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摘 要：为了解决深井主井箕斗装载硐室断面尺寸大和埋深大的技术难题，首先对原支护结构设计进行了优化，即通过采用钢梁代替原钢筋混凝土平台，而在二侧墙相应位置设置小锚索来代替楼板对二侧墙的支撑作用，并且对优化后的钢筋混凝土山墙受力进行了受力监测，监测结果表明：竖向钢筋一直处于受拉状态；钢筋应力值远小于钢筋强度设计值。证明了优化方案是合理的，优化后的主井箕斗装载硐室支护结构是安全可靠的。
关键词：箕斗装载硐室；钢梁；锚索；受力监测
中图分类号：TD326 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0050-04
立井箕斗装载硐室是立井井筒施工中所涉及的重要工程之一，其布置形式和支护形式与否会直接影响井筒施工的进度和质量[1]。淮南矿业集团望峰岗煤矿主井是一个具有井筒埋深大、地应力大、围岩条件差、主井箕斗装载硐室断面尺寸大及施工难度高等特点的矿井，这些因素轻者影响工程进度，重者影响施工安全。本文先根据已有的初步设计，对优化后的支护结构通过现场实时监测，及时反馈信息，实现动态设计和进行施工决策，从而确保在安全的前提下，实现设计和施工的科学性及合理性。因此，针对主井装载硐室断面大、支护难等特点，开展对该矿主井装载硐室支护技术研究，对确保装载设备运行安全有着非常重要的意义。
1 工程概况
望峰岗煤矿井主井箕斗装载硐室位于垂深-860～-881.1 m处，所处岩性主要为泥岩和鲕状泥岩，其净高、净宽和净深分别为21.1 m、10.0 m和5.075 m，为一特大型箕斗装载硐室，断面形状为高直墙半圆拱结构，采用二次支护形式：① 初期支护。采用锚、喷、网支护方式，其中采用22螺纹钢高强锚杆，其参数为L=2500 mm@800 mm×800 mm；而钢筋网采用6光圆钢筋网格间距为150 mm×150 mm；② 二次支护。支护时二侧墙和迎面墙分别采用800 mm和900 mm厚双排钢筋混凝土支护形式，并在-867.0 m和-870.55 m处分别设置一层厚350 mm的钢筋混凝土平台。其中钢筋规格取纵筋Φ25 mm、竖筋（环筋）Φ25 mm，间排距200 mm×200 mm；模筑混凝土：强度等级C40。
2 硐室支护结构优化
由于望峰岗矿井主井箕斗装载硐室墙高特大，所处岩性又特别差，在施工和使用过程中，支护结构受力极其复杂，必须采取强有力的支护措施，对支护方案进行优化。① 采用钢梁来代替原设计上、下室之间二层厚度为350 mm的钢筋混凝土平台；② 对于二侧墙支撑作用的削弱则通过在原钢筋混凝土平台二侧墙位置上、下设置长度、锚深分别为6.2 m和6.0 m的小锚索来代替混凝土平台对二侧墙的支撑作用，锚索为15.24 mm钢绞线，锚索的设计锚固力不低于200 kN，南侧和北侧每排布置3根锚索，而西侧每排布置2根锚索，并且每排锚索用16号槽钢作为整体托梁联接；③ 在三面墙角处增打底角锚杆，防止墙角及底板变形过大造成破坏，锚杆设计为直径22 mm的高强锚杆，长为3.5 m，与水平夹角为30°，优化后的支护方案如图1所示。
3 硐室支护结构受力监测
为了实时了解优化后箕斗装载硐室支护结构的受力状态，在其二侧和迎面山墙钢筋混凝土结构内部埋设传感器，实施信息化长期监测，目的是监测其内力变化情况，当出现不安全因素时，及时预报，以采取加固措施。
3.1 监测元件布置
为了确保观测系统长期的稳定性和可靠性，本次测量采取精度高、抗干扰性强、稳定性好的振弦式传感元件作为一次仪表，振弦式频率仪作为二次仪表[2]。传感器随工程施工埋入钢筋混凝土结构中，其中压力采用振弦式压力传感器测量，钢筋应力则采用振弦式钢筋传感器测量；振弦式频率仪采用XP99振弦频率仪，其量测范围为300～6 000 Hz[3]。
监测元件布置在箕斗装载硐室两侧墙和迎面山墙的钢筋混凝土结构中，共分为三个测试断面，每个测试断面布置两个测点，各个测点在岩石和混凝土结构的交界面上布置一个压力传感器，以测量压力的大小；在混凝土结构的内排钢筋上沿竖向、环向各布置一个钢筋传感器，用来确定竖向钢筋应力和环向钢筋应力的大小。三个测试断面共布置6个测点，并且6个测点在埋设深度为-870m的水平面上，测试元件布置如图1所示，其中1、3、5、7、9、11号为竖向钢筋应力传感器，2、4、6、8、10、12号为环向钢筋应力传感器，A、B、C、D、E、F号为压力传感器。三个测试断面所有传感器的导线通过防水接线盒与集中电缆联接到地面观测站，进行实时监测。
3.2 监测结果及分析
元件埋设后，进行实测观测，获得大量的数据[4]。根据实测的数据绘制了三个测试断面的钢筋平均应力和平均压力随时间变化的情况。
3.2.1 环向钢筋 望峰岗主井箕斗装载硐室环向钢筋监测结果如图3所示。其中受拉为正，受压为负。
从图3可以看出，环向钢筋应力在0～10天内，钢筋的拉应力急剧增加，这主要是由于混凝土水化热释放完后，三个断面山墙温度下降，混凝土收缩变形，此时环向钢筋承受温度拉应力；随后环向钢筋应力逐渐减小，观测91 d时，钢筋应力由受拉状态逐渐转为受压状态；观测后期，环向钢筋的压应力趋于稳定。
在6个环向钢筋应力传感器中，4、6、8、10号钢筋应力传感器受压，只有2和12号钢筋应力传感器受拉，这主要是由于这两个钢筋应力传感器位于井壁和箕斗装载峒室交界处，是装载峒室支护结构应力集中区域；而环向钢筋2号测点压应力最大，目前已经增长到97.8 MPa，环向钢筋8号测点压应力增长至87.3 MPa。即主井箕斗装载峒室北墙压应力增加较快，表明主井箕斗装载峒室及其井筒位置承受东西方向的压力较大[5]。
观测显示，三个测试断面环向钢筋应力变化曲线是一致的，其最大值为94.0 MPa，位于西侧，处于受压状态，远小于钢筋强度设计值300 MPa，可见，钢筋混凝土环向钢筋一直处于安全状态。 3.2.2 竖向钢筋 望峰岗井主井箕斗装载硐室竖向钢筋监测结果如图4所示。
图4 竖向钢筋平均应力随时间变化曲线从图4可以看出，竖向钢筋应力变化过程大致分为3各阶段。①急剧增加段。在此阶段内，平均应力以2.5 MPa/d速度增长，这是因为混凝土水化热达到峰值后开始降低，钢筋立即收缩变形，使钢筋进入温度约束拉应力状态；②缓慢增长段。随着时间的增长，钢筋混凝土温度逐渐下降，岩石对混凝土产生约束，进一步阻碍了钢筋混凝土的收缩，使竖向钢筋依然承受较大的竖向拉应力，且成缓慢增长趋势；③稳定阶段。在此阶段，钢筋混凝土温度和围岩变形逐渐趋于稳定，竖向钢筋拉应力也基本趋于稳定。
此外，三个测试断面的竖向钢筋应力处于拉应力状态，没有出现压应力，其中，拉力最大值为113.3 MPa，位于西侧，小于钢筋强度设计值300 MPa，可见，钢筋混凝土竖向钢筋一直处于安全状态。
3.2.3 围岩压力 望峰岗井主井箕斗装载硐室围岩监测结果如图5所示。
钢筋混凝土压力就是围岩受开挖扰动后产生变形而施加在钢筋混凝土上的侧压力，由图5可以看出，西侧压力较大，且在150 d后围岩变形才趋于稳定，这主要是由于主井箕斗装载峒室及其井筒位置承受南北方向的压力较大；而南侧压力较小，最大值0.54 MPa。在后期观测中，钢筋混凝土所承受的侧压力也基本趋于稳定。可知，压力较小且没有突变现象，说明主井箕斗装载硐室支护结构在监测时间段内是安全可靠的，同时也验证了主井箕斗装载硐室支护结构优化方案的可靠性。
4 结论
三个测试断面的环向钢筋在观测初期承受拉力，而在后期主要承受压力，处于受压状态；对于竖向钢筋一直处于受拉状态，这表明了钢筋混凝土竖向钢筋拉应力的大小与混凝土温度变化和围岩变形大小有关。监测结果表明，主井箕斗装载硐室用钢梁代替原钢筋混凝土平台和通过锚索支护来补强的支护结构是安全可靠性，并验证了支护结构优化方案的合理性，为类似结构的支护设计提供依据。
参考文献：
[1] 刘勤江.立井箕斗装载硐室设计改进与效果[J]. 煤炭工程，2003，26（4）：7-8.
[2] 蔡海兵，程桦，姚直书，等.深厚表土层冻结外层井壁受力状况的监测及分析 [J].煤炭科学技术，2009（2）：38-41.
[3] 王再举，姚直书，邓昕，等.冻结井筒外壁受力信息化施工监测及分析[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2013，33（2）：62-66
[4] 姚直书，程桦，张国勇，等.特厚冲积层冻结法凿井外层井壁受力实测研究 [J].煤炭科学技术，2004（6）：49-52.
[5] 荣传新，黎明镜，蔡海兵. 千米深井主井装载峒室支护结构优化及其内力监测分析[C]//周兴旺.矿山建设工程新技术——2009全国矿山建设学术会议文集（上册），合肥：合肥工业大学出版社，2009：448-456.
（责任编辑：何学华 吴晓红）
关键词：箕斗装载硐室；钢梁；锚索；受力监测
中图分类号：TD326 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0050-04
立井箕斗装载硐室是立井井筒施工中所涉及的重要工程之一，其布置形式和支护形式与否会直接影响井筒施工的进度和质量[1]。淮南矿业集团望峰岗煤矿主井是一个具有井筒埋深大、地应力大、围岩条件差、主井箕斗装载硐室断面尺寸大及施工难度高等特点的矿井，这些因素轻者影响工程进度，重者影响施工安全。本文先根据已有的初步设计，对优化后的支护结构通过现场实时监测，及时反馈信息，实现动态设计和进行施工决策，从而确保在安全的前提下，实现设计和施工的科学性及合理性。因此，针对主井装载硐室断面大、支护难等特点，开展对该矿主井装载硐室支护技术研究，对确保装载设备运行安全有着非常重要的意义。
1 工程概况
望峰岗煤矿井主井箕斗装载硐室位于垂深-860～-881.1 m处，所处岩性主要为泥岩和鲕状泥岩，其净高、净宽和净深分别为21.1 m、10.0 m和5.075 m，为一特大型箕斗装载硐室，断面形状为高直墙半圆拱结构，采用二次支护形式：① 初期支护。采用锚、喷、网支护方式，其中采用22螺纹钢高强锚杆，其参数为L=2500 mm@800 mm×800 mm；而钢筋网采用6光圆钢筋网格间距为150 mm×150 mm；② 二次支护。支护时二侧墙和迎面墙分别采用800 mm和900 mm厚双排钢筋混凝土支护形式，并在-867.0 m和-870.55 m处分别设置一层厚350 mm的钢筋混凝土平台。其中钢筋规格取纵筋Φ25 mm、竖筋（环筋）Φ25 mm，间排距200 mm×200 mm；模筑混凝土：强度等级C40。
2 硐室支护结构优化
由于望峰岗矿井主井箕斗装载硐室墙高特大，所处岩性又特别差，在施工和使用过程中，支护结构受力极其复杂，必须采取强有力的支护措施，对支护方案进行优化。① 采用钢梁来代替原设计上、下室之间二层厚度为350 mm的钢筋混凝土平台；② 对于二侧墙支撑作用的削弱则通过在原钢筋混凝土平台二侧墙位置上、下设置长度、锚深分别为6.2 m和6.0 m的小锚索来代替混凝土平台对二侧墙的支撑作用，锚索为15.24 mm钢绞线，锚索的设计锚固力不低于200 kN，南侧和北侧每排布置3根锚索，而西侧每排布置2根锚索，并且每排锚索用16号槽钢作为整体托梁联接；③ 在三面墙角处增打底角锚杆，防止墙角及底板变形过大造成破坏，锚杆设计为直径22 mm的高强锚杆，长为3.5 m，与水平夹角为30°，优化后的支护方案如图1所示。
3 硐室支护结构受力监测
为了实时了解优化后箕斗装载硐室支护结构的受力状态，在其二侧和迎面山墙钢筋混凝土结构内部埋设传感器，实施信息化长期监测，目的是监测其内力变化情况，当出现不安全因素时，及时预报，以采取加固措施。
3.1 监测元件布置
为了确保观测系统长期的稳定性和可靠性，本次测量采取精度高、抗干扰性强、稳定性好的振弦式传感元件作为一次仪表，振弦式频率仪作为二次仪表[2]。传感器随工程施工埋入钢筋混凝土结构中，其中压力采用振弦式压力传感器测量，钢筋应力则采用振弦式钢筋传感器测量；振弦式频率仪采用XP99振弦频率仪，其量测范围为300～6 000 Hz[3]。
监测元件布置在箕斗装载硐室两侧墙和迎面山墙的钢筋混凝土结构中，共分为三个测试断面，每个测试断面布置两个测点，各个测点在岩石和混凝土结构的交界面上布置一个压力传感器，以测量压力的大小；在混凝土结构的内排钢筋上沿竖向、环向各布置一个钢筋传感器，用来确定竖向钢筋应力和环向钢筋应力的大小。三个测试断面共布置6个测点，并且6个测点在埋设深度为-870m的水平面上，测试元件布置如图1所示，其中1、3、5、7、9、11号为竖向钢筋应力传感器，2、4、6、8、10、12号为环向钢筋应力传感器，A、B、C、D、E、F号为压力传感器。三个测试断面所有传感器的导线通过防水接线盒与集中电缆联接到地面观测站，进行实时监测。
3.2 监测结果及分析
元件埋设后，进行实测观测，获得大量的数据[4]。根据实测的数据绘制了三个测试断面的钢筋平均应力和平均压力随时间变化的情况。
3.2.1 环向钢筋 望峰岗主井箕斗装载硐室环向钢筋监测结果如图3所示。其中受拉为正，受压为负。
从图3可以看出，环向钢筋应力在0～10天内，钢筋的拉应力急剧增加，这主要是由于混凝土水化热释放完后，三个断面山墙温度下降，混凝土收缩变形，此时环向钢筋承受温度拉应力；随后环向钢筋应力逐渐减小，观测91 d时，钢筋应力由受拉状态逐渐转为受压状态；观测后期，环向钢筋的压应力趋于稳定。
在6个环向钢筋应力传感器中，4、6、8、10号钢筋应力传感器受压，只有2和12号钢筋应力传感器受拉，这主要是由于这两个钢筋应力传感器位于井壁和箕斗装载峒室交界处，是装载峒室支护结构应力集中区域；而环向钢筋2号测点压应力最大，目前已经增长到97.8 MPa，环向钢筋8号测点压应力增长至87.3 MPa。即主井箕斗装载峒室北墙压应力增加较快，表明主井箕斗装载峒室及其井筒位置承受东西方向的压力较大[5]。
观测显示，三个测试断面环向钢筋应力变化曲线是一致的，其最大值为94.0 MPa，位于西侧，处于受压状态，远小于钢筋强度设计值300 MPa，可见，钢筋混凝土环向钢筋一直处于安全状态。 3.2.2 竖向钢筋 望峰岗井主井箕斗装载硐室竖向钢筋监测结果如图4所示。
图4 竖向钢筋平均应力随时间变化曲线从图4可以看出，竖向钢筋应力变化过程大致分为3各阶段。①急剧增加段。在此阶段内，平均应力以2.5 MPa/d速度增长，这是因为混凝土水化热达到峰值后开始降低，钢筋立即收缩变形，使钢筋进入温度约束拉应力状态；②缓慢增长段。随着时间的增长，钢筋混凝土温度逐渐下降，岩石对混凝土产生约束，进一步阻碍了钢筋混凝土的收缩，使竖向钢筋依然承受较大的竖向拉应力，且成缓慢增长趋势；③稳定阶段。在此阶段，钢筋混凝土温度和围岩变形逐渐趋于稳定，竖向钢筋拉应力也基本趋于稳定。
此外，三个测试断面的竖向钢筋应力处于拉应力状态，没有出现压应力，其中，拉力最大值为113.3 MPa，位于西侧，小于钢筋强度设计值300 MPa，可见，钢筋混凝土竖向钢筋一直处于安全状态。
3.2.3 围岩压力 望峰岗井主井箕斗装载硐室围岩监测结果如图5所示。
钢筋混凝土压力就是围岩受开挖扰动后产生变形而施加在钢筋混凝土上的侧压力，由图5可以看出，西侧压力较大，且在150 d后围岩变形才趋于稳定，这主要是由于主井箕斗装载峒室及其井筒位置承受南北方向的压力较大；而南侧压力较小，最大值0.54 MPa。在后期观测中，钢筋混凝土所承受的侧压力也基本趋于稳定。可知，压力较小且没有突变现象，说明主井箕斗装载硐室支护结构在监测时间段内是安全可靠的，同时也验证了主井箕斗装载硐室支护结构优化方案的可靠性。
4 结论
三个测试断面的环向钢筋在观测初期承受拉力，而在后期主要承受压力，处于受压状态；对于竖向钢筋一直处于受拉状态，这表明了钢筋混凝土竖向钢筋拉应力的大小与混凝土温度变化和围岩变形大小有关。监测结果表明，主井箕斗装载硐室用钢梁代替原钢筋混凝土平台和通过锚索支护来补强的支护结构是安全可靠性，并验证了支护结构优化方案的合理性，为类似结构的支护设计提供依据。
参考文献：
[1] 刘勤江.立井箕斗装载硐室设计改进与效果[J]. 煤炭工程，2003，26（4）：7-8.
[2] 蔡海兵，程桦，姚直书，等.深厚表土层冻结外层井壁受力状况的监测及分析 [J].煤炭科学技术，2009（2）：38-41.
[3] 王再举，姚直书，邓昕，等.冻结井筒外壁受力信息化施工监测及分析[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2013，33（2）：62-66
[4] 姚直书，程桦，张国勇，等.特厚冲积层冻结法凿井外层井壁受力实测研究 [J].煤炭科学技术，2004（6）：49-52.
[5] 荣传新，黎明镜，蔡海兵. 千米深井主井装载峒室支护结构优化及其内力监测分析[C]//周兴旺.矿山建设工程新技术——2009全国矿山建设学术会议文集（上册），合肥：合肥工业大学出版社，2009：448-456.
（责任编辑：何学华 吴晓红）