地下傾斜巷道U型鋼支架支護數值模擬

地下傾斜巷道U型鋼支架支護數值模擬

包海玲

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥231603)

摘要:針對某工程巷道為地下傾斜及有軟巖夾層的特點，用ANSYS有限元軟件建立模型，分析U型鋼支架支護機理。

關鍵詞:U型鋼支架；傾斜巷道；支護機理；數值模擬

收稿日期：2015-03-20；修回日期：2015-03-21

基金項目：企業委托資助項目(編號107433184)

作者簡介：包海玲(1986-)，女，安徽合肥人，教師，從事土木械程專業教學與研究。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.002

中圖分類號：TD353

The support mechanism of U-steel support in deep inclined roadway

BAO Hai-ling

(Anhui Technical College of Water Resources and Hydroelectric Power，Hefei 231603，China)

Abstract:According to the project for underground workings and the characteristics of soft rock sandwich,this paper uses ANSYS finite element modeling software to analyze the mechanism of U-shaped steel bracket support.

Key words:U-steel support; Inclined tunnel; Support mechanism; Numerical simulation;

0　引　　言

國內外都認為，U型可縮性鋼及各種金屬支架是軟巖巷道及受動壓影響巷道比較有效的支護方式。U型鋼支架是一種被動支護，力學性能良好，抗拉強度、抗壓強度較大，具有有良好的韌性性能、承載力大，初撐強度較高，增阻速度快，可多次使用，因而廣泛的應用在礦山巷道。在煤礦巷道特別是深部環境復雜巷道以及有軟巖夾層的巷道中，U型鋼支架可以有效的控制巷道圍巖的變形和移動。目前我國所采用的巷道U型鋼支架的支護技術，支架與圍巖之間都存在一定空間，若該空間得不到及時有效的填充支護，支架會失穩并提前喪失承載力，退出工作。此外，該空間的存在可能使圍巖的位移量增大，支架可能被壓縮，支架變形破壞的主要形式是“屈曲破壞”。在此制約下，考慮U型鋼支架壁后進行有效的填充，柔性填充層與支架于一體的耦合支護方式，是加固圍巖技術、釋能技術和高阻力支護技術的有機結合，改善支護的不穩定性，圍巖本身的承載力和穩定性有所提高，從施工成本和工作效果等多方面，成為解決深部軟巖巷道支護的一種有效措施。

1　U型鋼支架性能數值模擬

1.1工程背景

淮北臨渙煤礦巷道采區名稱為Ⅱ3采區，巷道名稱為Ⅱ3主斜井，地面標高為+25.3～+27.9，工作面標高為-436.7～-660。Ⅱ3 采區主斜井從外向里施工中，自上而下將分別揭露51煤、52煤、K3砂巖、7煤、8煤、9煤、9下煤、鋁土層等標志地層，揭露地層總厚度約307.7m，主要為煤層、泥巖、粉砂巖、砂巖、砂泥互層。設計施工范圍內31、32、51、52、8、9下煤層為不可采煤層，其中51、8、9下煤層大面積沉缺，地層傾角為12～23°，平均15°，其外段地層寬緩，傾角較小，里段受褶曲影響，地層變陡，傾角較大，最大達23°。Ⅱ3主斜井采用“錨網索注”聯合支護，過構造及穿煤層時均采用“全封閉U型棚+注漿+噴漿” 聯合支護。

1.2建立數值模擬模型

在對淮北臨渙煤礦巷道模擬支護有限元分析時，由于U型鋼支架的特殊性質，不僅要對支護結構進行強度和剛度驗算，還要進行穩定性的分析。計算采用如下假定：①服從Mohr-Coulomb 屈服準則，模擬材料為線彈性本構模型，用單元Beam188分析模擬U型鋼支架，用PLANE42模擬圍巖；②僅考慮圍巖自重應力場；③模擬時不考慮U型鋼支架和圍巖間的相互滑移，2種材料采用共用節點的耦合方式；④為了簡化分析計算， U型鋼支架的可縮性不作考慮；⑤采用階段分析方法，先模擬自重應力情況，再利用單元“生、死”模擬巷道的開挖與支護。⑥3種工況的模擬分析，巷道無任何支護情況(工況1)；僅用混凝土噴射支護(工況2)；混凝土與U型鋼支架兩種材料的聯合支護(工況3)。

1.3軟弱巖層處的支護方案

本工程夾有軟弱巖層，開挖過程中，巷道在有軟弱巖層處有明顯的塑性破壞征兆，僅用混凝土一種材料支護(工況2)肯定無法滿足本工程巷道的穩定和安全，考慮在巷道與軟弱巖層交匯界面處，增設另一種支護材料，即U型鋼支架，用鋼支架分擔圍巖上更多的應力，確保施工過程安全，即軟巖交匯處采用混凝土與U型鋼支架聯合支護(工況3)。驗證增設鋼支架在此巷道該處的支護效果，模擬巷道圍巖物理力學參數如表1所列。

表1　圍巖物理力學參數

2　分析軟巖處U型鋼支架支護性能

計算結束后，在圍巖模型坐標為(18，0)處，沿Y軸方向縱向切開，觀察分析切分面的數值模擬結果，比較切分面上巷道開挖后不支護(工況1)、巷道在軟巖夾層處有混凝土和鋼支架聯合支護時(工況3)的應力變化情況，由圖1中可明顯看出在軟巖夾層處有應力突變，對比工況1、3的應力狀態，工況3的最大、最小主應力分布范圍明顯減少，改善工況1的明顯集中，有效地保證了巷道的穩定性。在圍巖自重均布荷載下，有混凝土約束的U型支架(工況3)的承載力得到了大幅度的提高，約為原來的3倍。兩種材料相互約束，聯合支護充分發揮了各自特點，混凝土制約了鋼支架的過早失穩，鋼支架承擔了更多的應力，為巷道掘進施工過程提供了更安全、更可靠的技術保證。

對比分析軟巖夾層處僅噴射混凝土的支護情況(工況2)與采用混凝土與U型鋼支架的聯合支護(工況2)，分析結果如圖2所示。從工況2支護應力云圖可見，應力集中容易產生在軟巖夾層處，圍巖不安全，這符合我們的理論研究。在巷道軟硬巖界面處增加U型鋼支架支護，工況3支護應力云圖中，增設的鋼支架明顯改善了之前應力集中的不利影響，應力分布范圍明顯擴大，應力減小。進一步提高了圍巖以及支護的穩定性，支護效果提高5～10倍以上，進一步確保了施工的安全性。

圖1　工況1、3對比分析圖 圖2 工況2、3對比分析圖

3　結　　論

在圍巖性質改變即支護薄弱處，在普通支護的基礎上，考慮增加U型鋼支架進一步支護，形成與混凝土聯合支護的形式，軟巖夾層處的應力集中問題得到好轉，增設的U型鋼支架支護方式使圍巖的穩定性顯著提高，特別在薄弱環節處鞏固了支護體系，使巷道掘進在如此特殊復雜環境下也能可靠進行。而在煤礦巷道中采用U型鋼支架的支護時，計算U型鋼支架的極限承載力，鋼支架必須滿足強度要求，必須在計算出的安全系數以內。

在本模型計算時，由于模型自身網格劃分的復雜性以及非線性問題分析，計算時出現不收斂的錯誤提示，經過反復模擬計算后，將收斂準則進行調整，以位移控制時調整到0.05(cnvtol,u,0.05,,,)，求解得以繼續進行。

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(責任編輯陳化鋼)