基于竹筋-鋼筋骨架的人工假頂首層充填厚度研究及現場應用①

2021-01-30 07:23:16王衍海唐鳴東史秀志

礦冶工程 2020年6期

王衍海，王方，唐鳴東，史秀志，喻智

(1.中南大學資源與安全工程學院,湖南長沙410083； 2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南長沙410012)

破碎采場賦存條件復雜,礦體形態不規則,圍巖穩定性差,不當的開采易導致采場頂板失穩破壞,同時采場作業的擾動易引發周邊采場頂板大規模垮塌,出現安全事故。為保證人員在破碎采場內正常作業,需在破碎采場構筑人工假頂。

人工假頂骨架是承重的關鍵,目前假頂設計中多采用全鋼筋骨架,文獻［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。關于竹筋作為骨架結構的研究很多［2-5］,但大都停留在現場經驗探討或簡單力學性能研究上,對于竹筋替代鋼筋的可行性和具體替代效果并沒有明確的分析結果或結論,致使方案設計時無法科學合理地設計、分配竹筋。

首層充填厚度,即人工假頂的高度是人工假頂設計的重要參數,其設計效果需同時滿足強度高、穩定性好與經濟性佳的要求［6-7］。本文從竹筋與鋼筋材料特性出發,首先分析了竹筋替代鋼筋作為人工假頂骨架的可行性,隨后運用簡支梁理論與數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、合理配筋方式和設計方案。經相互驗證,最終優選出了合理的竹筋-鋼筋配筋方式與最優首層充填厚度,并將其應用于凡口鉛鋅礦Shd-200m 試驗采場。

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度,文獻［2］指出竹制品抗拉強度較大,約為鋼材抗拉強度的1/2,同時竹制品具有強重比大于鋼材、可塑性好、成本低、易獲得等優點。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 人工假頂簡支“梁”力學模型

人工假頂上部為間柱采場充填方式,即在充填一定強度充填體后回采一定高度的廢石,采場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支梁模型,針對采場長度和跨度的不同,將礦體、圍巖和充填體近似成均勻的彈塑性介質體,構建相應的“梁”模型［8］發揮其承載作用。

由簡支梁理論［9］可知,矩形截面簡支梁的慣性矩與拉應力為:

式中Iz為慣性矩；b為人工假頂寬度；h為人工假頂厚度；σt為拉應力；K0為假頂荷載賦值危險修正系數,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為中心面原點至人工假頂底的距離。

對矩形截面簡支梁人工假頂進行全塑形分析,應力應變分布如圖1 所示。此時截面承受彎矩作為最大彎矩Mmax計算人工假頂受彎承載力、配筋。這種計算方式符合安全可靠性,破壞發生在適筋梁范圍內,經濟合理。

圖1 全塑形分析的截面和應力分布

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

1.3 布筋與最優充填厚度

目前梁結構常用的鋼筋布置方案為正截面受拉區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圖如圖2 所示。

圖2 布筋方案正截面簡圖

由圖2 可知,鋼筋所負擔區域高度h′為530 mm,即第一層鋼筋所負擔面積下的拉力為:

考慮現有鋼筋力學性質及采場不穩定性等因素,現場選用直徑30 mm 的HRB500 螺紋鋼,其力學參數如表1 所示。

表1 鋼筋力學參數

所負擔面積下的鋼筋數滿足:

式中fy為鋼筋的抗拉強度設計值；S為鋼筋的截面積,mm2；n為鋼筋數量。

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

結合凡口鉛鋅礦現場所使用的竹筋情況,選用外徑80 mm、內徑60 mm 的韶關本地毛竹。參考相關文獻［5］,竹筋基本力學參數如表2 所示。毛竹有效截面面積S竹=2 198 mm2。同樣地,由上述公式可計算出相同應力情況下,僅需要20 根毛竹即可替代22 根螺紋鋼。

表2 竹筋試驗數據

人工假頂材料參數選自凡口鉛鋅礦現場實際測試數據。其中,人工假頂彈性模量為500 MPa,泊松比為0.2,內摩擦角31°,黏聚力1.561 MPa,軸心抗壓強度5.6 MPa,抗拉強度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,抗拉強度的設計值為435 N/mm2。

同理由公式(1)～(2)可計算出不同充填厚度時人工假頂的配筋情況如表3 所示。當人工假頂最大拉應力大于充填體最大拉應力時說明頂板安全。同時為減少施工成本,充填厚度應盡可能小。因此,從表3 可知最優充填厚度為4.75 m。

表3 不同充填厚度下的人工假頂參數

2 數值模擬

2.1 模型參數

以凡口鉛鋅礦Shd-200m 中段試驗采場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,會產生縱向滑移,因此增加COMBIN39 彈簧單元以符合現場實際。

布筋形式:層間距為750 mm,沿采場寬度方向,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。同時沿采場長度方向間隔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。采場長度20 m,采場暴露寬度4 m,由于人工假頂應力關于Y軸對稱,為減小計算量,采用對稱約束,即假頂長度為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 時人工假頂模型,分析其穩定性。

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 結果分析

3.1 不同充填厚度竹筋-鋼筋骨架人工假頂模擬結果

表4 為不同充填厚度時竹筋-鋼筋人工假頂應力與位移變化,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 時最大位移增至145.63 mm,對于延展性較差的充填體介質而言,屬于較大變形,假頂沉降量大,極易發生破壞。

當首層充填厚度減小時,竹筋Z方向上無明顯滑移,說明未出現竹筋斷裂分離現象,竹筋與充填體共同承擔上部荷載。可從側面說明竹筋替代鋼筋后仍有較好的黏結力,這種結構的人工假頂具有較大的荷載承受能力。但當充填厚度為4.5 m 時,Z方向最大位移增加到53.72 mm,說明假頂出現大跨度裂縫延伸。因此說明4.75 m 為最優充填厚度。

表4 不同充填厚度竹筋-鋼筋結構人工假頂模擬結果

3.2 開裂情況對比

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

當充填厚度降至4.5 m 時,從圖中可明顯看到人工假頂出現了大跨度的裂紋延伸現象,假頂中心區域出現二次開裂,假頂發生失穩破壞。結合表4 可以發現此時拉應力為5.6 MPa,大于人工假頂的抗拉強度,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 可知人工假頂數值模擬的最優充填厚度為4.75 m。

圖5 不同充填厚度人工假頂開裂主視圖與側視圖

綜合簡支梁理論分析與ANSYS 軟件模擬的結果,可得出結論:竹筋-鋼筋配筋方式可行,最優充填厚度為4.75 m。

4 現場驗證

4.1 竹筋-鋼筋骨架鋪設

竹筋-鋼筋骨架需在采場兩幫掛網,預先選取圍巖整體性較好處作為掛網承載點,進行鉆鑿安裝管縫式錨桿。為保證安全,在巷道內搭建骨架,橫向及高度方向鋪設出三層HBR500 材質的、直徑30 mm 的螺紋鋼,縱向鋪設三層受拉竹筋。竹筋用橫向竹子互相聯接固定,防止充填倒伏,骨架搭接處用鐵絲纏繞加固。搭建完畢后,由鏟運機運送至采場內設計位置。隨后進行人工假頂充填。

4.2 人工假頂現場效果

圖6 與圖7 為充填28 d 后厚度為4.75 m 人工假頂現狀及高度圖。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著上部荷載壓力,人工假頂支護效果良好。

圖6 充填28 d 人工假頂現狀圖

圖7 充填28 d 人工假頂高度圖

4.3 經濟效益分析

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,采場長度為20 m,假頂寬度為4 m,按照最低消耗進行計算,原首層充填厚度6 m 時,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: