煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用研究.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 随着浅部资源日趋枯竭和开采战略向西部转移， 以及越来越多的煤矿面临软岩支护问题，再加上现有 支护理论和控制技术具有局限性，长期无法稳定的大 变形巷道不断涌现，导致生产效率低、支护成本高、 安全隐患多。因此，发展软岩巷道支护理论，推动支 护技术革新是非常有必要的，这样才能够以更低的成 本实现巷道的畅通与安全。实践证明，钢管混凝土具 备对软岩巷道的良好适用性，因此成为软岩巷道的一 种优选支护方式，并且有着广阔的发展前景。本文对 相关的科学问题和应用理论进行分析和研究，旨在为 接下来的系统深入研究指明方向，有利于推动钢管混 凝土拱架支护理论的顺利发展。 1煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用发展 总的来说，自钢管混凝土拱架应用至今，主要分 为两个时期a 尝试时期。钢管混凝土拱架同时具备 钢管和混凝土的特点，并且有着非常好的力学性能。 但在初始时期，这种拱架很少被应用在隧道和巷道中。 19 世纪末期，中国尝试用钢管混凝土拱架来对隧道不 良地段进行支护，从而为后续的研究提供了重要的参 考作用。平顶山矿务所在进行开采的过程中应用了钢 管混凝土拱架，并得到了非常好的支护效果，从而提 升了经济效益。但由于当时中国的经济发展水平较为 有限以及科学技术水平的限制，这种拱架并没有得到充 分的应用和推广，但是为后续的发展提供了重要的基 础。b 研究时期。21 世纪初，中国西北地区开始建设 越来越多的矿井，且多处于软岩底层当中。正是因为这 些区域的地质特点，钢管混凝土拱架的优势得到充分的 体现。另外，因为原有的一些技术问题得到了解决，这 种拱架逐渐被应用到更多的煤矿开采过程中，例如北皂 煤矿、查干淖尔煤矿、华丰煤矿等[1-2]。应用的结果证明 了这种拱架的优越性，具有非常好的支护效果和承载能 力。特别是应力较高和具备膨胀性的软岩巷道，运用钢 管混凝土拱架得到了非常好的围岩控制效果，从而获得 了非常好的经济效益。 2煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的技术特点 通过近些年来对钢管混凝土拱架的应用发现，这种 拱架的特点主要体现在以下两个方面a 钢管混凝土 拱架有着非常高的性价比和支护强度，在使用同等数量 钢材的情况下，所能够提供的支护强度要大于普通拱架 的 2 倍以上；b 钢管混凝土拱架能够选择的支护参数 有很多，并且可以利用矩形、方形等多种截面形式，每 种形式的混凝土标号以及壁厚都能够调整，以更好地应 对复杂的现场情况[3]。 具备上述特点的同时，钢管混凝土拱架也存在着一 定的缺陷，主要包括以下几方面a 因为截面小而无 法振捣，所以无法保障混凝土的密实程度。b 钢管混 凝土并不具备让压功能，难以强化让压支护。随着技术 收稿日期2020-04-14 作者简介王建波，1981年生，男，山西长治人，2011年毕业于辽 宁工业大学结构工程专业，硕士，工程师。 煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用研究 王建波 （ 山西煤炭运销集团黄山煤业有限公司，山西 壶关 047307 ） 摘要 大部分矿区煤层处于较深的位置，地质条件十分复杂，在煤矿开采的过程中，需要花费较长时间来准备巷道， 因此需要钢管混凝土拱架来确保巷道的质量和稳定性。首先对煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用发展和技术特点进 行分析，其次对煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用理论进行探析，最后对煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架应用过程 中存在的科学问题及解决策略进行研究，希望能够为钢管混凝土拱架在煤矿软岩巷道中的应用提供一些参考和帮助。 关键词 煤矿软岩巷道；钢管混凝土拱架；力学特性；失稳机理 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0038-02 Research on Application of Concrete-filled Steel Tube Arch in Soft Rock Roadway of Coal Mine WANG Jianbo Huangshan Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Huguan 047307, Shanxi, China Abstract Most of the coal seams in the mining area are in a deep position, and the geological conditions are very complex. In the process of mining, it takes a long time to prepare the roadway, so the concrete-filled steel tube arch is needed to ensure the quality and stability of the roadway. This paper first analyzed the application and development and technical characteristics of concrete-filled steel tube arch in the soft rock roadway of coal mine, then analyzed the application theory of concrete-filled steel tube arch in the soft rock roadway of coal mine, and finally studied the scientific problems and solutions in the application process of concrete-filled steel tube arch in the soft rock roadway of coal mine, hoping to provide some reference and help for the application of concrete-filled steel tube arch in the soft rock roadway of coal mine. Key words soft rock roadway of coal mine; concrete-filled steel tube arch; mechanical properties; instability mechanism （总第 177 期） 能源研究 38 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （下转 41 页） 的发展，虽然加入了让压功能，但仍然存在科学性不足 的情况。c 需要进行热煨弯管加工，使得钢管混凝土拱 架单次支护的成本过高，且容易出现锈蚀的情况。 3煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用理论 3.1力学特性理论和失稳机理 煤矿软岩巷道对拱架产生的作用力，不但存在着 较为复杂的负荷，同时也有着较为特殊的位移约束条 件，由于力学环境的影响，拱架强度和失稳理论无法 被应用于拱架力学行为当中。因此，一些研究人员通 过短柱试验和弯曲试验来对拱架截面强度进行分析， 但这两项试验并不具备足够的指导性，因为结构工程 中有着十分成熟的试验研究方式，再加上支护拱架截 面内力要比压弯构件内力高，所以单纯的一项试验并 不能对拱架截面内力予以体现。为了能够使得拱架力 学特性和失稳机理更加直观，进行了拱架力学试验， 通过该试验基本掌握了拱架的力学行为，但因为试验 条件与现场条件差距较大，所以所获得的结果并不能 够直接应用到支护设计当中。虽然调整后的试验情况 与现场情况更加相近，但是由于采用的加载控制是荷 载单增的方式，因此力学环境上仍然与现场存在一定 的差异。除此之外，由于套管连接时的拱架力学特征 变得更加复杂，因此目前所进行的拱架试验大部分是 在简化模式下开展的，由于软岩巷道的压力作用，很 难精确展示拱架的具体力学性能和失稳机理。 3.2承载力计算 对拱架承载力进行计算，所应用的基础是拱架的 失效判断依据，因为当前对拱架失效判断依据的研究 十分有限，所以已经获得的成果中大多数情况下仍然 是以短柱轴压极限理论为基础来进行承载力的反推。 例如在支护反力计算中运用了折减系数，从而减少 了偏心率对承载力计算的负面影响，但因为系数取值 主观影响较大，所以计算的精确性和有效性无法得到 保障。为此，采用了拱架截面强度来作为承载力计算 的判断依据，从而得出新的计算方式，这种计算方式 的偏差值更小，但对于以拱架内力为轴压的工程来说 并不适用。 4钢管混凝土拱架应用过程中存在的科学问题 a 对钢管混凝土拱架强度进行判断的依据需要通 过构件压弯试验来支持，一般情况下，钢管混凝土拱 架处于压弯的状态，已有的试验方式无法反映拱架截 面强度，并且没有充分考虑到截面强度受到套管节点 的影响，所以只有使系统套管和构件压弯试验同时进 行，才能够对截面强度进行准确的判断，从而为钢管 混凝土拱架的承载能力判断提供基础。 b 钢管混凝土拱架存在着一定的失稳机理，这种 机理的研究没有以拱架承载过程中所面临的环境条件 为基础。已有的试验方式分别在边界和荷载方面进行 了简化处理，与钢管混凝土拱架所面临的实际环境条 件有着较大的差异，无法反映钢管混凝土拱架的真实 承载情况，使得失稳机理存在一定的缺陷。 c 对于钢管混凝土拱架的计算，需要以精确的承 载失效判断为依据，已有的计算方式是根据短柱轴压 极限来设置的，并且需要以钢管混凝土拱架的截面压弯 参数为基础，因此当前仍然存在着较大的局限。当获得 了精确的承载失效判断依据后，才能够得到更加精确的 承载力计算方式，从而满足各种不同的施工情况。 d 钢管混凝土拱架的承载失效演化机理需要通过 有效的方式来研究。软岩巷道具有一定的流变性质， 再加上钢管混凝土拱架具有一定的特殊性，导致模型 实验和解析计算都具有较大的难度，虽然非常容易施 展数值模拟，但仍然缺少可以精细化模拟的平台，无 法对其中的构件力学性能进行演示，同时也不能对支 护构件和围岩的作用进行描述，无法确保模拟的可靠 程度和精确程度。 e 在软岩巷道中，对于钢管混凝土拱架的应用缺 乏必要的科学化指导，想要保证软岩巷道的稳定性， 控制围岩和支护的耦合性是非常重要的。钢管混凝土 拱架具有非常强的特异性，使用原有的拱架支护耦合 理论来进行支持缺乏足够的设计依据。对拱架承载能 力进行计算，是支护设计的核心内容，从目前的情况 来看，钢管混凝土拱架承载能力设计精确度较低，再 加上缺乏相关方面的研究，所以无法解释钢管混凝土 拱架的支护机理[4]。总而言之，煤矿软岩巷道中钢管混 凝土拱架的应用缺乏实践过程的支持，无论是支护设 计还是施工的开展，主要依据的是施工经验，从而导 致支护构件参数设计无法与巷道特点匹配。 5钢管混凝土拱架应用中科学问题的解决策略 对于上述指出的钢管混凝土拱架在软岩巷道应用 中存在的科学问题，根据相关的试验方法和研究手段 提出以下几种解决措施。 a 钢管混凝土拱架通过套管节点和压弯试验来获 得截面强度，在力学试验过程中，通过应用控制装置 来对软岩巷道中的压力进行演示，从而将其作为荷载 作用准确定义拱架变形机理，并以此为基础来对拱架 承载失效的情况进行判断，为钢管混凝土拱架的计算 提供可靠、精确的方式。在对钢管混凝土拱架进行试 验的过程中，再现软岩巷道压力是一个重要的过程， 从变形监测情况和拱架受力数据中得到具有参考性的 信息，并以此来制作出软岩巷道压力模型，根据模型 设计过程来再现钢管混凝土拱架在软岩巷道中的力学 环境[5]。 b 通常来看，在软岩巷道中进行钢管混凝土拱架 承载试验是较为困难的，只能通过数值模拟的方式来 研究支护机理，从而实现对钢管混凝土拱架力学行为 的研究，并根据围岩作用和支护构件模拟的方式来设 计关于拱架的精细模拟系统，为数值模拟研究提供重 要的支持，实现对拱架支护承载演化机理的揭示。 王建波 煤矿软岩巷道中钢管混凝土拱架的应用研究 39 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 39 页） 来间接反映地应力变化情况，即综采工作面向瓦斯压 力测试孔推进时，测定工作面前方不同距离处的瓦斯 压力，利用其分布状况来分析煤层应力分布。综采工 作面到测压孔的距离与瓦斯压力变化趋势如图 2 所示。 图 2开采过程中综采工作面前方瓦斯压力变化趋势图 从图 2 中可以看出，综采工作面前方 70 m 以外的 区域并未受到采动影响，煤层处于原始应力带；当综 采工作面向前推进至距离测压孔 65耀70 m 位置时，开 始受到采动影响，瓦斯压力出现升高趋势；推进至 20耀36 m 时，瓦斯压力达到最大；随后在综采工作面向 前推进的过程中瓦斯压力迅速减小。因此，根据测试 结果将 3208 综采工作面前方的瓦斯压力场与地应力场 划分如表 2 所示。 表 23208 综采工作面前方瓦斯压力场与地应力场划分情况 3综采工作面地应力场对瓦斯压力场的影响分析 由上述测定结果可知，综采工作面煤体瓦斯压力 受控于地应力场变化。当地应力变化时，在地应力的 影响下，煤体孔隙率变化最显著，而煤体中的孔隙结 构是瓦斯运移的主要通道。式1反映了地应力与煤体 裂隙结构之间的关系 滓c 1-f0E 1-f1-2滋 aK0RT NmS ln 1bPt 1bP0 -KyPt-P01 蓘蓡- E 1-2滋 ，1 式1中，滓c为回采工作面地应力，MPa；f0为原生孔隙 率；E 为煤体弹性模量，MPa；f 为孔隙率；滋 为煤体泊 松比；a 为裂隙面与最大水平地应力的夹角，毅；K0为比 例系数；R为气体常数；T为绝对温度，℃；Nm为气体 摩尔体积，m3/mol；S为比表面积，m2；b 为裂隙面与最 小水平地应力的夹角，毅；Pt为地应力影响下的瓦斯压力， MPa；P0为原始瓦斯压力，MPa；Ky为煤体压缩系数。 由式1可知，综采工作面前方地应力是以瓦斯压 力和孔隙率为变量的函数。当煤层瓦斯含量一定时， 采动应力增大时孔隙率减小，煤体原生裂隙闭合，抑 制瓦斯运移，瓦斯压力升高；而随着工作面的推进，应 力集中区域前移，煤层卸压区域内应力集中得到缓解， 压缩的煤体得到恢复，原生裂隙重新张开，同时受压 缩的煤体遭到一定程度的破坏产生新的裂隙，孔隙率 增大，透气性大幅度提高，利于瓦斯运移涌出，从而导 致瓦斯压力降低。这为煤层瓦斯抽采利用及防止开采 过程中瓦斯灾害事故发生提供了理论依据。 4结语 a 综采工作面前方瓦斯压力的变化受采动应力的 控制，二者呈正相关。在采动应力的影响下，煤体受到 弹性压缩，原生孔隙结构发生改变，抑制煤体内的瓦 斯运移，从而使煤体瓦斯压力升高；随着工作面的前 移，应力集中区域前移，受压缩的煤体得到恢复卸压， 同时产生新的裂隙，利于瓦斯的运移涌出，使瓦斯压 力降低。 b 综采工作面前方采动应力集中，瓦斯压力升高， 工作面与应力集中区域之间形成较高的瓦斯压力梯度， 当工作面与应力集中区域距离较短时，易发生煤与瓦 斯突出。通过监测综采工作面前方瓦斯压力的变化情 况，可间接反映应力集中区域的情况，从而为煤岩动 力灾害的防治提供依据。 参考文献 ［1］ 向衍斌， 张锋， 颜文学.多尺度含瓦斯煤体渗透特性估测的研 究进展 ［J］ .能源技术与管理， 2019， 45 1-4. ［2］ 程波.含瓦斯煤渗流模型的研究现状及发展方向 ［J］ .矿业安 全与环保， 2017， 445 93-97. ［3］ 王登科， 吕瑞环， 彭明， 等.含瓦斯煤渗透率各向异性研究 ［J］ . 煤炭学报， 2018， 434 1008-1015. （ 责任编辑刘晓芳 ） 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 C1 C2 C3 102030405060708090 1001101200 距离/m 综采工作面前方距离/m瓦斯压力场地应力场 跃70原始瓦斯压力区原始应力区 20耀70升高区应力集中区 6耀20降低区卸压区 6结语 综上所述，钢管混凝土拱架具有高性价比、高支 护强度以及多参数选择的优势，同时在进行套管连接 的过程中十分便捷，但也存在着诸如难拆解、易锈蚀、 支护成本高等问题。目前所拥有的支护理论显然滞后 于现场实践，对于截面强度的判断需要通过压弯试验 来实现，无法利用失效演化机理来体现拱架所处的环 境。因此需要搭建关于软岩巷道的拱架支护数值模拟 平台，利用数值模拟的方式来揭示拱架支护体系的耦 合机理和渐进失效机理，设计出最为合理的支护方案， 而这些内容都需要通过现场验证来完善。 参考文献 ［1］ 肖志广.浅谈下承式钢管混凝土系杆拱桥连续支架法施工关 键技术 ［J］ .建筑与装饰， 201921 136. ［2］ 刘吉晗.基于劲性骨架法的下承式钢管混凝土拱桥受力分析 ［J］ . 北方交通， 20199 35-37. ［3］ 张亚杰， 李世铭， 胡晓东， 等.下承式钢管混凝土拱桥拱肋施工支 架安全性研究 ［J］ .水利与建筑工程学报， 2019， 173 204-207. ［4］ 卢士波， 吕利芹.基于 PDL 模型的钢管混凝土劲性骨架拱桥 拱肋吊装线形控制研究 ［J］ .交通科技， 20191 55-58. ［5］ 周源， 王戈.强劲骨架在钢管混凝土劲性骨架拱桥中的应用 ［J］ . 山西交通科技， 20193 65-69. （ 责任编辑刘晓芳 ） 侯芳芳 综采工作面地应力场变化对瓦斯压力场的影响研究 41