不同应力状态下钢管混凝土支架支护性能模拟分析及应用研究

2018-04-25魏礼刚陈冰慧

中国煤炭 2018年3期

魏礼刚王军陈冰慧

(1.山东能源新矿集团华丰煤矿，山东省泰安市，271413；2. 山东建筑大学，山东省济南市，250101；3. 山东深博巷道支护技术有限公司，山东省济南市，250022)

在深井软岩巷道支护中，受高地应力、高地温、高渗透水压和强烈的开采扰动影响，围岩单轴抗压强度30 MPa以上的中硬岩层表现出了软岩工程特点，巷道出现大变形，常规支护措施往往难以奏效，返修率不断提高，支护成本大幅增加。此外，巷道变形也表现出较强的规律性：当围岩垂向荷载较大时，巷道变形表现为顶板下沉和底鼓；当围岩水平荷载较大时，巷道变形表现为两帮收敛；当巷道垂向荷载和水平荷载相近且都比较大时，巷道变形会最先出现在支护薄弱点，然后向周边扩散发展，直到巷道发生整体破坏。

钢管混凝土结构具有优良承压性能，以其为基本材料做成的钢管混凝土支架具有高承载力、高性价比和施工简单等特点。近年来，钢管混凝土支架已经应用于全国近30个工程项目，在深井软岩巷道支护中表现出良好的实践效果。

一些学者针对钢管混凝土支架在深井软岩巷道中的应用进行了研究，主要集中于钢管混凝土支架在深井软岩巷道的应用实践。但对于不同围岩应力状态下钢管混凝土支架的变形与应力变化特征研究不多。本文以华丰煤矿-1100 m水平大巷为工程背景，模拟3种围岩应力状态：以垂向荷载为主的围岩应力状态、以水平荷载为主的围岩应力状态和近似静水压力的围岩应力状态，以常用的直墙半圆拱巷道断面设计钢管混凝土支架，采用有限元软件ABAQUS模拟分析不同应力状态下钢管混凝土支架的结构受力和变形特征，通过对支架变形破坏关键位置的分析，提出曲墙圆弧拱支架这种合理结构，最后将曲墙圆弧拱支架应用于华丰煤矿-1100 m水平大巷的钢管混凝土支架支护实践中。

1 工程概况

华丰煤矿-1100 m水平大巷埋深1230 m，布置在6号煤层底板岩石中，与6号煤层水平距离50 m，巷道掘进揭露煤岩层依次为8(2)号煤层、中砂岩、8(1)号煤层、粉砂岩、7(3)煤层、泥灰岩、粉砂岩、细砂岩和7(2)煤层。穿层围岩主要为粉砂岩，岩层倾角31°～33°，岩石单向抗压强度30～40 MPa，围岩参数见表1。

表1 巷道围岩参数表

-1100 m水平大巷断面为直墙半圆拱，使用时间已接近10年，经历多次返修，最近两次返修支护方式分别为全断面双层锚网喷支护与锚网喷+U36型钢支架复合支护。锚杆参数为：直径22 mm，长2200 mm的全螺纹钢锚杆，间排距1000 mm×1000 mm；喷层参数为：ø5 mm钢筋焊接而成的钢筋网，网孔100 mm×100 mm，喷层混凝土强度等级C20；型钢支架参数：压力较大地段采用早期U29型钢支架，后期U36型钢支架，直墙半圆拱形无反底拱，间距800～1000 mm。受高地压、构造应力及6号煤层工作面采动影响，巷道变形具有明显的非对称性或尖顶等现象，如图1所示。

图1 巷道支护典型变形图

2 巷道破坏原因及初步返修设计

2.1 原有支护破坏因素分析

2.1.1 巷道埋深大、地压高

-1100 m水平大巷埋深1200～1250 m，取上覆岩层平均重度25 kN/m3，则垂向地应力30～31.25 MPa，而-1100 m水平大巷周边围岩抗压强度为30～40 MPa，应力强度比值接近1；同时地应力测试显示-1100 m水平大巷水平地应力略高于垂向地应力，故围岩表现出软岩特征。

2.1.2 围岩强流变易扰动

监测显示，-1100 m水平大巷支护后没有稳定期，不论返修多少次，大巷始终处于变形状态中，主要是由于千米深井围岩压力大且接近或超过岩石长期稳定强度所致。强流变状态下，围岩极易受扰动影响，上覆6号煤层与-1100 m水平大巷距离较近，如图2所示，6号煤层工作面开采扰动加速了-1100 m水平大巷围岩变形。

2.1.3 非对称挤压作用

由图2可知，煤岩混合层强度较低，受上下粉砂岩层挤压作用，容易产生垂直岩层节理面的压缩；同时，多次返修清除的渣土是软弱煤岩混合层破碎体，最终表现为典型非对称变形。

图2 -1100 m水平大巷岩层层状图

根据破坏因素分析，返修应选用承载力较强的外部支护体，不但单纯运用锚网喷调动围岩自承载力，同时，反底拱要进行支护形成封闭支护结构，拟采用钢管混凝土支架+锚网喷的复合支护技术。

2.2 返修方案初步设计

依据-1100 m水平大巷原有断面初步设计直墙半圆拱形钢管混凝土支架+锚网喷复合支护返修方案，直墙段与反底拱之间拐角钢管切斜口焊接而成，复合支护设计如图3所示。

为预防过渡拐角处钢管开裂，同时设计曲墙半圆拱形钢管混凝土支架+锚网喷复合支护，曲墙段与反底拱之间采用圆弧过渡，过渡中点设接头套管，如图4所示。

图3 直墙半圆拱形复合支护设计

图4 曲墙半圆拱形复合支护设计

钻孔应力监测显示，受上覆岩层构造应力作用，-1100 m水平大巷围岩主应力方向在穿层过程存在变化。为研究钢管混凝土支架在不同围岩应力状态下支护性能，验证钢管混凝土支架的支护适用性，采用ABAQUS数值分析软件对直墙半圆拱形钢管混凝土支架和曲墙半圆拱形钢管混凝土支架做模拟分析，模拟不同应力状态下支护性能。

3 钢管混凝土支架模拟分析

3.1 数值分析模型建立

以钢管混凝土支架为研究对象，选择支架周围一定范围内的围岩辅助支护模拟。计算模型大小为一架支架的支护范围，即长12 m、宽12 m、厚度0.8 m，模型底部限定位移。其中，曲墙半圆拱形支架模型如图5所示。

图5 数值分析模型图

模型围岩参数以粉砂岩参数为准，钢管采用弹塑性模型，钢管应力与塑性应变的关系见表2，混凝土采用塑性损伤模型。钢管混凝土采用Mises屈服准则，即通过一个等效量替代多个应力张量将复杂应力状态模拟成一维状态。

表2 钢管和混凝土材料参数

假定核心混凝土完全充填钢管，在加载过程中钢管和核心混凝土没有相对滑动，接触采用自动耦合办法处理。边界条件设定为：模型底部采用嵌固边界，限制各个方向的位移，采用大变形模式。通过模型顶部和两帮对模型逐渐施加切向荷载即压应力，直至钢管混凝土支架破坏为止。

3.2 模型加载设计

垂向地压随巷道埋深的增加呈现线性增长，因此以垂向地压σz为基础，将围岩应力状态分为3种：等压应力状态(σh=σz)；垂向主应力状态(σz>σh，σh=0.7σz)；水平主应力状态(σz<σh，σh=1.3σz)。

根据3种围岩应力状态分别设计3种加载方式，垂向地压初始值σz=0 MPa，加载时σz按照0.2 MPa/级均匀增加，按不同应力状态下的对应关系σh随σz均匀变化，直到支架屈服破坏。两种断面支架的数值模型加载设计如图6所示。

图6 数值分析加载设计图

3.3 数值模拟分析结果

计算完成后分析不同应力状态下钢管混凝土支架的支护反力、支架变形量和破坏方式。

3.3.1 支护反力分析

支护反力是支架对围岩的支撑能力，取支架半圆形拱顶段进行研究，假设拱顶段支护反力大小一致、分布均匀，提取拱顶段两端轴力N，支架拱顶段支护反力计算原理图如图7，通过式(1)，可求得拱顶屈服前的最大支护反力如表3所示。

图7 支架拱顶段支护反力计算原理图

(1)

式中：s——支架间距，即计算模型厚度，取0.8 m；

R——支架半圆拱半径，取2.597 m；

σ——支架的支护反力，MPa；

N——半圆拱端面轴力，kN。

表3 钢管混凝土支架支护反力表

由表3可以看出，曲墙半圆拱形支架支护反力在3种围岩应力状态下均优于直墙半圆拱形支架。对于两种断面支架而言，都是垂向地压与水平地压等压状态下，支护反力最大；而其他两种地压状态差别不大。

3.3.2 支架变形量分析

支架变形主要包括拱顶下沉和两帮收敛。随着围岩承受荷载增加，支架前期微变形；当荷载达到一定程度后，支架开始产生变形且变形速度不断增加，直到支架变形过大而破坏。提取最大支护反力对应的支架极限变形量见表4，支架位移云图如图8所示。

表4 钢管混凝土支架极限变形量

由表4可以看出，各种围岩应力状态下，曲墙半圆拱封闭型钢管混凝土支架的极限变形量都比直墙对应支架的极限变形量大，同时主应力对应方向的变形量略大。在以水平地压为主的状态下，支架变形量最大。

3.3.3 支架破坏方式

钢管混凝土采用Mises屈服准则，当钢管混凝土支架局部单元体屈服破坏时模型停止运算。3种围岩应力状态下破坏方式分析分别见表5、表6和表7，钢管混凝土支架破坏如图9所示。

图8 钢管混凝土支架位移云图

分类直墙半圆拱支架曲墙半圆拱支架破坏位置底角焊缝反底拱段破坏方式焊缝受拉开裂钢管局部应力屈服破坏原因焊接位置钢管变形大导致焊缝外侧拉应力集中反底拱曲率半径过大支架底鼓导致钢管局部应力屈服

表6 垂向主应力状态下的破坏方式分析

通过数值模拟分析可知，等压状态钢管混凝土支架支护性能最优，垂向主应力状态次之，水平主应力状态最差；曲墙半圆拱形状支架支护性能优于直墙半圆拱形支架，特别是底角支护效果好。

表7 水平主应力状态下的破坏分析

图9 钢管混凝土支架Mises云图

4 钢管混凝土支架支护实践

4.1 支护实践过程

2010年8月份，-1100 m水平大巷采用钢管混凝土支架+锚网喷返修支护，为进一步验证支架断面差异，分别进行了直墙半圆拱与曲墙圆弧拱钢管混凝土支架工程对比实践。钢管混凝土支架型号ø194 mm×8 mm，支架间距800 mm；锚杆采用ø22 mm×2400 mm左旋螺纹锚杆，间排距1000 mm×800 mm，钢筋网采用钢筋焊接而成的2000 mm×1000 mm网片，喷射混凝土强度等级C20；巷道周边预留变形空间宽度150 mm，支架壁后水泥背板插花式排列。

基于钢管混凝土支架的复合支护方案实施后，-1100 m水平大巷稳定性良好，复合支护前两年两种断面支架均无明显变形，支护效果如图10所示。2013年3月份开始，直墙半圆拱支架底角焊口出现开裂，而曲墙半圆拱支架底角处无明显变化，钢混支架底角变化对比如图11所示。采用外包钢箍方式加固直墙半圆拱支架底角，有效抑制了底角引起的支架变形。

图10 基于曲墙半圆拱钢混支架的复合支护效果

图11 钢混支架底角变化对比图

2010-2016年期间，基于钢管混凝土支架的复合支护两侧的锚网喷支护及U型钢支护共卧底7次，小修3次，大修2次，而基于钢管混凝土支架的复合支护基本无明显变形，仅进行2次壁后卸压处理。2016年底至2017年4月份，-1100 m水平大巷受上覆煤层采动影响，整条巷道出现明显变形，基于钢管混凝土支架的复合支护段先出现底鼓变形，紧接着支架反底拱凸起，随后2～3个月支架两帮向内侧变形，在肩部出现折断现象，因此动压扰动条件下的钢管混凝土支架承载性能将是下一步的重点研究问题。