高應力巷道鋼管混凝土支架支護圍巖穩定性分析

劉國磊，林芊君，張曉君

(1.山東理工大學 資源與環境工程學院，山東 淄博 255049；2.河南理工大學 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯合工程實驗室，河南 焦作 454000)

高應力巷道鋼管混凝土支架支護圍巖穩定性分析

劉國磊1,2，林芊君1，張曉君1

(1.山東理工大學 資源與環境工程學院，山東 淄博 255049；2.河南理工大學 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯合工程實驗室，河南 焦作 454000)

針對高應力巷道圍巖控制難度大的問題，對鶴壁三礦高應力巷道的鋼管混凝土支架支護后的巷道圍巖變形破壞情況進行了理論分析和數值模擬.理論計算表明，Φ219×8mm型鋼管混凝土支架極限承載能力是2 595.04kN，可提供極限支護反力為1.8MPa.數值模擬結果顯示，支護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.現場實測發現兩幫和頂底板變形均發生在施工后30d內，最大移近量為40mm和60mm;后期變形量無明顯增長，巷道圍巖保持穩定.

高應力巷道；鋼管混凝土支架；巷道支護；圍巖穩定性

當前，蔡紹懷、鐘善桐、韓林海等眾多專家對鋼管混凝土結構進行了深入研究，取得了一系列研究成果，并將其成功應用于建筑、橋梁工程[1-4]，但將鋼管混凝土結構用于煤礦井下巷道支護方面的研究相對較少.中國礦業大學(北京)的高延法教授帶領的科研團隊，通過熱煨工藝將鋼管分段彎制成巷道斷面形狀，運至井下后組裝并灌注混凝土，成為具有較大支護能力的鋼管混凝土支架；將其用于深井軟巖巷道圍巖控制，取得了較大進展，目前已用于20余個礦井[5-14].河南煤化鶴壁三礦變電所泵房硐室埋深760m，圍巖強度較弱，巷道變形破壞嚴重，普通U型鋼+錨網噴支護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技術有效提高其圍巖穩定性.

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以北約4.4km，核定生產能力125萬t/年，立井多水平雙翼開拓，走向長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，巷道圍巖應力大，變形破壞嚴重.三水平變電所泵房硐室原采用錨網噴+U29型鋼支架支護，由于高地應力的作用和圍巖底板力學強度較低，巷道圍巖變形速度較快，僅6個月后巷道斷面減小1/2，無法使用，需要不斷返修，維護成本高.三水平變電所泵房硐室服務于整個開采水平，服務周期長，為保持巷道圍巖長期穩定，在該段巷道應用具有高支護能力的鋼管混凝土支架支護技術，實驗段長度為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Φ219×8mm，鋼管單位長度重量41.6kg/m.為便于安裝，將支架分為4節，頂拱段較短，反底拱較長.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方案如圖1所示.

圖1 鋼管混凝土支架支護斷面圖

2 鋼管混凝土支架支撐能力理論計算

(1)鋼管混凝土短柱承載能力

根據文獻[1]，鋼管混凝土支架軸壓短柱極限承載力設計值為

(1)

(2)鋼管混凝土支架支護反力

簡化為按照圓形巷道承受均布壓力計算，結構力學模型見圖2.

圖2 鋼管混凝土支架支護結構力學模型

通過結構力學分析，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為圍巖應力，MPa；R為巷道計算半徑，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反力為1.8MPa.

3 巷道圍巖穩定性數值分析

3.1 數值模型建立

采用FLAC3D數值分析軟件進行分析，將巷道斷面形狀簡化為由兩個橢圓組成.為減小模型邊界對分析結果的影響，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.對模型X軸和Y軸方向進行邊界位移約束，在Z軸方向，將模型下邊界設為固定約束，上邊界為自由邊界，并施加垂向應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垂直應力.模型中從上至下各巖層力學參數見表1.據此建立了數值模型，包含13 200個分析單元，如圖3所示.

表1 鋼管混凝土支架支護段巷道圍巖力學參數匯總表

巖層巖性容重/kN·m-3彈性模量/GPa泊松比內聚力/MPa內摩擦角/(°)抗拉強度/MPa1中砂巖276．000．204．00354．002泥巖253．000．352．00351．003細砂巖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 建立的力學模型

3.2 巷道圍巖穩定性分析

在所建立的模型中進行巷道開挖模擬計算，巷道開挖后模型計算200步后進行錨桿支護，再經過1 400步計算后進行鋼管混凝土支架支護，鋼管混凝土支架采用Beam單元.經計算平衡后，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，充分發揮了圍巖的自承能力.

3.3 鋼管混凝土支架受力監測

由巷道圍巖應力云圖可以看出，鋼管混凝土支架兩幫段較頂底板段受力大，支架左幫荷載隨時間的變化曲線如圖7所示.由圖可以看出支架荷載最大值為1 300kN，經理論計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圖

4 現場監測情況

現場施工后，對巷道圍巖變形情況進行為期60d的“十”字布點頂底板和兩幫移近量實測，通過對實測數據整理分析，得到巷道圍巖變形情況如圖8所示.由圖8可知：現場實驗結果與數值模擬結果接近，鋼管混凝土支架施工完成后60d內，巷道圍巖兩幫和頂底板最大移近量約為40mm和60mm，總體變形量較小，兩幫變形量大于頂底板變形量，且巷道圍巖變形破壞集中在巷道施工后前30d內，后期變形量增長不明顯，巷道圍巖穩定.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，支架穩定.

圖8 巷道圍巖變形情況

5 結論

(1)在鶴壁三礦三水平變電所泵房硐室巷道應用鋼管混凝土支架支護技術，鋼管混凝土支架的型號為Φ219×8mm.為便于安裝，將支架分為4節，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)經理論計算，鋼管混凝土支架極限承載能力是2595.04kN，所能提供最大支護反力為1.8MPa.

(3)數值模擬結果顯示，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)現場實驗表明鋼管混凝土支架施工完成后60d內，巷道圍巖兩幫和頂底板最大移近量約為60mm和40mm，總體變形量較小，兩幫變形量大于頂底板變形量，且巷道圍巖變形破壞集中在巷道施工后30d內，后期變形量增長不明顯，巷道圍巖穩定.

[1]蔡紹懷. 現代鋼管混凝土結構[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

[2]韓林海，楊有福. 現代鋼管混凝土結構技術[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2007.

[3]韓林海. 鋼管混凝土結構-理論與實踐[M]. 北京: 科學出版社, 2007.

[4]鐘善桐. 鋼管混凝土結構[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004.

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(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

國家自然科學基金面上項目(51474218)；中國博士后科學基金面上項目(2015M571159)；深井瓦斯抽采與圍巖控制技術國家地方聯合工程實驗室開放基金項目(G201606)；山東理工大學博士科研啟動經費項目(415036)

劉國磊，男，liuguolei2003@163.com

1672-6197(2017)02-0013-04

TD

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