深井特大箕斗装载硐室支护结构受力监测及分析

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

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

2 硐室支护结构优化

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]。

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。

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。