梧桐莊礦可縮性墩柱補強技術研究及應用

郭東明，韓 笑，候天宇，陳 今，劉寶印，陳亮亮，王官清，劉學磊

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

在煤炭開采過程中，回采工作面大多采用留設煤柱的方式進行維護[1]，該方式導致煤炭資源總量損失40%左右，大大降低了回收率[2-3]。沿空留巷取消了護巷煤柱，提高了煤炭資源回收率和巷道掘進率，解決了回采工作面推進過程中因煤柱應力集中造成的沖擊地壓、瓦斯涌出與積聚等問題[3-4]。梧桐莊礦采用墩柱式沿空留巷，可縮性墩柱體巷旁切頂屬于沿空留巷中的主動切頂卸載技術，支護的前期作用主要是切頂，后期作用是保證下位巖層不垮落，使用的填充體材料具有可壓縮性，可以適應上覆巖層整體下沉引起的“給定變形”。即前期應“以切頂為主、切讓兼顧”的原則，后期應堅持“以讓為主、讓支兼顧”的原則[5-6]。因此，墩柱體巷旁支護的沿空留巷既要求早期具有足夠的支護剛度以保證支護切頂作用效果，又要求具有足夠的下縮量控制基本頂的失穩[7-9]。但在礦下實際應用中發現，墩柱因承載力不足發生局部破壞時下縮量未能滿足卸壓要求。針對墩柱承載力不足的問題，本文通過對墩柱進行室內軸壓試驗分析其破壞過程及理論分析提出在墩柱中部焊接加勁片、底部焊接加勁環的補強措施，并采用ANSYS軟件模擬及現場監測進行驗證[10]，可為礦用可縮性墩柱加固方法提供參考。

1 工程概況

梧桐莊礦182802工作面位于八采區南翼，東為充填系統回風巷，西為韋武神崗背斜，南為第10勘探線，北為182802出煤巷，采煤方法為走向長壁后退式一次性采全高采煤法，推進平均長度252 m，工作面長度100 m。本工作面煤層比較穩定，厚度為3.20～3.30 m，平均3.25 m，煤層傾角2～10°，平均傾角6°。直接頂底為性脆、致密的砂質頁巖。實施沿空留巷的巷道208外回風順槽為錨網索支護，凈寬4.2 m，凈高3 m。工作面采用墩柱支護的沿空留巷方式，將巷旁可縮性墩柱與錨索槽鋼聯合支護，墩柱布置間距為1 m。可縮性墩柱為兩節嵌套的無縫鋼管構成：上下兩節高度均為2 000 mm，兩節鋼管之間的搭接長度500 mm，內部充滿砂石灰，上出料口主要用于充填，下出料口用于充填材料的釋放，整體結構如圖1所示。

圖1 留巷期支護及墩柱結構圖Fig.1 Support structure and pier structure diagram

2 可縮性墩柱破壞特征及加勁措施

2.1 墩柱破壞規律

根據梧桐莊礦圍巖活動規律和地質生產條件，計算出182802工作面支護體所需要承受的巷旁支護阻力為2 74.78 kN/m。為研究墩柱試件在豎向荷載下的破壞形態，使用20 000 kN微機控制電液伺服長柱壓力試驗機對試件進行室內單軸壓縮試驗。

加載初期，荷載值為640 kN時，墩柱只發生豎向變形，沒有發生破壞；繼續加載到1 500 kN后，墩柱的下出料口開裂，充填材料溢出；當荷載值為2 000 kN時，下出料口繼續開裂，墩柱搭接處發生彎曲；荷載值增加到2 446 kN時，墩柱中部搭接處發生較大彎曲變形，導致局部失穩，彎曲變形量最大點位于下節鋼管最上端緊靠上節鋼管處，墩柱底部發生鼓曲破壞，鼓曲變形最大處位于墩柱最下端。

2.2 墩柱加勁補強措施

由室內試驗可知，上節鋼管向下移動時，易出現偏向移動，這是由于墩柱本身是由兩節鋼管嵌套而成，且內部材料充填不均勻，墩柱在豎向荷載作用下受到偏心壓力，隨著荷載逐漸增大，墩柱中部搭接處發生較大彎曲變形，彎曲變形量最大點位于下節鋼管最上端緊靠上節鋼管處，易導致局部失穩破壞；由于鋼管最下端受到的上部壓力最大，鼓曲變形最大位置位于最下端，最易發生鼓曲破壞。

加勁肋能有效提高鋼管柱的抗彎和抗壓強度，是避免鋼管過早出現局部屈曲的一種有效措施，因此，結合施工方便及節約成本，提出對墩柱中部和底部加勁的補強措施。

2.2.1 墩柱中部加勁措施

由于墩柱是由兩節鋼管嵌套而成，在豎向荷載作用下，上節鋼管會向下滑移，在鋼管內部施加加勁肋會阻礙上節鋼管的移動，因此選擇在上節鋼管外表面均勻焊接4片加勁片來提高其承載性能。鋼管加勁肋和工字型截面組合梁受壓翼緣板類似，可看作在板平面均勻受壓的一塊三邊支承、一邊自由的矩形板條[11]，參考國家標準《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)中關于梁板局部穩定性的規定，取b/t=6。加勁片的厚度t取10 mm，寬度b為60 mm，長度為200 mm，加勁片布置如圖2所示。

圖2 墩柱加勁示意圖Fig.2 Schematic diagram of the pier column

2.2.2 墩柱底部加勁措施

構成墩柱的上節鋼管管徑為Φ325 mm×8mm，內徑為Φ309 mm；下節鋼管管徑為Φ299 mm×8 mm，內徑為Φ283 mm，故可將鋼管看作薄壁圓筒。根據薄壁圓筒應力計算見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：a為鋼管內徑，m；b為鋼管外徑，m；r為任意直徑，m，a

(3)

式中：pi=k·q=(1-sinθ)·q；k為側壓系數，k=1-sinθ。

(4)

(5)

由(5)式可知，鋼管的壁厚越大，其極限承載也就越大，在鋼管底部焊接加勁環即增加了鋼管的厚度，提高了鋼管的極限承載力。因此針對鋼管底部破壞，提出加勁環的加固措施，根據《鋼結構加固技術規范》中有關軸心受力構件加固的規定，為滿足加固后構件凈截面積要求，加勁環長度取200 mm，厚度為10 mm，加固后的墩柱如圖2所示。

3 墩柱補強效果分析

3.1 有限元模型建立

3.1.1 材料本構關系

鋼管單元選用ANSYS軟件中的SOLID45實體單元模擬。由于鋼管材質本身具有彈塑性，可以應用多線隨動強化法則。采用Von.Mises屈服準則和相關流動法則[13]。屈服承載力為325 MPa，抗拉承載力為520 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。對核心的充填砂石材料我們采用ANSYS中的SOLID65三維實體結構單元來進行模擬。對解決模型中鋼管與充填材料—砂石樁的接觸界面，需要采取ANSYS軟件中的接觸單元CONTAC173及目標單元TARGE170。選取接觸剛度的比例因子為0.1，充填的核心砂石材料與鋼材表面的摩擦系數取0.3，材料的最大摩擦力取值為砂石充填材料的抗拉應力2.57 MPa。

3.1.2 網格的劃分

網格劃分質量的好壞對計算結果的準確性及收斂速度影響較大，由于SOLID65單元本身是采用彌散裂縫模型和最大拉應力開裂判據，很多情況下會因為應力集中而使核心材料提前破壞，從而與試驗結果不相吻合。所以，為防止材料因應力集中而發生破壞，且在保證精度的原則下，計算模型單元尺寸均取2 cm。

3.1.3 邊界條件及加載方式

根據試驗實際情況，試件加載端取自由端，另一端為固定端，在有限元分析中，將集中力轉化為均勻分布在柱頂截面一定范圍內的面荷載25 MPa，具體的約束條件及加載方式見圖3。

圖3 受力簡圖Fig.3 Static load test on pier column

3.2 墩柱中部加勁補強效果分析

圖4為墩柱中部加勁前后的模擬效果圖。結果表明：在加勁前，墩柱最大的彎曲撓度為8 cm，且最大撓度發生在下節鋼管距底端1.9 m處。加勁后墩柱的最大撓度為2 cm，通過加勁使橫向變形減小75%，墩柱中部加勁能夠有效提高墩柱的抗彎性能。

3.3 墩柱底部加勁補強效果分析

圖5為墩柱底部加勁前后的模擬效果圖。結果表明：在墩柱的底部焊接加勁環后，下節鋼管穩定性提高，同樣有利于減少中部搭接處的彎曲變形。鋼管壁厚由原來的8 mm增加到18 mm，使其徑向位移由原來的2 cm減少到0.0316 cm，基本可以使其保持不發生變形。由此可知，加勁環能有效減少墩柱底部及中部變形量，提高墩柱承載力。

4 現場應用

通過對墩柱中部和底部進行加勁補強有效減少了墩柱中部彎曲及底部撓曲變形，再此數值模擬分析的基礎上，為進一步驗證加勁補強效果，在梧桐莊礦182802工作面推進過程中布置墩柱，如圖6所示。為驗證加勁后墩柱的留巷效果，采用頂板離層指示儀對巷道頂板離層進行離層檢測，并對墩柱受力及下縮量進行監測，結果如圖7所示。

圖4 中部加勁模型及前后效果圖Fig.4 Central stiffening model and front and rear renderings

圖5 底部加勁模型及前后效果圖Fig.5 Bottom and stiffening model and front and rear renderings

圖6 工作面支護平面布置示意圖Fig.6 Work surface support floor plan

經過沿空留巷礦壓監測結果可知，斷面深部離層為22 mm，淺部離層為12 mm，頂板離層值較小，說明在加勁后的墩柱巷旁支護與巷內錨桿、錨索聯合作用下，留巷期間頂板的下沉運動表現為上覆巖層的整體位移，頂板穩定性較好；加固后的墩柱最大承載力為27 MPa時，最大下縮量為256 mm，墩柱承載力明顯提高且加勁補強后的墩柱局部破壞明顯減小，起到了良好支護作用，保證了巷道安全穩定，滿足礦井生產要求，具有較高的社會經濟效益。

5 結 論

1) 通過對墩柱進行室內靜載試驗，墩柱中部搭接處發生較大彎曲變形，彎曲變形量最大點位于下節鋼管最上端緊靠上節鋼管處，易發生局部失穩破壞；鼓曲變形最大處位于墩柱最下端，發生鼓曲破壞。

2) 數值模擬分析可知：在上鋼管底部外表面均勻焊接4片加勁片，可加強搭接處的抗彎剛度，橫向變形減小75%， 有效限制了墩柱朝任意方向發生彎曲；在墩柱的底部焊接加勁環后，徑向位移由原來的2 cm減少到0.0316 cm，基本可以保持不發生變形。

圖7 底部加勁模型及前后效果圖Fig.7 Bottom end stiffening model and front and rear renderings

3) 現場觀測結果驗證了墩柱采用加勁肋的補強措施后，墩柱承載力明顯提高，且加勁補強后的墩柱局部破壞明顯減小，支護效果良好，保證了巷道安全穩定。