軟巖巷道支護(hù)常見支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

魏海波

（潞安化工集團(tuán)有限公司五陽煤礦，山西 長治 046299）

軟巖是一種特定環(huán)境下具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，一般來說抗壓強(qiáng)度低，來壓快，變形量大，具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等5 個力學(xué)屬性[1]。多年來，隨著開采深度和規(guī)模的不斷增加，我國軟巖礦井?dāng)?shù)量不斷增加[2]，伴隨而來的軟巖支護(hù)問題愈發(fā)嚴(yán)重，而巷道支護(hù)質(zhì)量直接決定了工作面的生產(chǎn)效率和安全性[3]。金屬支護(hù)結(jié)構(gòu)因其承載力較高，施工簡便，支護(hù)成本相對較低，近年來被普遍應(yīng)用且發(fā)展迅速[4]。其中U 型鋼拱形支架和11 號礦用工字鋼支架結(jié)構(gòu)較簡單，承載能力較大，可縮性能較好，因而都是現(xiàn)階段廣泛使用的金屬支架。為了保障煤礦的高效、安全生產(chǎn)，減少支護(hù)成本投入，本文以五陽煤礦南嶺回風(fēng)井82 采區(qū)輔助運(yùn)輸巷某立交段為工程背景，針對現(xiàn)有的U 型鋼棚支護(hù)和常用的11 號礦用工字鋼支護(hù)，通過有限元彈性屈曲分析和理論分析等討論了兩種支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，證明了現(xiàn)有U29 支護(hù)方案的優(yōu)勢和可行性。

1 工程背景

山西潞安化工集團(tuán)五陽煤礦南嶺回風(fēng)井82 采區(qū)巷道埋深740～810 m 不等，3 號煤層頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或細(xì)粒砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖。直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度為0.20 m，局部為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.40～7.75 m，平均厚度為2.56 m；老頂為細(xì)粒砂巖和粉砂巖；底板為普通底板。綜合分析中央2#回風(fēng)大巷及井底車場測點(diǎn)，最大主應(yīng)力22.65 MPa。目前82 采區(qū)上山巷道布置方向?yàn)楸逼?0°左右。

進(jìn)風(fēng)巷（北段）過擴(kuò)區(qū)中央膠帶大巷加強(qiáng)支護(hù)段采用“錨網(wǎng)索噴+U29 型鋼棚”進(jìn)行支護(hù)（如圖1）。巷道呈直墻半圓拱形，掘?qū)?.1 m，掘高4.95 m（拱高3.05 m，直墻高1.9 m），掘進(jìn)斷面26.2 m2；凈寬5.5 m，凈高4.55 m（拱高2.75 m，直墻凈高1.8 m），凈斷面21.78 m2。錨桿間排距800 mm×800 mm，每排19 根；錨索間排距1600 mm×800 mm。

圖1 加強(qiáng)支護(hù)示意圖（mm）

2 支架穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

針對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)11 號礦用工字鋼截面參數(shù)（如圖2a 和表1）和U29 截面參數(shù)（如圖2b 和表2），通過運(yùn)用有限元分析軟件（ABAQUS）建立11 號礦用工字鋼支架和U29 鋼棚支架的1:1 足尺模型。支架斷面形狀為直墻半圓拱形，棚腿高度1800 mm，凈寬5500 mm。由于本文只討論支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此在有限元模型中暫不添加錨桿、錨網(wǎng)索和背板。為方便建立U29 截面，模型采用Solid 實(shí)體單元，該單元有4個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有6 個自由度，包括3 個平動自由度和3 個轉(zhuǎn)動自由度。鋼材材料屬性均采用Q355 鋼，假設(shè)鋼材為線彈性，其彈性模量和泊松比取值為：ES=206 GPa，泊松比為0.3。兩邊棚腿底部的邊界條件為固結(jié)，和巷道中的實(shí)際情況保持一致。此外，本文主要研究整體屈曲性能，整體失穩(wěn)的模式主要包括平面內(nèi)失穩(wěn)和平面外失穩(wěn)。平面內(nèi)失穩(wěn)是指支架結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)發(fā)生彎曲屈曲。平面外失穩(wěn)是指支架結(jié)構(gòu)沿著隧道（巷道）的軸向發(fā)生彎扭屈曲，這種變形與支架本身的強(qiáng)度關(guān)系不大，可以通過拉桿加強(qiáng)支架與支架之間的聯(lián)系來避免平面外的失穩(wěn)。因此，模型中沿著U29 和11 號礦用工字鋼翼緣添加了面外的約束，限制支架沿巷道軸向的位移，以防止面外失穩(wěn)的發(fā)生。

圖2 支架截面圖

表1 11 號礦用工字鋼截面參數(shù)

表2 U29 截面參數(shù)(單位：mm)

根據(jù)現(xiàn)有條件建立有限元模型。U29 模型單元網(wǎng)格數(shù)為68 256，節(jié)點(diǎn)數(shù)為95 583，11 號礦用工字鋼模型單元網(wǎng)格數(shù)為354 235，節(jié)點(diǎn)數(shù)為498 576，進(jìn)行整體模型屈曲分析時在上翼緣表面施加均布荷載。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過有限元計(jì)算可獲得U29 鋼棚支架的整體屈曲荷載，所謂整體屈曲荷載是指結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)時的臨界荷載，而整體屈服荷載則為結(jié)構(gòu)達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的臨界荷載。結(jié)果表明U29 鋼棚和11 號礦用工字鋼整體的一階屈曲形態(tài)往往呈現(xiàn)反對稱屈曲模態(tài)如圖3（a）和圖4（a）所示，而二階屈曲形態(tài)呈對稱模態(tài)如圖3（b）和圖4（b）所示。有限元模擬分析結(jié)果見表3。

表3 有限元模擬分析結(jié)果

圖3 U29 鋼棚屈曲模態(tài)（變形前后）

通過對比可知，U29 鋼棚具有更高的一階屈曲荷載和屈服荷載，分別比11 號礦用工字鋼提高300.2%和56.4%，而兩者的位移則相近。

2.3 軸心受壓穩(wěn)定承載力計(jì)算

選取U29 鋼棚截面進(jìn)行軸心受壓穩(wěn)定承載力的理論計(jì)算，計(jì)算長度取3 m。

（1）U29 穩(wěn)定承載力

lx=3 m

ix=40.67 mm

則λx=lx/ix=73.76

查表可知：軸心受壓構(gòu)件對x軸的截面分類為b類，由插入法求得：

（2）11 號礦用工字鋼穩(wěn)定承載力

lx=3 m

ix=43.4 mm

則λx=lx/ix=69.12

查表可知：軸心受壓構(gòu)件對x軸的截面分類為b類，由插入法求得：

通過計(jì)算結(jié)果可知，U29 的軸心受壓穩(wěn)定承載力比11 號礦用工字鋼提高30.81%，而11 號礦用工字鋼和U29 鋼棚的單位重量分別為25.58 kg/m 和29.05 kg/m。由此可見，在單位重量接近的情況下，U29 鋼棚支架具有更好的軸壓穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

本文通過采用有限元分析和理論計(jì)算分析了山西潞安化工集團(tuán)五陽煤礦南嶺回風(fēng)井82 采區(qū)輔助運(yùn)輸巷某立交段采用U29 支架和11 號礦用工字鋼支架的性能對比。結(jié)果表明，U29 鋼棚支架的屈曲荷載和極限荷載高于11 號礦用工字鋼，同時在兩者單位重量相近的情況下，U29 鋼棚支架具有更高的軸壓穩(wěn)定承載力。因此，現(xiàn)有U29 鋼棚支架是適合五陽煤礦的支護(hù)方案。