深部高應(yīng)力巷道彎曲D型鋼管混凝土支架支護(hù)分析①

侯元將，左宇軍，陳 斌，鄭祿璟，2，金開玥，孫文吉斌

（1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貞豐 562204）

隨著礦山開采向深部發(fā)展，巷道面臨著高應(yīng)力、強(qiáng)采動和斷層破碎帶等復(fù)雜條件［1-2］。受這些復(fù)雜條件的影響，傳統(tǒng)型巷道支護(hù)鋼拱架存在支護(hù)強(qiáng)度不足、鎖緊力不足、拱架工作阻力較低、受力結(jié)構(gòu)不合理等缺點(diǎn)，易出現(xiàn)局部屈曲、整體折斷以及搭接部位撕裂折損等現(xiàn)象［3-4］，導(dǎo)致支護(hù)體系失效，從而使深部巷道圍巖穩(wěn)定性失去控制。拱架支護(hù)作為維護(hù)巷道自承結(jié)構(gòu)完整性和有效性的主體，是圍巖穩(wěn)定性控制的最后一道防線［5］。深部復(fù)雜地質(zhì)條件對圍巖支護(hù)形式提出了新的要求，支護(hù)能力更大的鋼管混凝土支架作為一種新型支護(hù)方式應(yīng)運(yùn)而生［6］。

在鋼管混凝土支架的鋼管中注入混凝土，混凝土受外部鋼管的約束作用，處于三向受壓狀態(tài)，其自身抗壓強(qiáng)度得以提高；同時(shí)，核心混凝土對外部約束結(jié)構(gòu)（鋼管）提供了支撐作用，鋼管抗彎強(qiáng)度和穩(wěn)定性得以提高，防止了鋼管屈曲凹陷失穩(wěn)。鋼管與混凝土相互作用，能夠產(chǎn)生“力的共生”效應(yīng)，能有效發(fā)揮材料各自的強(qiáng)度，提高鋼管混凝土支架的承載能力［7-8］。鋼管混凝土支架包含圓形鋼管混凝土支架、方形鋼管混凝土支架、U形鋼管混凝土支架以及彎曲D型鋼管混凝土支架等［9-10］。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，對彎曲D型鋼管混凝土支架開展了系統(tǒng)研究。首先通過理論計(jì)算圓形和彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管的抗彎截面系數(shù)，對比分析了2種支架的抗彎性能；然后使用ABAQUS構(gòu)建了圍巖支架耦合模型，研究了2種支架在不同側(cè)壓力系數(shù)下的受力特點(diǎn)與變形破壞特征，并分析了2種支架的支護(hù)效果。

1 工程概況

某礦位于貴州省黔西南州貞豐縣境內(nèi)，地處喀斯特地貌區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜。礦區(qū)30 m水平巷道圍巖變形如圖1所示。通過現(xiàn)場照片可以看出，該區(qū)域巷道變形嚴(yán)重且兩幫出現(xiàn)局部破壞，由于圍巖大變形，錨網(wǎng)出現(xiàn)破壞斷裂。受多期地質(zhì)構(gòu)造作用，該區(qū)域礦體及圍巖破碎，斷裂構(gòu)造、層理及節(jié)理裂隙發(fā)育。

圖1 巷道大變形

30 m水平巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，在30 m水平進(jìn)行現(xiàn)場取芯，以RQD指標(biāo)作為評價(jià)巖石質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，取芯位置為礦體及其上下盤，所得結(jié)果如表1所示。巷道圍巖穩(wěn)定性差，RQD平均值僅33.75%，屬差等級。根據(jù)現(xiàn)場區(qū)域圍巖裂隙程度，30 m水平巷道圍巖最終被確定為IV級圍巖。30 m中段巷道埋深將近800 m，圍巖所處環(huán)境地應(yīng)力較高，且水平應(yīng)力影響顯著，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果計(jì)算得出該中區(qū)域側(cè)壓系數(shù)約為1.2。針對該巷道支護(hù)難題，特提出采用鋼管混凝土支架支護(hù)。

表1 RQD統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 抗彎承載力理論分析

在實(shí)際圍巖支護(hù)中，支架處于壓彎組合狀態(tài)；且鋼管混凝土支架中鋼管截面的抗彎截面系數(shù)與支架的抗彎承載力有顯著關(guān)系。圓形和彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管截面的抗彎截面系數(shù)可用于評價(jià)2種支架的抗彎性能和抗彎承載力。2種支架的截面如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土支架截面參數(shù)（單位：mm）

2.1 圓形鋼管截面抗彎截面系數(shù)計(jì)算

圓形鋼管截面的慣性矩和抗彎截面系數(shù)計(jì)算式為：

式中Iz為圓形鋼管截面的慣性矩；D為圓形鋼管截面外徑；d為圓形鋼管截面內(nèi)徑；Wz為圓形鋼管截面的抗彎截面系數(shù)；ymax為鋼管截面形心至鋼管外徑的最大距離。經(jīng)計(jì)算得：Iz＝9 023 835.34 mm4，Wz＝120 317.80 mm3。

2.2 彎曲D型鋼管截面抗彎截面系數(shù)計(jì)算

彎曲D型實(shí)心鋼形狀以及參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［11］數(shù)值模擬優(yōu)化而來。建立如圖3所示坐標(biāo)系，該截面由A1，A2，A3組成，其中A1是圓心為O、半徑為R的半圓，A2由2個(gè)半徑為r的1／4圓組成，A3為長2（R-r）、寬r的矩形。

圖3 彎曲D型實(shí)心鋼截面

彎曲D型實(shí)心鋼截面形心縱坐標(biāo)計(jì)算公式為：

式中yc為彎曲D型實(shí)心鋼截面形心的縱坐標(biāo)；Ai為組成彎曲D型實(shí)心鋼截面各部分區(qū)域的面積，i＝1，2，3；yi為組成彎曲D型實(shí)心鋼截面各部分區(qū)域的形心縱坐標(biāo)，其計(jì)算公式為：

其中R＝80 mm，r＝48 mm，經(jīng)計(jì)算得：yc＝59.58 mm。

根據(jù)平行移軸公式，彎曲D型實(shí)心鋼截面的慣性矩計(jì)算公式為：

式中Iz為實(shí)心鋼截面的慣性矩；Izi為組成彎曲D型實(shí)心鋼截面各部分區(qū)域的慣性矩；di為各部分區(qū)域形心距實(shí)心鋼截面形心的距離。

式中Izg為鋼管截面的慣性矩；r0為A3的內(nèi)徑，r0＝40 mm。經(jīng)計(jì)算得：Iz＝27 644 630.40 mm4，Izg＝14 312 922.07 mm4。

彎曲D型鋼管截面的抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式為：

式中Wz為彎曲D型鋼管截面的抗彎截面系數(shù)；ymax為鋼管截面的形心至鋼管外徑的最大距離，經(jīng)計(jì)算得：

Wz＝177 066.52 mm3。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管抗彎截面系數(shù)是圓形鋼管混凝土支架鋼管抗彎截面系數(shù)的1.47倍。彎曲D型鋼管混凝土支架抗彎性能要強(qiáng)于圓形鋼管混凝土支架的抗彎性能，抗彎承載力也更大。

3 數(shù)值試驗(yàn)分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件并結(jié)合巷道斷面尺寸，采用ABAQUS有限元軟件建立2種圍巖支架耦合數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 圍巖支架耦合數(shù)值模型

巷道圍巖支架整體模型如圖5（a）所示，長、高、寬尺寸為65 m×65.5 m×3.16 m，巷道斷面尺寸為5 m×5.5 m，其中在鋼管混凝土支架上選取如圖5（a）所示的26個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中1＃、26＃監(jiān)測點(diǎn)位于底角部位，2＃～4＃以及23＃～25＃監(jiān)測點(diǎn)位于支架腿部，5＃～11＃、16＃～22＃號監(jiān)測點(diǎn)位于拱肩部位，12＃～15＃監(jiān)測點(diǎn)則布置于頂拱處。圍巖支架耦合模型受力如圖5（b）所示，其中k為側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測計(jì)算得側(cè)壓力系數(shù)為1.2，且隨著開采向深部發(fā)展，水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的作用愈發(fā)關(guān)鍵，因此k分別取1.0、1.2、1.4。

圖5 巷道圍巖整體模型與圍巖支架力學(xué)模型

模型底面設(shè)置為完全固定，限制前后面的法向位移，并在模型頂部和側(cè)面施加均布載荷，即壓強(qiáng)。在數(shù)值模擬過程中，為簡化力學(xué)模型，作如下假設(shè)：①假設(shè)圍巖為單一均質(zhì)的理想彈塑性體；②假設(shè)圍巖整體不產(chǎn)生滑移［12］；③不考慮水的影響。鋼管，混凝土以及圍巖材料屬性均按照表2～4設(shè)置，其中混凝土采用ABAQUS中特有的混凝土塑性損傷模型。圍巖、鋼管和混凝土均采用C3D8R單元，支架與圍巖以及鋼管與混凝土之間均設(shè)定為綁定約束。鋼管混凝土支架共設(shè)立4架，間隔為1 m。

表2 20＃無縫鋼管參數(shù)

表3 混凝土參數(shù)

表4 圍巖參數(shù)

3.2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同側(cè)壓力系數(shù)下，圓形鋼管混凝土支架和彎曲D型鋼管混凝土支架應(yīng)力云圖如圖6～7所示。隨著側(cè)壓力系數(shù)增加，圓形鋼管混凝土支架和彎曲D型鋼管混凝土支架的最大應(yīng)力逐漸增大。側(cè)壓力系數(shù)1.0時(shí)，2種支架的最大受力部位均為兩側(cè)的底角，這是由于支架底角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。側(cè)壓力系數(shù)1.2和1.4時(shí)，2種支架最大受力部位變?yōu)榈捉?頂拱；但側(cè)壓力系數(shù)1.4時(shí)，頂拱處最大受力范圍增大，主要原因是隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，頂拱拱形凸顯，受力逐漸增大，最終成為受力極大的部位之一。2種支架的受力均呈對稱分布，且腿部的受力小于底角以及頂拱處。在相同側(cè)壓力系數(shù)條件下，彎曲D型鋼管混凝土支架的最大應(yīng)力小于圓形鋼管混凝土支架的最大應(yīng)力，表明彎曲D型鋼管混凝土支架的支護(hù)效果要強(qiáng)于圓形鋼管混凝土支架的支護(hù)效果，可見彎曲D型鋼管混凝土支架比圓形鋼管混凝土支架在巷道支護(hù)方面更具優(yōu)勢。

圖6 不同側(cè)壓力系數(shù)下圓形鋼管混凝土支架應(yīng)力云圖

圖7 不同側(cè)壓力系數(shù)下彎曲D型鋼管混凝土支架應(yīng)力云圖

提取2種支架在不同側(cè)壓力系數(shù)下各監(jiān)測點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)并繪制成曲線，如圖8所示。各支架變形量與側(cè)壓力系數(shù)呈正相關(guān)，頂拱處變形量增幅明顯大于兩側(cè)底角處變形量增幅。2種支架的最大變形量均小于13 mm，底角處變形量均在8.6～9.5 mm之間。側(cè)壓力系數(shù)1.4時(shí)，彎曲D型鋼管混凝土支架與圓形鋼管混凝土支架的最大變形量分別為11.95 mm與12.45 mm，說明彎曲D型鋼管混凝土支架在深部高應(yīng)力巷道中有更好的支護(hù)效果。2種支架的最大變形量均在頂拱處，最小變形量均在兩側(cè)底角。但底角部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使其局部破壞，進(jìn)一步影響支架的穩(wěn)定性。因此要加強(qiáng)對支架兩側(cè)底角的監(jiān)測，防范其先破壞。隨著側(cè)壓力系數(shù)增大，頂拱拱形開始逐漸凸顯。側(cè)壓力系數(shù)1.4時(shí)，頂拱受力最大。

圖8 不同側(cè)壓力系數(shù)下支架變形曲線

提取2種支架在相同側(cè)壓力系數(shù)條件下各監(jiān)測點(diǎn)的變形量并繪制成曲線，如圖9所示。相同側(cè)壓力系數(shù)條件下，對于相同監(jiān)測點(diǎn)，彎曲D型鋼管混凝土支架變形量均小于圓形鋼管混凝土支架變形量，表明彎曲D型鋼管混凝土支架的支護(hù)效果要優(yōu)于圓形鋼管混凝土支架，彎曲D型鋼管混凝土支架在深部高應(yīng)力巷道支護(hù)方面更具優(yōu)勢。

圖9 相同側(cè)應(yīng)力系數(shù)下2種支架變形量對比

4 結(jié) 論

1）通過理論分析得出彎曲D型鋼管混凝土支架鋼管截面的抗彎截面系數(shù)是圓形鋼管混凝土支架鋼管截面抗彎截面的1.47倍，前者抗彎性能、抗彎承載力均強(qiáng)于后者。

2）2種支架受力均呈對稱分布，頂拱處變形量均高于底角處。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)變大，2種支架的最大受力部位由底角變?yōu)榈捉?頂拱，且兩者變形量均有所增大，頂拱拱形逐漸凸顯。

3）相比于圓形鋼管混凝土支架，彎曲D型鋼管混凝土支架的受力及變形量更小，具有更大的承壓載荷且抗彎性能更好，在深部高應(yīng)力巷道支護(hù)上更具優(yōu)勢，能更好地解決深部高應(yīng)力巷道支護(hù)難題。