聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳锚喷技术在动压巷道中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 01 1 No 8 Au g us t 聚丙烯纤维混凝土钢筋 网壳锚喷技术在 动压巷道 中的应用 陈红续 ， 庞建勇 ， 唐 百晓 ， 金 志恒 。 ( 1 安徽理工大学土木工程系 ， 淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 陕西安康学院经济管理系， 7 2 5 0 0 0 ； 3 福建 省水利 水 电工程 局有 限公 司 ， 福州 3 6 2 8 0 0 ) 摘 要 ： 针对动压 失稳巷道 的变形特征 ， 提 出了在动压巷道 中采 用聚 丙烯纤 维混凝土钢筋 网壳锚喷 支护技术。 该 新支护结构具有一定的整体可缩性 ， 有较 高的承 载能力和让压性能。现场监 测表 明 ， 在不 降低 支护承载 能力 的情 况下， 该 支护形 式能很好地 防止动压变形 ， 具有 良好 的采性 ， 是一种优 良的动 压巷道让 压支护结构。 关键 词： 动压巷 道； 聚 丙烯纤维混凝 土； 钢筋网壳； 监测 Abs t ra c t ： Ai mi ng a t t he t he de f o r ma t i o n c ha r ac t e r i s t i c s o f d y na mi c pr e s s ur e i n s t a bi l i t y f o r r o a dwa y ，t h e s u p po r t i ng t e c hn o l o g y o f r e i n f o r c e d wi r es he l l bo l t i n g s ho t c r e t e f or po l y p r o p yl e n e f i b e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e i n dy n a mi c pr e s s u r e r o a dwa y i s p r o p o s e d Thi s n e w s u p po r t i ng s t r u c t u r e ha s a e e nt a i n r e t r a c t a b l e pr o p o rty i n t o t a l ，h i g e r be a tin g c a pa c i t y a n d yi e l di n g p r o pe r t y Th e o ns i t e mo n i t o rin g i nd i c a t e s t ha t u nd e r t h e s i t ua t i on of n o t r e du c i ng t he be a tin g c a p a c i t y f o r s u p p o r i n g ， t h e s u p p o r t i n g f o rm c a n g r e a t l y p r e v e n t t h e d y n a mi c p r e s s u r e d e f o r ma t i o n ， a n d h a s g o o d fl e x i b i l i t y ， wh i c h i s a go o d k i nd o f yi e l di n g s u p po rti n g s t r u c t ur e for d y ma ni c p r e s s u r e r o a d wa y Ke y wor d s： Dy n ami c p r e s s u r e r o a d wa y ；P o l y p r o p y l e n e fib e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e ；Re i n f o r c e d wi r e s he l l ；Mo ni t o rin g 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 8 4 2 0 3 0前言 动 压 或动 压 力 是 指 由于 矿 山开 采 活 动 所 形 成 的各 种集 中压力 ，包 括 回采 工作 面 超前 集 中压力 、 顶板垮落集中压力、一侧采空的单侧煤柱压力 、 两 侧 采空 的双侧 集 中压力 以及其 它叠加 压力 等 。动 压 巷 道 泛指受 采 动 或地 下 车场扰 动 影 响 的井 下巷 道 ， 其特点是巷道所处 的稳定状态受到影 响后 ， 围岩应 力 再 次或 多次 重 分布 ，原 有 的静 压 平衡 被 打破 ， 围 岩发生显著 变形 、 位移 ， 需经应力重新分布平衡后 ， 巷道 围岩才能重新稳定下来 。如果巷道的支护不能 适 应采 动影 响 带来 的应 力 变化 ， 或者 没及 时 采 取相 应 的加 固补 救 措施 ， 则 巷道 将 受 到不 同程 度 的破 坏 或 断 面变 形 、 围 岩松 动 失 稳 ， 甚 至 片帮 、 冒顶 、 底 臌 等 ， 严 重影 响巷 道 的安 全使 用 。 在 煤矿 巷道 中 ， 7 0 8 0 的巷道 会受 到 采 动 的影 响，动压 影 响 的巷 道支 护 和 维护 已成 为制 约 煤 矿 集 约化 生 产 的重 要 因素 之一 由于 动 压 巷 道要 经 历 由动 压 应 力 状 态 的多 次 变化 ， 围岩 的压 力 、 变形 、 位 移 也 随着 动压 的 变化 发 生 多次 相 应 变 化 ， 从 平 衡 到 不 平 衡 ， 最 后 又趋 于 平 衡 ， 而且 变化 剧烈 ， 时 间短暂 ， 导 致巷 道 围岩压 力 显 现 很 大 ， 巷道 变形 严 重 ， 维护 困难 。这样 的条件 下 ， 一 42 一 要使 围岩 能 经 受 住 反 复 的 压 力 变 化 而不 发 生松 动 破裂 ， 就要求锚喷支护具有较高的支护抗力和较大 的抗 变形 能 力 ， 即要 求 支护 结 构有 较 大 的 刚性 和足 够 的柔性 和 可缩性 。 1 动压 失稳 的表现 特征 对 于动 压 巷 道 ， 由于 动 压 影 响 ， 围岩 破 坏 变 形 的形式非常多样 ， 既有结构控制型的坍塌 ， 又有应 力控制型的片帮 、 底臌和整体性缩颈封闭等 ， 尤其 以底臌现象最为严重。而底臌和帮部破坏并发是动 压巷道失稳形态最常表现的一种形式。支护结构的 作 用 以及 受采 动 的影 响程 度 ， 决 定 着 弱结 构 巷道 能 否正常使用及使用时间的长短 。动压巷道失稳破坏 一 般 有 如下 两种 形 式 ： 各 向来 压 强 烈 ， 巷 道 变形 基本 均 匀 ， 支架 逐 渐被 破 坏 ， 底臌 与 顶 帮破 坏并 发 ； 围岩从 弱支 护部 位 臌 出 ， 到 一 定程 度 则诱 发 牢 固 支 撑部 位 支 架 破 坏 ， 底 臌 及 顶 板 下沉 不 均 匀 ， 发 展 过程 呈缓慢 一 急剧 形式陶 。 2聚丙 烯纤 维混 凝土钢 筋 网壳复 合衬 砌技术 简介 2 0 0 0年 以来 ， 安徽 理 工大 学 开展 了钢 筋 网壳支 架 的研 究 ， 设 计 了一 种新 型钢 筋 网壳 构 件 ， 它是 一 种新 型 的整 体 三 维 支 撑 架 ，具 有 良好 的空 间稳 定 性 。普通钢筋网喷层与网壳喷层单点加载对比试验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈红续 ， 庞建勇 ， 唐百晓 ， 等聚丙烯纤维混凝土钢筋网壳锚喷技术在动压巷道中的应用 表 明 ， 前 者 为 小 挠度 折 断 ， 后 者 为大 挠 度 渐 进 破坏 ， 具 有 较 强 的承 载 能力 和 良好 的柔 性 抗 压 性 能【 3 。 良 好 的 承 载 力 和 柔 性 抗 压 能 力 为 其 在 动压 巷 道 中 的 应用提供了力学依据 。网壳在地面加工 ， 在地下组 装 ，每架网桥 的几个 网片之间用高强螺栓连接 ， 并 设 有 可缩 性 垫板 。一架 的宽 度 控 制在 7 0 0 mm， 一 架 连接一架铺设 ， 架间不 留空隙。通常架设 4 5后 ， 立 即用 混凝 土 浇 筑 ，使 网壳 和混 凝 土 连 成 有 机整 体 。 这 是 为 了防止 在裸巷 出现变 形前 ， 形 成 整体 支护 。 对 于动 压 巷道 ， 普 通 的混 凝 土 喷 层 在 动压 力 作 用 下 会 受 到 抗 拉 、 抗 剪 等 力 学 性 能 的 局 限 ， 故 采 用 新型聚丙烯纤维混凝土与钢筋 网壳支架配合使用 。 由于聚丙烯纤维混凝土喷层是一种柔性喷层 ， 与普 通 混 凝 土喷 层 相 比 ， 聚丙 烯 纤 维 混凝 土 喷层 中应 力 的分 布 比较 均 匀 ， 同时具 有 较 好 的让 压 能力 。这 是 因为聚丙烯纤维的细度高 ( 当量直径 0 0 2 0 1 mm) ， 混 凝 土 中纤 维 的 间距 小 ， 聚丙 烯 纤维 能有 效 限制 早 期t 昆凝土 由于离析 、 沁水 、 收缩等 因素造成的裂缝 的产生和发展 ，能通过提高材料介质的连续性 ， 使 硬 化 后混 凝 土 力学 性 能 得 到 明显 提 高 。 因为 聚 丙 烯纤维的抗拉强度较高 ，喷层 内产生细微裂缝后 ， 拉应力将传到未开裂 的混凝 土硬化体上 ， 直至邻近 硬化体 的应力达 到极 限抗拉强度时才产生新 的细 微裂缝 。这样 ， 过高的拉应力就会逐渐向远处传递， 使结构内拉应力逐渐趋于均匀分布 ， 并最终主要 由 纤维来承担 ， 这就保持了复合体的整体性 。 对 于 动 压巷 道 ， 聚丙 烯 纤 维混 凝 土钢 筋 网壳 复 合衬砌技术具有非常显著的针对性： 由于钢筋网 桥 采用 一 架 连着 一 架 铺 设 的方 式 ，架 间不 留 问距 ， 这样就防止了出现局部弱支护 ， 避免 了常规支护容 易在动压影响下出现弱结构部位先破坏 ， 进而出现 整体破坏的现象 。每一架钢筋网壳本身的几个网 片之间搭接处设有可缩性垫板 ， 具有柔性抵抗动压 影 响 的特点 。 聚丙 烯纤 维混 凝 土 喷层 具 有 较强 的 韧 性 ， 喷 层 中应 力 分 布 比较 均 匀 ， 同 时具 有 较 好 的 让压能力 、较高的支护抗力和较大的抗变形能力 ， 与普通混凝 土相 比具有更好 的抵抗动压破坏 的性 能 5 。 3工程应 用 3 1 工程 概况 某矿 地 下车 场位 于 8煤底 板 ，距 离 8煤 1 7 m， 8 煤 属下 石 盒 子组 ，岩层 产 状 1 4 。 ，巷 道顶 板 有 一 层 4 0 0 ra m 厚煤 线 。巷 道上 半 部 及顶 板 为 泥 岩 ， 下半 部 及 底板 为粉 砂 岩 。顶板 泥岩 呈 灰褐 色 深 灰色 ， 为 泥 质结构 ， 块状且较松散 ， 含炭质泥岩成分 ， 局部岩性 较脆 ， 可 见植 物化 石碎 屑 。底板 粉砂 岩呈 灰色 ， 粉砂 型块 状 构造 ， 较致 密 坚 硬 ， 水 平层 理 发 育 ， 含 泥 质成 分 ， 偶 见 黄 铁矿 薄 膜 。车 场 原 支护 为 U 2 9型 钢半 圆 拱 棚 刚性 支架 ， 柱 窝 深度 2 5 0 ram， 棚距 6 0 0 mm， 拉杆 4道 ，每 棚 2个 限 位 块 ， 4副 棚 卡 ；锚 杆 0 2 2 m mx 2 4 0 0 mm， 间 距 8 0 0 mm x S O O mm； 锚 索 0 2 2 ram 7 5 0 0 ram， 间 距 1 6 0 0 ramx 1 6 0 0 ram； 表 面 打 混 凝 土 地 坪 l O O mm， 原普 通混 凝 土喷层 厚 度 5 0 mm。 该地下车场竣工后 ， 由于受周围工作面开采和 行 车动 压 的影 响 ， 出现 了严重 的底 臌 和帮 部 严 重 变 形 现象 ， 表面 喷层混凝 土掉落 ， 棚 梁变平 ， 棚卡崩 落， 局部塌落严重 ， 断面收缩量达到了 3 0 。 3 2 修复方案的确定 根据该地下车场严重破 碎段地质状况 和地压 显现特点 ， 采用了聚丙烯纤维混凝土钢筋 网壳锚喷 复合衬砌支护技术 。用闭合的钢筋网壳代替原支护 中的 U 2 9型钢半圆拱棚刚性支架 ； 用聚丙烯纤维混 凝土喷层代替原支护中的普通混凝土喷层 ， 厚度仍 为 5 0 ra m； 锚杆锚索仍采用原支护参数 。 具体为每棚 钢筋 网壳 支架按巷道断面分为 7片 ，由 1片顶 网 壳 、 4片侧 网壳和 2片底网壳拼装而成。网壳宽度为 5 3 0 0 mm， 厚度 为 1 1 5 m m； 每 片 由 2根 0 2 5主弧 筋 、 6 根 0 1 6次弧筋 、若 干 01 0桥架及若干 Ol O连接筋 焊接而成 ， 两端各焊接一块带螺栓孔 的联结板 ， 顶 、 侧 、底 网壳拼装 时在两个接头处夹一块厚 5 0 mm的 可缩垫板 ， 并用高强螺栓联结。经多次室内试验， 确 定 喷 射纤 维 混 凝 土配 合 比为 ： 水 泥 ： 砂 ： 石 ： 水 = 1 0 0 ： 1 4 9 ： 1 4 9 ： 0 4 5 ； 外加剂掺量为水泥重的 2 ； 聚丙烯 纤 维 长 1 2 ram， 掺 量 O 9 k g m 。修 复 支 护 方 案如 图 1 所 示 。 图 1 修 复支护方案设计图 3 3 效果 监测 ( 1 ) 钢筋 网壳锚 喷结 构 断 面 围 岩压 力 随 时 间 的 变化 情 况 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 8期 混凝 土与水 泥制 品 总第 1 8 4期 为评判 支 护结 构 的受 力状 况 ， 并 进 一 步优 化 支 护设 计 ， 对钢 筋 网壳 锚 喷结 构断 面 围岩 压 力 随时 间 变 化 的情 况进 行 了监 测 ， 监 测 的主要 内容是 钢 筋 网 壳 关 键部 位 的压 力变 化 。对 于钢 筋 网壳 来 说 ， 关键 部位主要是指主筋和次弧筋。测量仪器选用 I C K 一 4 9 1 1 2 1 0型 钢筋 计 。分别 在巷 道断 面左 肩拱 、 右 肩 拱 、 左 墙腰 、 右 墙 腰 和 拱顶 五个 部 位 进 行应 力应 变 的测量 ， 结 果如 图 2所 示 。从 图 2可 以看 出 ， 三 维钢 筋 网壳 锚 喷支 护结 构支 护 段 围岩 压 力较小 ， 且分 布 较均匀。这是因为三维的钢筋网架锚喷结构具有较 好的抗压让压能力 ， 当网壳锚喷结构与围岩融为一 体后 ， 该结构与 围岩的变形节奏一致 ， 有利 于释放 围岩 压 力 ， 提 高 岩 体 的 自承能 力 ， 使 作 用在 钢筋 网 架锚 固段 的压力 减小 ， 且分 布均 匀 。 岂 呵 瞎 当 D 1 O 20 3 O 4 0 5 O 6 D 时 l 可， d O O O 5 一 1 0 善 一 1 5 2 0 - 2 5 皇 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 时间， d 图 3 普通支护 断面混凝土应力变化曲线 时间 图 2 钢筋 网壳锚喷结构断面围岩压力 随时 间的变化曲线 图 4 复合衬砌断面混凝 土应力变化 曲线 ( 2 ) 衬 砌断 面混凝 土应 力变 化 在修 复段 ， 选 择一 段长 5 0 0 ra m 的巷道 喷射 普通 混凝土与纤维混凝土喷层做对 比。普通混凝土配合 比为 ： 水泥 ： 砂 ： 石 ： 水= 1 0 0 ： 1 -4 9 ： 1 4 9 ： 0 4 5 ， 外加剂 掺量为水泥重 2 ， 不添加聚丙烯纤维。同样分别在 巷道 断 面左 肩拱 、 右 肩拱 、 左 墙 腰 、 右墙 腰 和拱 顶 五 个部 位进 行应 力测 量 。测量 结果 分别 如 图 3和图 4 所 示 。从 对 比测 试结 果 可 以看 到 ， 共 同点 是 混凝 土 中的应力随时间变化都是减小的趋势 ， 这是因为围 岩 变 形 后 其 自身 开始 承载 部 分 荷 载 所 致 ；不 同 点 是 ， 与 普 通 混凝 土相 比 ， 聚 丙 烯纤 维 混 凝 土 喷 层 中 个 测点应 力值 相对 较小 。这是 因为 聚丙烯纤 维混凝 土 具有 较 强 的韧性 ，同 时具有 较 好 的让 压 能力 、 较 高 的支 护抗 力 和较 大 的抗 变形 能 力 ， 相 比普 通 混凝 土具 有更 好 的抵 抗 动压破 坏 的性 能 。 4 结 语 聚 丙 烯 纤 维 混凝 土 钢 筋 网壳 锚 喷 复合 支护 技 术 作 为一 种 新 的支 撑 力 强 、 结构 新 颖 、 性 能优 越 的 锚 喷支 护形 式 ，在 实 际工 程 中得 到 了成 功 的应 用 ， 一 44 一 为 复 杂地 质 条 件下 的动 压 巷 道 支 护 技 术 开辟 出 了 一 条新 路 径 ， 这 对 改 进 动 压巷 道 的支 护 结 构 ， 促 进 巷道支护技术的发展 ， 完善巷道支护理论具有重要 的意义 。 参 考 文 献 ： 1 】 顾士亮软岩动压巷道围岩稳定性原理及控制技术研究 能源 技 术 与管 理 ， 2 0 0 4( 1 ) 2 曾凡 宇 软岩 及动压巷 道失稳机 理与 支护方 法 煤炭 学 报 ， 第 3 2卷 第 6期 3 】 庞建 勇， 闾沛 软岩巷道聚丙烯混凝土钢筋 网壳 复合衬砌 试 验 及 工 程 应 用 研 究 岩 土 力 学 ， 2 0 1 0， 1 2( 3 1 ) 4 龚益 ， 徐至 均 纤维 混凝土 与纤维砂 浆 中 国建 筑工业 出 版社 ， 2 0 0 5 5 庞建 勇， 郭兰波 半刚性网壳锚喷支护及其在跨采巷道 中 的应 用 土 木 工 程 学 报 ， 2 0 0 5， 3 ( 3 8) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一 O 6 2 9 作者简介 ： 陈红续 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕士 研究生 。 通讯地址 ： 安徽省 淮南市舜耕 中路 1 6 8号 联 系 电话 ： 1 5 8 5 6 6 9 6 1 7 0 E- ma i l ： c h e n h x a u s t e d u c n 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 O 0 O 0 O 0 O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m