深部軟巖巷道承載結(jié)構(gòu)失效機(jī)理及定量讓壓約束混凝土拱架支護(hù)體系研究.pdf

1、煤炭是我國的主體能源，隨著淺部資源的枯竭，煤炭開采進(jìn)一步向千米及千米以上深部發(fā)展，截止到2014年，我國開采深度超過1000米的礦井已達(dá)到50處左右，由于巖體力學(xué)自身固有的復(fù)雜性，同時(shí)加上深部、軟巖、構(gòu)造等特殊條件的影響，巷道的變形破壞機(jī)理仍然不夠明確，巷道大變形、破壞、冒頂?shù)痊F(xiàn)象仍然較為常見，目前常用的支護(hù)方式如錨網(wǎng)噴、U型鋼拱架等不能滿足需要，圍巖穩(wěn)定性控制理論及技術(shù)仍然亟需改進(jìn)和完善。在此背景下，本文主要進(jìn)行了以下研究工作并取得部

2、分有益結(jié)論。
　　(1)圍巖承載結(jié)構(gòu)失效機(jī)理現(xiàn)場探測及試驗(yàn)研究
　　通過探測和監(jiān)測分析掌握了深部軟巖巷道典型的圍巖變形破壞規(guī)律及支護(hù)構(gòu)件失效規(guī)律。基于探測結(jié)果，進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究，討論了支護(hù)強(qiáng)度、地應(yīng)力等級(jí)、圍巖強(qiáng)度等級(jí)三個(gè)因素對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響規(guī)律;在現(xiàn)場探測和數(shù)值試驗(yàn)基礎(chǔ)上從錨網(wǎng)噴支護(hù)的局限性和高剛、高強(qiáng)度支護(hù)的必要性兩個(gè)方面分析了深部軟巖巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)失效機(jī)理:在沒有足夠的徑向支護(hù)強(qiáng)度的條件下，圍巖的自承結(jié)構(gòu)較難形成

3、，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)也極易失效，圍巖很難形成穩(wěn)定有效的承載結(jié)構(gòu);具有一定剛度和強(qiáng)度的拱架是一種行之有效的解決途徑，是必要的且拱架強(qiáng)度有一個(gè)合理值。基于上述分析，提出了深部軟巖巷道“高強(qiáng)完整讓壓”支護(hù)理念。
　　(2)約束混凝土定量讓壓支護(hù)體系研究
　　在充分的現(xiàn)場調(diào)研和現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)深部、軟巖難支護(hù)巷道，根據(jù)“高強(qiáng)完整讓壓”支護(hù)理念，研發(fā)了定量讓壓約束混凝土拱架技術(shù)體系，核心構(gòu)件為具有定量讓壓節(jié)點(diǎn)的約束混凝土拱架，重點(diǎn)研究

4、了方鋼約束混凝土（下文簡稱SQCC）拱架和U型約束混凝土（下文簡稱UCC）拱架。該技術(shù)體系具有強(qiáng)度高、剛度大、定量讓壓的特點(diǎn)，適用于各種深部、軟巖、構(gòu)造、滲涌水等特殊地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)。
　　(3)約束混凝土拱架計(jì)算理論研究
　?、俳⒘思s束混凝土拱架套管節(jié)點(diǎn)的力學(xué)分析模型，對(duì)套管節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為進(jìn)行了分析;從理論上推導(dǎo)了套管節(jié)點(diǎn)的鉸-剛臨界角度ω0的計(jì)算公式，研究了不同參數(shù)對(duì)其的影響規(guī)律，得到了拱架套管節(jié)點(diǎn)鉸-剛判據(jù);對(duì)套

5、管受力進(jìn)行了分析，對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了計(jì)算分析與校核，同時(shí)計(jì)算了UCC拱架可縮性節(jié)點(diǎn)的等效慣性矩（等效剛度）。
　　②采用力法推導(dǎo)了任意節(jié)數(shù)的圓形、直腿半圓形拱架的內(nèi)力計(jì)算公式和節(jié)點(diǎn)鉸接模式下3節(jié)直腿半圓形拱架的內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角計(jì)算公式;討論了荷載q1、側(cè)壓力系數(shù)λ、節(jié)點(diǎn)定位角α、節(jié)點(diǎn)等效剛度EI'、高徑比κ等參數(shù)對(duì)拱架內(nèi)力的影響規(guī)律。
　?、鄯謩e計(jì)算或擬合分析了SQCC構(gòu)件、UCC構(gòu)件、CCC構(gòu)件、工字鋼構(gòu)件和U型鋼構(gòu)件的壓

6、彎極限承載力計(jì)算公式，對(duì)拱架極限強(qiáng)度承載力進(jìn)行了對(duì)比分析:側(cè)壓力系數(shù)λ為1時(shí)，SQCC150×8和UCC29拱架極限強(qiáng)度承載力為1.0MPa左右，是常規(guī)U36拱架的1.81倍。
　?、芾梅忾]圓拱的臨界荷載計(jì)算公式，分析了不同截面形式的拱架失穩(wěn)臨界荷載:UCC29失穩(wěn)臨界荷載為0.45MPa，是U29圓拱的1.88倍;SQCC150×8圓拱是相同用鋼量U36圓拱的1.62倍。
　?、堇秒A梯折算法，對(duì)四套管拱架穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)

7、算分析，并討論了不同套管剛度和長度對(duì)拱架穩(wěn)定性的影響規(guī)律。
　　(4)約束混凝土基本構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)
　　①進(jìn)行了U型鋼、UCC和SQCC短柱的軸壓試驗(yàn)，UCC短柱和SQCC短柱呈現(xiàn)整體的塑性失穩(wěn)，避免了常規(guī)U型鋼短柱的彎曲失穩(wěn)破壞，極限軸壓承載明顯提高，且具有較好的后期承載能力;短柱構(gòu)件設(shè)置灌注口，構(gòu)件產(chǎn)生側(cè)傾失穩(wěn)破壞，極限承載力降低，經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)后，構(gòu)件極限承載力恢復(fù);通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到UCC29構(gòu)件極限承載力與封板厚度t

8、和混凝土強(qiáng)度等級(jí)fcu，k的關(guān)系表達(dá)式;采用聲發(fā)射手段對(duì)內(nèi)部混凝土響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，為內(nèi)部混凝土承載及破裂行為研究提供了有力手段;采用ABAQUS數(shù)值計(jì)算軟件，進(jìn)行了短柱構(gòu)件的數(shù)值試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)具有很好的一致性。
　?、诮⒘颂坠芄?jié)點(diǎn)的純彎曲數(shù)值計(jì)算模型(SQCC150×8)，定義了套管節(jié)點(diǎn)的有效長度（或計(jì)算長度）l0、臨界曲率增量△φ0、臨界轉(zhuǎn)角w0，得到了約束混凝土套管節(jié)點(diǎn)不同于常規(guī)約束混凝土純彎構(gòu)件的典型4階段M

9、-△φ曲線，對(duì)比分析了約束混凝土套管節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為模式和臨界轉(zhuǎn)角、極限彎矩、抗彎剛度等力學(xué)參數(shù);應(yīng)力分析顯示反彎對(duì)弧形構(gòu)件核心混凝土是一種較為不利的狀態(tài);討論了各不同參數(shù)（混凝土強(qiáng)度fcu，k、套管長度l、套管壁厚t、間隙δ等）對(duì)其極限彎矩、臨界曲率增量、等效抗彎剛度等力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，為套管參數(shù)設(shè)計(jì)提供支撐。
　　③進(jìn)行了UCC29直構(gòu)件和弧形構(gòu)件正彎和反彎的四點(diǎn)純彎曲數(shù)值試驗(yàn)，得到了UCC29構(gòu)件典型M-△φ曲線，發(fā)現(xiàn)正彎和

10、反彎對(duì)于UCC構(gòu)件力學(xué)性能有影響，構(gòu)件的原始曲率對(duì)其能基本沒有影響;正彎對(duì)UCC構(gòu)件核心混凝土是一種較為不利的狀態(tài)。
　　④進(jìn)行了UCC長柱偏壓研究，得到了不同參數(shù)下構(gòu)件的軸力-橫向位移曲線;正偏壓及軸壓情況下UCC29構(gòu)件的極限軸力是U29構(gòu)件的1.4～1.6倍，負(fù)偏壓情況下是2.2～2.6倍;擬合得到UCC29構(gòu)件（封板厚10mm，C40）的壓彎承載力計(jì)算公式并用于拱架理論計(jì)算。
　?、葸M(jìn)行了UCC29和SQCC150×

11、8常規(guī)偏壓柱、帶灌注口偏壓柱和灌注口加強(qiáng)偏壓柱的試驗(yàn)研究;對(duì)比分析了變形形態(tài)、極限承載力、應(yīng)力分布、補(bǔ)強(qiáng)效果等;SQCC150×8構(gòu)件M-N曲線與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。
　　通過以上研究較為全面地掌握了約束混凝土構(gòu)件的力學(xué)承載特性，為進(jìn)行拱架選型及參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。
　　(5)約束混凝土拱架承載特性試驗(yàn)研究
　　采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的地下工程約束混凝土拱架1∶1大型力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了UCC和

12、SQCC兩類約束混凝土拱架的力學(xué)試驗(yàn)，通過對(duì)拱架的荷載、變形、應(yīng)力進(jìn)行系統(tǒng)采集和分析，深入研究了各組拱架的變形失穩(wěn)形態(tài)、局部破壞特征、整體受力規(guī)律及拱架節(jié)點(diǎn)受力變形特征。進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論相互驗(yàn)證補(bǔ)充。得到以下主要結(jié)論:
　?、倬鶋合轮蓖劝雸A形拱架的變形形態(tài)一般為“拱頂上升，拱腿內(nèi)斂，整體變瘦高”;試驗(yàn)結(jié)束時(shí)一般在拱腿起拱點(diǎn)附近發(fā)生最大變形，有時(shí)伴隨明顯的強(qiáng)度破壞現(xiàn)象;在側(cè)壓系數(shù)為0.5的情況下，拱架變形形態(tài)為“拱

13、頂下沉，拱腿基本不變，整體變矮”。
　?、赟QCC150×8拱架和UCC29拱架極限承載力比U36拱架和U29拱架顯著提高，是U36拱架的1.4倍～1.7倍左右;隨著混凝土強(qiáng)度的提高，拱架極限承載力增大，SQCC150×8-C50拱架極限承載力比核心混凝土為C40和C30時(shí)提高7.4％和12.6％。在UCC29拱架中，影響程度相對(duì)較小。
　　③在側(cè)壓系數(shù)λ=0.5、1.0和2.0三種情況下，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，拱架極限承載

14、力出現(xiàn)明顯降低;UCC29拱架λ為1.0和2.0時(shí)的極限承載力分別是λ為0.5時(shí)的80％和48％;SQCC150×8拱架λ為1.0和2.0時(shí)的極限承載力分別是λ為0.5時(shí)的59％和39％。
　?、鼙疚脑囼?yàn)拱架的整體屈服是由于構(gòu)件截面（一般是截面彎矩最大的起拱點(diǎn)位置附近）強(qiáng)度破壞引起的，繼而發(fā)生了整體的失穩(wěn)破壞。均壓作用下的圓形封閉拱架，對(duì)截面抗彎剛度要求更高;而直腿半圓形拱架，對(duì)于截面的壓彎極限承載力要求更高。
　?、軸QC

15、C150×8-C40拱架在套管節(jié)點(diǎn)處安裝的定量讓壓裝置，起到了較好的讓壓作用，與讓壓裝置的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相吻合，兩階段讓壓后，左側(cè)和右側(cè)套管內(nèi)的讓壓量分別為93.5mm和88mm，可增強(qiáng)拱架抵抗深井高應(yīng)力圍巖壓力的作用。
　　(6)支護(hù)體系現(xiàn)場試驗(yàn)研究
　　選擇巨野礦區(qū)典型千米深井，對(duì)UCC拱架支護(hù)體系、SQCC拱架支護(hù)體系及對(duì)應(yīng)的U型拱架壁后充填支護(hù)體系進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)各方案圍巖控制效果、拱架受力特性與壁后充填混凝土力學(xué)響

16、應(yīng)進(jìn)行了研究，UCC支護(hù)體系和SQCC支護(hù)體系的巷道平均變形量僅為U型鋼拱架支護(hù)巷道的20.6％和28％，具有相對(duì)更高的承載能力及安全儲(chǔ)備?，F(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步印證了約束混凝土支護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)勢性，提高了支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性，調(diào)動(dòng)圍巖自承能力，有效保證了巷道的穩(wěn)定。
　　通過上述各方面的綜合研究，明確了深部、軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理，掌握了約束混凝土拱架的力學(xué)性能和承載特性，通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究證實(shí)了約束混凝土拱架支護(hù)體系顯著的圍巖控制效果，最