地下倾斜巷道U型钢支架支护数值模拟

包海玲

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥231603)

摘要:针对某工程巷道为地下倾斜及有软岩夹层的特点，用ANSYS有限元软件建立模型，分析U型钢支架支护机理。

关键词:U型钢支架；倾斜巷道；支护机理；数值模拟

收稿日期：2015-03-20；修回日期：2015-03-21

基金项目：企业委托资助项目(编号107433184)

作者简介：包海玲(1986-)，女，安徽合肥人，教师，从事土木械程专业教学与研究。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.002

中图分类号：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

国内外都认为，U型可缩性钢及各种金属支架是软岩巷道及受动压影响巷道比较有效的支护方式。U型钢支架是一种被动支护，力学性能良好，抗拉强度、抗压强度较大，具有有良好的韧性性能、承载力大，初撑强度较高，增阻速度快，可多次使用，因而广泛的应用在矿山巷道。在煤矿巷道特别是深部环境复杂巷道以及有软岩夹层的巷道中，U型钢支架可以有效的控制巷道围岩的变形和移动。目前我国所采用的巷道U型钢支架的支护技术，支架与围岩之间都存在一定空间，若该空间得不到及时有效的填充支护，支架会失稳并提前丧失承载力，退出工作。此外，该空间的存在可能使围岩的位移量增大，支架可能被压缩，支架变形破坏的主要形式是“屈曲破坏”。在此制约下，考虑U型钢支架壁后进行有效的填充，柔性填充层与支架于一体的耦合支护方式，是加固围岩技术、释能技术和高阻力支护技术的有机结合，改善支护的不稳定性，围岩本身的承载力和稳定性有所提高，从施工成本和工作效果等多方面，成为解决深部软岩巷道支护的一种有效措施。

1　U型钢支架性能数值模拟

1.1工程背景

淮北临涣煤矿巷道采区名称为Ⅱ3采区，巷道名称为Ⅱ3主斜井，地面标高为+25.3～+27.9，工作面标高为-436.7～-660。Ⅱ3 采区主斜井从外向里施工中，自上而下将分别揭露51煤、52煤、K3砂岩、7煤、8煤、9煤、9下煤、铝土层等标志地层，揭露地层总厚度约307.7m，主要为煤层、泥岩、粉砂岩、砂岩、砂泥互层。设计施工范围内31、32、51、52、8、9下煤层为不可采煤层，其中51、8、9下煤层大面积沉缺，地层倾角为12～23°，平均15°，其外段地层宽缓，倾角较小，里段受褶曲影响，地层变陡，倾角较大，最大达23°。Ⅱ3主斜井采用“锚网索注”联合支护，过构造及穿煤层时均采用“全封闭U型棚+注浆+喷浆” 联合支护。

1.2建立数值模拟模型

在对淮北临涣煤矿巷道模拟支护有限元分析时，由于U型钢支架的特殊性质，不仅要对支护结构进行强度和刚度验算，还要进行稳定性的分析。计算采用如下假定：①服从Mohr-Coulomb 屈服准则，模拟材料为线弹性本构模型，用单元Beam188分析模拟U型钢支架，用PLANE42模拟围岩；②仅考虑围岩自重应力场；③模拟时不考虑U型钢支架和围岩间的相互滑移，2种材料采用共用节点的耦合方式；④为了简化分析计算， U型钢支架的可缩性不作考虑；⑤采用阶段分析方法，先模拟自重应力情况，再利用单元“生、死”模拟巷道的开挖与支护。⑥3种工况的模拟分析，巷道无任何支护情况(工况1)；仅用混凝土喷射支护(工况2)；混凝土与U型钢支架两种材料的联合支护(工况3)。

1.3软弱岩层处的支护方案

本工程夹有软弱岩层，开挖过程中，巷道在有软弱岩层处有明显的塑性破坏征兆，仅用混凝土一种材料支护(工况2)肯定无法满足本工程巷道的稳定和安全，考虑在巷道与软弱岩层交汇界面处，增设另一种支护材料，即U型钢支架，用钢支架分担围岩上更多的应力，确保施工过程安全，即软岩交汇处采用混凝土与U型钢支架联合支护(工况3)。验证增设钢支架在此巷道该处的支护效果，模拟巷道围岩物理力学参数如表1所列。

表1　围岩物理力学参数

2　分析软岩处U型钢支架支护性能

计算结束后，在围岩模型坐标为(18，0)处，沿Y轴方向纵向切开，观察分析切分面的数值模拟结果，比较切分面上巷道开挖后不支护(工况1)、巷道在软岩夹层处有混凝土和钢支架联合支护时(工况3)的应力变化情况，由图1中可明显看出在软岩夹层处有应力突变，对比工况1、3的应力状态，工况3的最大、最小主应力分布范围明显减少，改善工况1的明显集中，有效地保证了巷道的稳定性。在围岩自重均布荷载下，有混凝土约束的U型支架(工况3)的承载力得到了大幅度的提高，约为原来的3倍。两种材料相互约束，联合支护充分发挥了各自特点，混凝土制约了钢支架的过早失稳，钢支架承担了更多的应力，为巷道掘进施工过程提供了更安全、更可靠的技术保证。

对比分析软岩夹层处仅喷射混凝土的支护情况(工况2)与采用混凝土与U型钢支架的联合支护(工况2)，分析结果如图2所示。从工况2支护应力云图可见，应力集中容易产生在软岩夹层处，围岩不安全，这符合我们的理论研究。在巷道软硬岩界面处增加U型钢支架支护，工况3支护应力云图中，增设的钢支架明显改善了之前应力集中的不利影响，应力分布范围明显扩大，应力减小。进一步提高了围岩以及支护的稳定性，支护效果提高5～10倍以上，进一步确保了施工的安全性。

图1　工况1、3对比分析图 图2 工况2、3对比分析图

3　结　　论

在围岩性质改变即支护薄弱处，在普通支护的基础上，考虑增加U型钢支架进一步支护，形成与混凝土联合支护的形式，软岩夹层处的应力集中问题得到好转，增设的U型钢支架支护方式使围岩的稳定性显著提高，特别在薄弱环节处巩固了支护体系，使巷道掘进在如此特殊复杂环境下也能可靠进行。而在煤矿巷道中采用U型钢支架的支护时，计算U型钢支架的极限承载力，钢支架必须满足强度要求，必须在计算出的安全系数以内。

在本模型计算时，由于模型自身网格划分的复杂性以及非线性问题分析，计算时出现不收敛的错误提示，经过反复模拟计算后，将收敛准则进行调整，以位移控制时调整到0.05(cnvtol,u,0.05,,,)，求解得以继续进行。

[参考文献]

[1]包海玲，地下倾斜巷道变形场数值分析及支护优化[D].合肥工业大学，2012.

[2]包海玲，孟益平，巫绪涛.深部倾斜巷道变形机理的数值模拟[J].合肥工业大学学报.2012,(5)：673-677.

[3]包海玲.地下倾斜巷道锚杆支护技术研究[J].廊坊师范学院学报.2014,(3)：76-79.

[4]孙晓明，何满潮．深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究[J]．中国矿业大学学报，2005，(2):166-169.

[5]庞建勇，郭兰波.高应力巷道局部弱支护机理分析[J]．岩石力学与工程学报，2004,(12)：2201-2204.

[6]李围，ANSYS土木工程实用实例[M]．北京：中国水利水电出版社，2007.

[7]龙刚，常红伟．U型钢支架在深部复杂巷道中的应用[J]．河北煤炭，2010, (4)：33-36.

[8]靖洪文，李元海．软岩工程支护理论与技术[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2008．

(责任编辑陈化钢)