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第 25 卷 第 11 期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.11 2006 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2006 收稿日期收稿日期2005–12–15；修回日期修回日期2006–05–31 作者简介作者简介张连福1964–，男，硕士，1987 年毕业于焦作矿业学院，现为淮北矿业集团公司桃园煤矿高级工程师、总工程师，主要从事煤矿技术方 面的研究工作。E-mailzlf_tyk 新型锚喷支护技术及其在桃园矿区的应用 新型锚喷支护技术及其在桃园矿区的应用 张连福 淮北矿业集团公司 桃园煤矿，安徽 宿州 234116 摘要摘要钢筋网壳结构是软岩巷道支护工程中一种新型的支护形式。介绍钢筋网壳锚喷支护的技术特色、结构特点、 支护原理，并对其进行理论分析，推导出钢筋网壳锚喷结构计算模型及其内力计算表达式。结合在桃园矿的应用， 阐述其施工技术要求及施工工艺。实践证明，空间网壳锚喷支护结构具有很高的推广应用价值和广阔的发展前景。 关键词关键词采矿工程；钢筋网壳支架；软岩巷道；锚喷支护；工程应用 中图分类号中图分类号TD 35 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200611–2208–05 NEW TECHNOLOGY OF BOLTED SHOTCRETE SUPPORT AND ITS APPLICATION TO TAOYUAN COAL MINE ZHANG Lianfu Taoyuan Coal Mine，Huaibei Mining Industry Group Company，Suzhou，Anhui 234116，China Abstract The reinforced shell structure is a new kind of s in the supporting engineering for soft rock tunnel. The technique feature， structure characteristic and supporting theory are introduced； and the structure is analyzed theoretically. The calculation model and expressions of inner forces are deduced for this kind of structure. With its application to the Taoyuan Coal Mine，the construction technique requests and crafts are also set forth. Practice shows that the spatial bolted shotcrete supporting structure is of very high value and vast development foreground. Key words mining engineering； reinforced shell support； soft rock tunnel； bolted shotcrete support； engineering application 1 引引 言言 在我国煤矿中，软岩巷道占有相当大的比例， 特别是随着开采深度的增加，软岩支护问题日趋突 出。尽管软岩巷道支护在近几十年来发展很快，但 仍是煤矿巷道支护的薄弱环节，也是目前国内外尚 未很好解决的难题之一[1]。目前，应用于高地应力 软岩巷道支护的技术和措施主要有金属支架、锚喷 支护、锚网喷支护以及近年来发展起来的加强型金 属支架、高强度弧板、巷道锚索支护等，其中应用 最广泛的是锚喷支护、 锚网喷支护及可缩金属支架。 要使软岩巷道得到可靠支护，围岩表面支撑与内部 加固需要同步加强[2]。现在的经济形式要求软岩巷 道支护既要保证巷道的安全可靠又要做到经济合 理。虽然 U 型钢可缩支架具有良好的可缩性和较好 的支护效果，但其支护成本很高；锚喷支护虽然具 有施工简单、节约材料、成本低廉等很多优点，但 应用于高地应力软岩巷道支护时，其支撑能力在一 定程度上往往显得不足。另外，传统的锚喷支护用 于膨胀性软岩巷道尚存在一定不足，如喷层刚度过 大、柔性不够，不能适应松软围岩变形大的特点[3]。 第 25 卷 第 11 期 张连福. 新型锚喷支护技术及其在桃园矿区的应用 2209 本文根据地面大跨度空间壳体结构的力学原理[4]， 探索和研究地下网壳喷层，达到用较少的材料而大 幅度提高喷层支撑能力与让压能力的目标，又将这 种网壳喷层与锚杆组成一种空间支护结构网壳 喷层结构[5]。在桃园煤矿软岩巷道中进行工业性试 验，以求为软岩巷道提供经济合理、技术先进、安 全可靠的新型支护形式。 2 新型锚喷支护技术特点新型锚喷支护技术特点 网壳锚喷支护是将通常的金属棚子、钢筋梁、 架间联结杆等各部分合并为整体，汲取地面大跨度 网壳结构物的优点，制成一种特殊的钢筋网壳支 架。实际工程中，既可用它代替棚式支架，也可用 它作为喷层的钢筋骨架，与锚杆、喷射混凝土共同 组成网壳锚喷结构，支护高应力软岩巷道。钢筋网 壳支架的结构形式如图 1 所示。几块拱壳形的构件 用螺栓联结起来便形成一个支架，其承载特性比一 般金属支架优越地层压力经过外层钢筋网分散为 空间力系，由内层众多小跨度双向钢筋网壳支撑 着。这种结构的三向稳定性强，在同样荷载条件下， 构件的弯曲内力比梁拱结构小，支架钢材比金属支 架节省 50以上。 图1 钢筋网壳支架结构形式 Fig.1 Structure of reinforced reticulated shell support 钢筋网壳支架与薄喷层组成的衬砌结构，其承 载性能也比一般钢筋网喷层优越1 混凝土被许 多小跨度双曲钢筋网壳分片包围着，钢筋的弯曲变 形与混凝土拉剪内力被削弱，大幅提高了薄层衬砌 的承载能力；2 支架构件接头处的可缩垫板使喷 层也有了一定的可缩性，因此网壳配筋喷层能够承 受高应力地压，其承载性能甚至超过锚网喷–型钢 支架联合支护。 3 网壳结构静力分析网壳结构静力分析 钢筋网壳及网壳配筋喷层的静力分析相当复 杂，需利用三维杆系与板壳组合结构的有限元程序 才能完成计算[6]。本文为说明钢筋网壳结构的内力 计算方法，仅取一片圆弧形顶网壳进行分析，比较 网壳单独承载及网壳–喷层共同承载时，网壳的内 力分布特点以及与普通网喷结构的差别。钢筋网壳 的计算模型如图 2 所示。由于具有纵、横两个对称 面，故只取构件的 1/2 为计算区域。钢筋单元按照 网壳的空间构造形式进行划分，荷载取两向等压， p100 kPa，约相当于 IV 类围岩的地压强度。 图 2 钢筋网壳计算模型图 Fig.2 Calculation model of reinforced reticulated shell 进行网壳配筋喷层内力分析时，计算模型为 图 2 所示网格再加上喷层单元，喷层单元采用三角 形壳体单元，材料为 C20 混凝土。由于钢筋单元与 喷层单元的节点不耦合，所以计算壳体单元的刚度 矩阵考虑了上、下两层钢筋与壳体中面的偏心距对 壳板刚度的影响。对普通喷层结构进行内力分析时， 钢筋网配置于喷层的中面上，其网孔与钢筋网壳的 外层钢筋网相同，其纵筋的截面积为网壳的内、外 两纵筋的截面积和，其横向联结筋是由网壳的上、 下每两根横联筋合并为一根而成。因此，该模型的 纵、横钢筋用量与网壳相同，喷层的材料、厚度及 单元划分也与网壳配筋喷层相同。这样，共有 3 种 结构计算模型，其结构平衡方程组[7]可统一表达为 }{}]{[FKδ 1 式中}{δ为全体节点位移，}{F 为全体等效节点荷 载，][K 为结构刚度矩阵。 B R H 2210 岩石力学与工程学报 2006年 结构刚度矩阵][K 分以下 3 种情况进行计算 1 当钢筋网壳单独承载时 ∑ m mKK][][ 2 2 当网壳–喷层共同承载时 ∑∑ l e m mKKK][][][ 3 3 当普通钢筋网与喷层共同承载时 ∑∑ l e n nKKK][][][ 4 式2～4中 mK][，eK][和nK][分别为钢筋网壳 单元刚度矩阵、喷层单元刚度矩阵和普通钢筋网的 单元刚度矩阵[3]。各单元矩阵的计算原理、方程组 的存储、求解方法及内力计算等本文不再赘述。计 算结果如图3，4所示。 图 3 钢筋网壳变形及内力分析图 Fig.3 Inner force and deation of reinforced reticulated shell 图 4 喷层挠度及弯矩分布图 Fig.4 Deflection and bending moment of shotcrete 由图3可见，钢筋网壳单独承载时，网壳的变 形较大，拱顶挠度达70 mm左右，纵向钢筋都处于 受拉状态，说明构件在两端径向收敛位移为限定值 的条件下，网壳整体向下弯曲。内弦杆最大拉力 xF 5 400 N，最大拉应力 maxx σ17.20 MPa，外层 纵骨筋最大拉力 xF 2 000 N，最大拉应力 maxx σ 25.50 MPa。各纵向钢筋都处于弹性承载状态，拉应 力远远低于钢筋设计抗拉强度。设计时所选用的钢 筋直径偏大，目的为了增强网壳刚度，适应高应力 软岩巷道、抵抗围岩较大的变形。图4将普通网喷 与网壳喷层两者的挠度及弯矩分布进行对比。普通 网喷的拱顶下沉较大，而网壳喷层的拱顶发生向上 微小的位移，两者配筋量相同，挠度分布的差别是 由于配筋方式不同而造成的。普通网壳的柔性强， 地层向内挤压时，它随着围岩一起向巷道内移动， 网壳喷层的刚度较强，对围岩变形有一定的抵抗能 力，拱部地压引起的拱顶下沉量小，并且被拱端横 向内移所引起的拱顶上移量所抵消。弯矩分布曲线 也有类似特征，但网壳喷层纵、横截面上的弯矩都 较小，比普通喷层所承受的弯矩削弱50％左右。 上述网壳喷层静力计算结果表明，设计的新型 钢筋网壳结构形式非常合理，结构本身既具有一 定的单独承载能力，又是混凝土喷层良好的钢筋骨 架。 4 工程应用与效果评价工程应用与效果评价 4.1 工程概况工程概况 桃园煤矿位于安徽省宿州市以南11 km处，地 处宿南向斜的西翼，1983年12月开工建设，1995 年11月建成投产。矿井设计井型9105 t/a，2004 年矿井能力核定为1.55106 t/a， 预计2004年实际产 量将达到1.55106 t。矿井为立井分水平阶段石门 开拓方式， 目前生产水平为－520 m地面标高25 m， 二水平设计为－740 m，规划深部水平－1 200 m[8]。 南三采区总回风巷原设计断面为直墙半圆拱， 原设计为锚喷支护形式，局部料石砌碹，巷道净宽 3.8 m，高3.4 m，穿过的岩层主要为泥岩、砂质泥 岩互层等，节理比较发育，围岩松散，地压较大。 为确保该巷道支护稳定可靠，决定采用新型网壳锚 喷支护，并监测支护效果，为进一步推广应用积累 经验。 4.2 施工工艺施工工艺 网壳锚喷支护是一种新技术、新工艺，对井下 支架施工要求较高。 1 巷道返修后断面仍为直墙半圆拱，施工时 巷道全高、中跨、底跨等不得小于设计尺寸，以确 轴向力 Fx /N 钢筋网格长度/mm Uz /mm 钢筋网格长度/mm Uz /mm Mx，My/104 Nm 网喷 Uz 网喷 My 网喷 Mx 网壳喷层 Uz 网壳喷层 Mx 网壳喷层 My 第 25 卷 第 11 期 张连福. 新型锚喷支护技术及其在桃园矿区的应用 2211 保网壳顺利架设。 2 每片网壳支架由一片顶网壳和两片侧网壳 组成。施工时应按设计尺寸进行架设，保证架形不 扭曲，架设后支架平面度偏差小于10 mm，钢筋网 壳的高、跨尺寸与设计尺寸的偏差不大于40 mm。 片与片联结处加入30 mm的木垫板，并上紧全部 联结螺栓，确保网壳的联结强度和整体稳定性，如 图5所示。 图 5 钢筋网壳支架施工照片 Fig.5 Construction photo of reinforced reticulated shell support 3 相邻两架网壳应密贴架设，不留间隙，形 成连续支撑体系。 4 每架网壳的外缘必须与围岩保持良好接 触，不允许架空。若支架与围岩之间间隙过大，可 用矸石、木楔等充填密实，避免喷层过厚和支架受 力不均匀。 5 由于设计网壳支架不封底，为了防止侧腿 踢出，每片侧网壳应打两根斜向限位锚杆，并将托 盘固定在网壳中间的两根中骨筋上。 6 网壳架好以后，需检查断面尺寸是否满足 设计要求，必要时调整位置，检查合格以后才可进 行复喷。考虑返修巷道松散压力大、围岩不稳定等 特点，架设的网壳支架原则上应及时喷射混凝土， 以提高支架的整体强度，设计复喷厚度为130 mm， 要求喷层必须覆盖网壳支架所有钢筋。永久支护效 果见图6。 4.3 效果评价效果评价 为研究网壳支架的受力特性与支护性能，进一 步优化其钢筋支架结构，对试验巷道网壳支架进行 了现场监测。监测内容主要包括支架收敛、网壳钢 筋应力–应变及围岩内部位移的量测。其中网壳支 图 6 永久支护效果 Fig.6 Effect of permanent support 架收敛曲线如图7所示。 图 7 网壳支架收敛曲线 Fig.7 u-t curves of reticulated shell support 由图7可得出以下结论 1 在网壳支护的初始阶段，即安装网壳支架 第1个月内变形较大，从第7周开始，支架两帮收 敛达到最大值，以后支架趋于稳定。 2 网壳支架变形小，能够及时封闭围岩，对 围岩提供足够的支撑强度，并具有良好的整体可缩 性，适合于各种软岩巷道的永久支护。 3 网壳锚喷支护结构与围岩相互作用的整体 性好，有利于充分发挥围岩的自身承压作用。 5 结结 语语 网壳锚喷支护新技术吸收了壳体结构优越的力 学性能，把巷道的锚网喷支护结构中层状或片状的 金属网改成一种独特的空间网壳结构，兼有薄壳结 构和杆系结构的优点，在结构形式上使其构成双层 2212 岩石力学与工程学报 2006年 双曲空间网壳，并将它置于喷层中形成钢筋网壳混 凝上结构，这种结构充分发挥了钢筋与混凝土两种 材料的优点。施工后整个巷道支护体系呈现连续的 双曲拱型结构，使支护具有立体化、连续化、轻型 化的优势。 网壳锚喷支护不仅性能优良、支护可靠、成本 较低，而且其支撑能力与让压性能有良好的可调节 性，可以针对不同地质条件与不同地压显现特征， 设计出不同规格的钢筋网壳支架。采用这种支护结 构，既可单独进行巷道支护，也可以与锚索或围岩 注浆等构成联合支护体系，因而在各种类型的软岩 巷道、动压巷道及大断面硐室中都可以使用，具有 广阔的推广应用前途。 参考文献参考文献References [1] 李明远，王连国，易恭猷. 软岩巷道锚注理论与实践[M]. 北京 煤炭工业出版社， 2001.Li Mingyuan， Wang 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