不同應力狀態下鋼管混凝土支架支護性能模擬分析及應用研究

魏禮剛 王 軍 陳冰慧

(1.山東能源新礦集團華豐煤礦，山東省泰安市，271413；2. 山東建筑大學，山東省濟南市，250101；3. 山東深博巷道支護技術有限公司，山東省濟南市，250022)

在深井軟巖巷道支護中，受高地應力、高地溫、高滲透水壓和強烈的開采擾動影響，圍巖單軸抗壓強度30 MPa以上的中硬巖層表現出了軟巖工程特點，巷道出現大變形，常規支護措施往往難以奏效，返修率不斷提高，支護成本大幅增加。此外，巷道變形也表現出較強的規律性：當圍巖垂向荷載較大時，巷道變形表現為頂板下沉和底鼓；當圍巖水平荷載較大時，巷道變形表現為兩幫收斂；當巷道垂向荷載和水平荷載相近且都比較大時，巷道變形會最先出現在支護薄弱點，然后向周邊擴散發展，直到巷道發生整體破壞。

鋼管混凝土結構具有優良承壓性能，以其為基本材料做成的鋼管混凝土支架具有高承載力、高性價比和施工簡單等特點。近年來，鋼管混凝土支架已經應用于全國近30個工程項目，在深井軟巖巷道支護中表現出良好的實踐效果。

一些學者針對鋼管混凝土支架在深井軟巖巷道中的應用進行了研究，主要集中于鋼管混凝土支架在深井軟巖巷道的應用實踐。但對于不同圍巖應力狀態下鋼管混凝土支架的變形與應力變化特征研究不多。本文以華豐煤礦-1100 m水平大巷為工程背景，模擬3種圍巖應力狀態：以垂向荷載為主的圍巖應力狀態、以水平荷載為主的圍巖應力狀態和近似靜水壓力的圍巖應力狀態，以常用的直墻半圓拱巷道斷面設計鋼管混凝土支架，采用有限元軟件ABAQUS模擬分析不同應力狀態下鋼管混凝土支架的結構受力和變形特征，通過對支架變形破壞關鍵位置的分析，提出曲墻圓弧拱支架這種合理結構，最后將曲墻圓弧拱支架應用于華豐煤礦-1100 m水平大巷的鋼管混凝土支架支護實踐中。

1 工程概況

華豐煤礦-1100 m水平大巷埋深1230 m，布置在6號煤層底板巖石中，與6號煤層水平距離50 m，巷道掘進揭露煤巖層依次為8(2)號煤層、中砂巖、8(1)號煤層、粉砂巖、7(3)煤層、泥灰巖、粉砂巖、細砂巖和7(2)煤層。穿層圍巖主要為粉砂巖，巖層傾角31°～33°，巖石單向抗壓強度30～40 MPa，圍巖參數見表1。

表1 巷道圍巖參數表

-1100 m水平大巷斷面為直墻半圓拱，使用時間已接近10年，經歷多次返修，最近兩次返修支護方式分別為全斷面雙層錨網噴支護與錨網噴+U36型鋼支架復合支護。錨桿參數為：直徑22 mm，長2200 mm的全螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm×1000 mm；噴層參數為：?5 mm鋼筋焊接而成的鋼筋網，網孔100 mm×100 mm，噴層混凝土強度等級C20；型鋼支架參數：壓力較大地段采用早期U29型鋼支架，后期U36型鋼支架，直墻半圓拱形無反底拱，間距800～1000 mm。受高地壓、構造應力及6號煤層工作面采動影響，巷道變形具有明顯的非對稱性或尖頂等現象，如圖1所示。

圖1 巷道支護典型變形圖

2 巷道破壞原因及初步返修設計

2.1 原有支護破壞因素分析

2.1.1 巷道埋深大、地壓高

-1100 m水平大巷埋深1200～1250 m，取上覆巖層平均重度25 kN/m3，則垂向地應力30～31.25 MPa，而-1100 m水平大巷周邊圍巖抗壓強度為30～40 MPa，應力強度比值接近1；同時地應力測試顯示-1100 m水平大巷水平地應力略高于垂向地應力，故圍巖表現出軟巖特征。

2.1.2 圍巖強流變易擾動

監測顯示，-1100 m水平大巷支護后沒有穩定期，不論返修多少次，大巷始終處于變形狀態中，主要是由于千米深井圍巖壓力大且接近或超過巖石長期穩定強度所致。強流變狀態下，圍巖極易受擾動影響，上覆6號煤層與-1100 m水平大巷距離較近，如圖2所示，6號煤層工作面開采擾動加速了-1100 m水平大巷圍巖變形。

2.1.3 非對稱擠壓作用

由圖2可知，煤巖混合層強度較低，受上下粉砂巖層擠壓作用，容易產生垂直巖層節理面的壓縮；同時，多次返修清除的渣土是軟弱煤巖混合層破碎體，最終表現為典型非對稱變形。

圖2 -1100 m水平大巷巖層層狀圖

根據破壞因素分析，返修應選用承載力較強的外部支護體，不但單純運用錨網噴調動圍巖自承載力，同時，反底拱要進行支護形成封閉支護結構，擬采用鋼管混凝土支架+錨網噴的復合支護技術。

2.2 返修方案初步設計

依據-1100 m水平大巷原有斷面初步設計直墻半圓拱形鋼管混凝土支架+錨網噴復合支護返修方案，直墻段與反底拱之間拐角鋼管切斜口焊接而成，復合支護設計如圖3所示。

為預防過渡拐角處鋼管開裂，同時設計曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架+錨網噴復合支護，曲墻段與反底拱之間采用圓弧過渡，過渡中點設接頭套管，如圖4所示。

圖3 直墻半圓拱形復合支護設計

圖4 曲墻半圓拱形復合支護設計

鉆孔應力監測顯示，受上覆巖層構造應力作用，-1100 m水平大巷圍巖主應力方向在穿層過程存在變化。為研究鋼管混凝土支架在不同圍巖應力狀態下支護性能，驗證鋼管混凝土支架的支護適用性，采用ABAQUS數值分析軟件對直墻半圓拱形鋼管混凝土支架和曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架做模擬分析，模擬不同應力狀態下支護性能。

3 鋼管混凝土支架模擬分析

3.1 數值分析模型建立

以鋼管混凝土支架為研究對象，選擇支架周圍一定范圍內的圍巖輔助支護模擬。計算模型大小為一架支架的支護范圍，即長12 m、寬12 m、厚度0.8 m，模型底部限定位移。其中，曲墻半圓拱形支架模型如圖5所示。

圖5 數值分析模型圖

模型圍巖參數以粉砂巖參數為準，鋼管采用彈塑性模型，鋼管應力與塑性應變的關系見表2，混凝土采用塑性損傷模型。鋼管混凝土采用Mises屈服準則，即通過一個等效量替代多個應力張量將復雜應力狀態模擬成一維狀態。

表2 鋼管和混凝土材料參數

假定核心混凝土完全充填鋼管，在加載過程中鋼管和核心混凝土沒有相對滑動，接觸采用自動耦合辦法處理。邊界條件設定為：模型底部采用嵌固邊界，限制各個方向的位移，采用大變形模式。通過模型頂部和兩幫對模型逐漸施加切向荷載即壓應力，直至鋼管混凝土支架破壞為止。

3.2 模型加載設計

垂向地壓隨巷道埋深的增加呈現線性增長，因此以垂向地壓σz為基礎，將圍巖應力狀態分為3種：等壓應力狀態(σh=σz)；垂向主應力狀態(σz>σh，σh=0.7σz)；水平主應力狀態(σz<σh，σh=1.3σz)。

根據3種圍巖應力狀態分別設計3種加載方式，垂向地壓初始值σz=0 MPa，加載時σz按照0.2 MPa/級均勻增加，按不同應力狀態下的對應關系σh隨σz均勻變化，直到支架屈服破壞。兩種斷面支架的數值模型加載設計如圖6所示。

圖6 數值分析加載設計圖

3.3 數值模擬分析結果

計算完成后分析不同應力狀態下鋼管混凝土支架的支護反力、支架變形量和破壞方式。

3.3.1 支護反力分析

支護反力是支架對圍巖的支撐能力，取支架半圓形拱頂段進行研究，假設拱頂段支護反力大小一致、分布均勻，提取拱頂段兩端軸力N，支架拱頂段支護反力計算原理圖如圖7，通過式(1)，可求得拱頂屈服前的最大支護反力如表3所示。

圖7 支架拱頂段支護反力計算原理圖

(1)

式中：s——支架間距，即計算模型厚度，取0.8 m；

R——支架半圓拱半徑，取2.597 m；

σ——支架的支護反力，MPa；

N——半圓拱端面軸力，kN。

表3 鋼管混凝土支架支護反力表

由表3可以看出，曲墻半圓拱形支架支護反力在3種圍巖應力狀態下均優于直墻半圓拱形支架。對于兩種斷面支架而言，都是垂向地壓與水平地壓等壓狀態下，支護反力最大；而其他兩種地壓狀態差別不大。

3.3.2 支架變形量分析

支架變形主要包括拱頂下沉和兩幫收斂。隨著圍巖承受荷載增加，支架前期微變形；當荷載達到一定程度后，支架開始產生變形且變形速度不斷增加，直到支架變形過大而破壞。提取最大支護反力對應的支架極限變形量見表4，支架位移云圖如圖8所示。

表4 鋼管混凝土支架極限變形量

由表4可以看出，各種圍巖應力狀態下，曲墻半圓拱封閉型鋼管混凝土支架的極限變形量都比直墻對應支架的極限變形量大，同時主應力對應方向的變形量略大。在以水平地壓為主的狀態下，支架變形量最大。

3.3.3 支架破壞方式

鋼管混凝土采用Mises屈服準則，當鋼管混凝土支架局部單元體屈服破壞時模型停止運算。3種圍巖應力狀態下破壞方式分析分別見表5、表6和表7，鋼管混凝土支架破壞如圖9所示。

圖8 鋼管混凝土支架位移云圖

分類直墻半圓拱支架曲墻半圓拱支架破壞位置底角焊縫反底拱段破壞方式焊縫受拉開裂鋼管局部應力屈服破壞原因焊接位置鋼管變形大導致焊縫外側拉應力集中反底拱曲率半徑過大支架底鼓導致鋼管局部應力屈服

表6 垂向主應力狀態下的破壞方式分析

通過數值模擬分析可知，等壓狀態鋼管混凝土支架支護性能最優，垂向主應力狀態次之，水平主應力狀態最差；曲墻半圓拱形狀支架支護性能優于直墻半圓拱形支架，特別是底角支護效果好。

表7 水平主應力狀態下的破壞分析

圖9 鋼管混凝土支架Mises云圖

4 鋼管混凝土支架支護實踐

4.1 支護實踐過程

2010年8月份，-1100 m水平大巷采用鋼管混凝土支架+錨網噴返修支護，為進一步驗證支架斷面差異，分別進行了直墻半圓拱與曲墻圓弧拱鋼管混凝土支架工程對比實踐。鋼管混凝土支架型號?194 mm×8 mm，支架間距800 mm；錨桿采用?22 mm×2400 mm左旋螺紋錨桿，間排距1000 mm×800 mm，鋼筋網采用鋼筋焊接而成的2000 mm×1000 mm網片，噴射混凝土強度等級C20；巷道周邊預留變形空間寬度150 mm，支架壁后水泥背板插花式排列。

基于鋼管混凝土支架的復合支護方案實施后，-1100 m水平大巷穩定性良好，復合支護前兩年兩種斷面支架均無明顯變形，支護效果如圖10所示。2013年3月份開始，直墻半圓拱支架底角焊口出現開裂，而曲墻半圓拱支架底角處無明顯變化，鋼混支架底角變化對比如圖11所示。采用外包鋼箍方式加固直墻半圓拱支架底角，有效抑制了底角引起的支架變形。

圖10 基于曲墻半圓拱鋼混支架的復合支護效果

圖11 鋼混支架底角變化對比圖

2010-2016年期間，基于鋼管混凝土支架的復合支護兩側的錨網噴支護及U型鋼支護共臥底7次，小修3次，大修2次，而基于鋼管混凝土支架的復合支護基本無明顯變形，僅進行2次壁后卸壓處理。2016年底至2017年4月份，-1100 m水平大巷受上覆煤層采動影響，整條巷道出現明顯變形，基于鋼管混凝土支架的復合支護段先出現底鼓變形，緊接著支架反底拱凸起，隨后2～3個月支架兩幫向內側變形，在肩部出現折斷現象，因此動壓擾動條件下的鋼管混凝土支架承載性能將是下一步的重點研究問題。

4.2 支護變形監測分析

采用十字布點法對兩種復合支護方案的支護效果進行監測，并繪制變形監測曲線如圖12所示。監測曲線表明，基于曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架的復合支護方案支護效果優于直墻半圓拱形鋼混支架復合方案，特別是兩幫變形對比明顯。

圖12 巷道變形監測曲線

5 結論與建議

5.1 主要結論

(1)華豐煤礦-1100 m水平大巷埋深大、強流變、受非對稱擠壓力、構造應力復雜、存在動壓擾動，導致支護困難，且支護后巷道不易穩定，采用高強支護是必然趨勢。

(2)設計直墻半圓拱形鋼管混凝土支架和曲墻半圓拱形鋼管混凝土支架兩種斷面，經模擬分析，曲墻半圓拱形支架優于直墻半圓拱形支架，焊縫式拐角是個薄弱點，容易導致直墻半圓拱形支架提前破壞；等壓狀態鋼管混凝土支架支護性能最優，垂向主應力狀態次之，水平主應力狀態最差。

(3)基于鋼管混凝土支架的復合支護應用于-1100 m水平大巷后，巷道持續穩定5年左右，總體支護效果良好，實現了-1100 m水平大巷長期穩定。實踐驗證曲墻半圓拱形支架支護效果良好，相同荷載作用下變形小于直墻半圓拱，且不存在明顯薄弱點。但鋼管混凝土支架抵抗動壓擾動效果不良，最終受動壓作用破壞。

5.2 研究建議

-1100 m水平大巷基于鋼管混凝土支架的復合支護應用5年后受上覆煤層采掘擾動破壞，且破壞速度較快；除鋼管混凝土支架外，其他支護系統在動壓擾動作用也無一幸免，且采動作用作為煤礦巷道的主要影響因素不能避免。因此建議將動壓擾動作用下鋼管混凝土支架的支護性能研究作為一個理論問題，進行深入研究。

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