转入深部开采后,受“三高一扰动”等复杂条件作用,巷道围岩处于与浅部开采不同的非线性地质力学环境中,其中以高地应力影响最为显著［3］。受高地应力、(极)软岩等复杂地质条件影响,出现了大量深部难支护巷道。 承载能力较低的一般金属支架不能有效控制深部高应力巷道的变形［4-5］。 我国常用的深部高应力软岩巷道支护方式为U 型钢支架＋锚网喷联合支护,已取得较好的支护效果和大量的研究成果,但在转向更深的开采条件时也表现出承载强度不足、U 型钢自身结构缺陷、截面受力不合理等缺点［1］。

为解决深部高应力软岩巷道的难支护问题,持续有人尝试新观念、新工艺以及新材料,最具代表性的当属采用钢管混凝土支架。 该结构的工作状态是:外部钢管与内部混凝土相互共同作用,形成“力的共生”现象［6-7］,使钢管混凝土支架具有较高的承载力。 在巷道支护中,直墙半圆拱形断面是最常用的断面形状,具有诸多优点,但目前钢管混凝土支架的设计应用多集中在圆形和椭圆形断面［8］,而对直墙半圆拱形断面结构研究较少。

为了推动直墙半圆拱形钢管混凝土支架在深部高应力巷道中的应用,本文在现有钢管混凝土支架的研究基础上,对钢管混凝土支架的承载力进行计算和分析,进一步通过ANSYS 软件建立三维耦合模型,得到不同侧应力系数下支架的变形情况,综合研究两类支架的支护效果,为解决深部高应力软岩巷道支护难题提供技术依据。

1 工程概况

贵州某矿区270 中段巷道断层、节理裂隙发育,部分节理已呈张开状态,围岩整体较破碎,稳定性较差。在270、290 中段进行取坑内钻取芯工作,采用RQD(岩石质量指标分类)进行岩体质量评价,由于矿山使用坑内钻探矿,岩芯为圈定矿体的探矿岩芯,分为矿体下盘、矿体和矿体上盘3 部分,钻孔岩芯RQD 值分别为29.37%、30.23%和41.92%,所以岩体整体破碎,稳定性不好,根据岩石RQD 分类标准,岩石质量呈“差”等级。 结合现场调查的围岩裂隙程度和岩石质量指标评价,最后将巷道围岩定义为稳定性较差的Ⅳ级岩体［9］。

2 支架承载力理论计算

2.1 U 型钢支架承载力计算

通过文献［10］可知,随着测应力系数逐步增大,U型钢支架支撑力逐渐减小。 而深部巷道的典型特征是水平应力高于垂直应力,某些深部巷道的侧应力系数甚至超过1.5。 因此,在深部高水平应力巷道中采用U型钢支架支护无法达到需要的支护效果。

2.2 钢管混凝土支架承载力计算

钢管混凝土支架选取Φ194 mm × 8 mm 的20＃无缝钢管灌注C40 核心混凝土,其断面形状和大小与U型钢支架保持一致。

2.2.1 钢管混凝土短柱承载力计算

钢管混凝土短柱的轴压承载力Nx计算公式为［6］:

式中Nx为钢管混凝土短柱的承载力；Ac为核心混凝土的横截面积；fc为核心混凝土抗压强度,fc＝26.8 MPa。 套箍指标θ 表示外部钢管对核心混凝土套箍约束程度,,其中As为钢管的横截面积,fs为钢管的屈服强度,钢管和混凝土核心的参数见表1 ～2。 计算可得:Nx＝2 798.72 kN。

表1 钢管参数

表2 混凝土参数

2.2.2 钢管混凝土支架承载力计算

压弯组合是钢管混凝土支架在实际承载过程中的受力状态,考虑长细比和偏心率的综合作用,支架的承载能力为:

式中N0为支架的极限承载能力；φ 为极限承载能力的折减系数,受长细比以及偏心率的综合影响,取φ ＝0.78［5］。计算得:N0＝2 183 kN。

通过对比可知,理论计算得出的钢管混凝土支架的承载力远大于U 型钢支架。 从理论计算结果来看,在高应力巷道中采用钢管混凝土支架支护是更优选择。

3 数值试验分析

3.1 力学模型建立与边界约束

数值计算模型以某矿区270 中段实际工程地质条件为背景,依据岩体力学相关理论,一般取巷道宽度的3～5 倍作为巷道开挖后的应力调整范围［11］,联系巷道工程实际尺寸,采用ANSYS 有限元软件建立围岩与支架耦合模型,巷道围岩模型尺寸为32 m ×32 m ×3 m,整个模型分为两部分:围岩体和支架。 固定约束整个数值计算模型的底部,限制前后面的法向位移,模型顶部和侧面逐步施加压力。 根据深部矿山围岩裂隙程度,将围岩质量划分为5 个等级,选取的参数与不稳定的Ⅳ级岩体相似［9］,结合270 中段实际地质情况和相关资料［12］,U36 型钢以及围岩参数如表3～4 所示。 在整个数值模拟过程中,由于不能将所有影响巷道稳定性的因素都考虑进去,因此对所做模拟进行以下必要假定:①将围岩体视为连续均质、各向同性的力学介质；②在计算的过程中围岩体不产生滑移；③假定支架与围岩体之间完全接触。

表3 U36 型钢参数

表4 围岩参数

3.2 数值试验结果及分析

不同侧应力系数条件下进行数值试验,在钢管混凝土支架上选取32 个监测点,U 型钢支架上选取24个监测点,如图1 所示。

图1 监测点模型

在深部巷道中水平应力对巷道围岩体稳定性的影响比垂直应力更为显著。 在支架间距1.0 m、侧应力系数分别为1.0、1.5、2.0 条件下进行模拟,得到钢管混凝土支架和U 型钢支架的变形情况如图2 ～3 所示。 由图2～3 可知,随着侧应力系数增大,支架的最大变形量也随之增大。 主要受力为虚线部分。

图2 不同侧应力系数下钢管混凝土支架变形云图

图3 不同侧应力系数下U 型钢支架变形云图

提取钢管混凝土支架和U 型钢支架监测点在不同侧应力系数下的变形量,绘制曲线,如图4 ～5 所示。图4 中当侧应力系数为1.0 时,钢管混凝土支架底角与顶拱的变形量相差较大,反底拱的变形量较小且往底拱中心方向变形量逐渐减小,但整体变化不大。 说明此时顶底拱受力较小,而底角的受力较大。 随着侧应力系数逐渐增大,顶底拱的变形量也随之增加；底角的变形量增幅较小,变形量均在6～7 mm 之间；反底拱中心处的变形量大于两端。 从7 ～18 号监测点可看出,侧应力系数为2.0 时顶拱的拱形最为凸显,此时顶拱受力超过底角,变为整个支架受力最大的部分。 反底拱中心处的受力逐步增大,最后大于两端受力。 支架底角应力变化不大,但应力较高,主要原因是底角部位容易产生应力集中。 应对其底角部位进行监测观察,防止其首先变形破坏,从而影响支架的整体承载能力。 侧应力系数逐渐增大,但钢管混凝土支架底角变形量增幅较小,表明其在深部高水平应力巷道中有良好的适用性。

图4 不同侧应力系数下钢管混凝土支架变形折线图

图5 不同侧应力系数下U 型钢支架变形折线图

图5中当侧应力系数为1.0 时,U 型钢支架顶拱变形量较小且远小于底角的变形量,此时与顶拱相比底角的受力较大。 侧应力系数逐步增大时,支架顶拱和底角的变形量随之增加,从7 ～18 号监测点可看出,侧应力系数为2.0 时顶拱的拱形最凸显。 其中,在同一侧应力系数时,底角的变形量始终大于顶拱,且为支架整体的最大值。 表明底角所受应力是整个支架受力的最大部位。 因此,U 型钢支架的腿部会最先遭到变形破坏,从而影响支架的整体承载能力,这也是U 型钢支架不适用于深部高水平应力巷道的原因。

在相同侧应力系数下提取钢管混凝土支架的前24 个监测点和U 型钢支架的全部监测点,绘制曲线,如图6 所示。 当侧应力系数为1.0 时,除1 号监测点U型钢支架变形量差值稍大外,两类支架在各监测点的变形量基本相等。 随着侧应力系数增加,钢管混凝土支架底角的变形量变化较小；而U 型钢支架底角的变形量急剧增加,远大于钢管混凝土支架底角的变形量,两类支架其他监测点变形量基本保持相同。 其中,当侧应力系数为2.0 时,钢管混凝土支架顶拱的变形量大于底角,而U 型钢支架顶拱的变形量始终小于底角。 进一步表明,与钢管混凝土支架相比,U 型钢支架腿部是其最薄弱的部位,在深部高水平应力巷道中使用时会首先遭到破坏,不适合在水平应力较高的巷道中采用。

图6 相同侧应力系数下两类支架变形折线图

4 结 论

1) 理论分析结果表明,钢管混凝土支架的承载力远大于U 型钢支架。 受U 型钢支架自身结构影响,随着侧应力系数增加,U 型钢支架的承载力呈降低趋势。

2) 数值模拟结果表明,当侧应力系数为2.0 时支架变形量达到最大,钢管混凝土支架和U 型钢支架的最大变形量分别为9.136 4 mm 和13.046 0 mm,最大变形量位置分别在顶拱和底角处；随着侧应力系数增大,钢管混凝土支架底角变形量增幅较小且低于U 型钢支架,U 型钢支架腿部最先遭到破坏,而钢管混凝土支架整体承载性能良好。

3) 相比于U 型钢支架,直墙半圆拱形钢管混凝土支架承载性能优越,在解决深部高水平应力巷道围岩稳定性问题中有良好的潜力。