極松散煤層巷道U型鋼支架的數(shù)值模擬與分析

經(jīng)來旺，姜 清，劉 寧，吳赟杰

(1.安徽理工大學(xué)理學(xué)院，安徽淮南232001;2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001;3.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京210000;4.浙江省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江杭州310012)

具有高阻可縮特性的U型鋼壁后充填技術(shù)、新型錨注支護(hù)技術(shù)、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，以及高強(qiáng)成套錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)等在煤礦中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益［1－2］。本文通過極松散煤層巷道的工程實(shí)況，提出極松散煤層巷道中U型鋼支架的工作力學(xué)模型，借助三維動(dòng)態(tài)有限元分析手段，從一個(gè)新的角度更加全面地了解U型鋼支架在工作過程中的力學(xué)特性，給出具有工程實(shí)用意義的計(jì)算流程和方法。

1 工程概況及力學(xué)模型的建立

1.1 工程概況

淮北某煤礦二采區(qū)首個(gè)回采準(zhǔn)備工作面為8203放頂煤工作面，除正在施工的回風(fēng)石門外，周邊無其他采掘活動(dòng)。工作面走向長1212m，傾斜長146m。8203工作面主采81和82煤，煤層總厚8.78m，傾角19～31°，平均傾角26°。其中81煤厚4.28～6.84m，平均厚度5.55m，82煤厚2.46～3.84m，平均厚3.23m。兩層煤賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)松散，之間夾矸多為泥巖，性脆，厚為 0.78～5.49m，平均2.30m。由于81和82煤均為粉末、碎塊狀，強(qiáng)度很低，非常松散，手握即可將其破碎。

本文中所研究的極松散煤層巷道為8203機(jī)巷，正是處在上述煤層之中。所以某些硬煤層中所采用的錨網(wǎng)支護(hù)不適用于此，從安全穩(wěn)定的角度考慮，此處最終決定采用金屬網(wǎng)架支護(hù)體系。

1.2 力學(xué)模型

通常情況下，U型鋼棚架抵御豎向地壓的能力較強(qiáng)，因此，提高承載能力的關(guān)鍵在于抑制柱腿變形。巷道所處煤層極為松散，但并不能有效約束柱腿的內(nèi)移，因此，棚架猶如一個(gè)在腿腳部位被活動(dòng)鉸支座約束的結(jié)構(gòu)，如圖1所示［3］。

由于巷道所在煤層為極松散煤層，因此可不考慮該煤層中存在的構(gòu)造應(yīng)力，故而整個(gè)金屬支架可看成一個(gè)關(guān)于巷道豎向軸對稱的結(jié)構(gòu)。根據(jù)對稱結(jié)構(gòu)的分析方法，只要研究對象的一半即可［4］，如圖1所示。

圖1 力學(xué)簡化模型

2 U型鋼支架承載機(jī)理數(shù)值模擬

根據(jù)工程實(shí)況采用礦用29U型鋼支架進(jìn)行研究。規(guī)格、參數(shù)根據(jù)GB/T 4897－2008標(biāo)準(zhǔn)確定。利用ABAQUS的前處理功能建立圖2，圖3所示模型。模擬過程中所有材料均按線彈性處理。

圖2 無補(bǔ)償?shù)陌雮€(gè)模型

圖3 29U截面圖

2.1 網(wǎng)格劃分

由于U型鋼斷面較為復(fù)雜，無法有效利用ABAQUS中所謂“分割法”進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但是可以利用掃掠 (sweep)的劃分方法對整體模型進(jìn)行劃分。劃分后具有480244個(gè)節(jié)點(diǎn)，372048個(gè)單元。分析采用 linear hexahedral elements of type C3D8R，可保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 確定分析類型

由于巷道的變形是個(gè)緩慢的過程，所以巷道施加在支護(hù)上的壓力過程是一個(gè)緩慢的平衡過程，因此可以視作靜態(tài)加載過程來進(jìn)行分析。本例利用ABAQUS/Standard分析模塊進(jìn)行分析，主要考慮了如下幾個(gè)因素［5－6］:

(1)ABAQUS/Standard是一個(gè)通用分析模塊，它能夠求解領(lǐng)域廣泛的線性和非線性問題，包括靜力、動(dòng)力、熱和電問題的響應(yīng)等。

(2)沒有穩(wěn)定時(shí)間增量的限制:完成指定分析，一般需要較少的時(shí)間增量。

(3)在本例中由于模型規(guī)模較小和時(shí)間增量的限制，使用顯式動(dòng)力學(xué)求解效率很低;如果是平滑的非線性響應(yīng)，ABAQUS/Standard需要較少次數(shù)的迭代即可找到收斂解。

2.3 施加邊界條件

2.3.1 位移邊界條件

由于U型鋼支架是左右對稱的，因此可簡化成圖1所示的力學(xué)模型，其中對拱部施加對稱約束。A點(diǎn)處水平、豎直方向位移為零且約束轉(zhuǎn)動(dòng)(模型中忽略扭曲變形)。B點(diǎn)處豎直方向的位移為零。

2.3.2 應(yīng)力邊界條件

方式一 圍巖情況較好，圍巖具有較好的整體和自承能力。對U型鋼支架來說圍巖的壓力作用在其外邊緣上。

方式二 圍巖較為松散或支護(hù)工作不到位的情況下，圍巖進(jìn)入到U型鋼溝槽里面。此時(shí)圍巖壓力作用在U型鋼支架的整個(gè)外邊緣和溝槽內(nèi)。

方式三 采用U型鋼壁后充填，可使支架均勻承載，實(shí)現(xiàn)圍巖—充填體—支護(hù)結(jié)構(gòu)三者共同承載的力學(xué)體系，使U型鋼和巖體耦合在一起共同承載［7－9］。所以模擬中將圍巖作用力加載在除巷道內(nèi)側(cè)面之外的整個(gè)U型鋼上面。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 Mises計(jì)算結(jié)果

在3種不同加載方式下 (在一樣的圍巖壓力及不同圍巖環(huán)境下)，通過ABAQUS/Standard計(jì)算輸出U型鋼支承Mises應(yīng)力圖，如圖4所示。

圖4 3種不同加載方式下的Mises應(yīng)力分布

從圖4中可以看出:在3種不同加載方式下，U型鋼支架產(chǎn)生的應(yīng)力值大小不同。方式一應(yīng)力值最小，即在圍巖情況較好，圍巖整體性較好及自承能力較強(qiáng)時(shí)應(yīng)力最小，這是符合實(shí)際情況的。方式三應(yīng)力值比方式二小，這表明采用U型鋼壁后充填時(shí)，U型鋼與巖體耦合在一起承受的應(yīng)力值比圍巖較為松散或支護(hù)工作不到位的情況下U型鋼承受的應(yīng)力值小，這符合工程實(shí)際情況。

2.4.2 位移計(jì)算結(jié)果

取3種加載方式下輸出的位移圖，見圖5。從圖中可以看出3種應(yīng)力加載方式產(chǎn)生的位移分布方式大體是一致的，位移最大值在幫部，這充分說明了U型鋼棚架抵御豎向地壓的能力較強(qiáng)。在較大側(cè)壓作用下棚腿內(nèi)收，整體受力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，承載能力大幅下降直至最終喪失。該例中可以看出提高承載能力的關(guān)鍵在于抑制棚腿變形。

圖5 3種不同加載方式下位移變化曲線

3 加入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的模型分析

3.1 計(jì)算模型與采用的計(jì)算分析類型

如圖6所示，采用的29U補(bǔ)償結(jié)構(gòu)為礦用29U型鋼，其長度為750mm，U型棚架的間距為600mm，托板采用15mm×150mm×150mm的方形鋼板，錨索采用的是6.3m長的礦用錨索。所用材料均按照線彈性處理，在錨索材料參數(shù)設(shè)置時(shí)加入溫度膨脹系數(shù)。

圖6 加入29U型鋼加錨索補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償結(jié)構(gòu)模型

本例中補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與U型鋼支架存在許多接觸，因此分析類型采用面－面接觸。由于補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與U型鋼支架的幾何位移較小，從而使用小滑移公式進(jìn)行計(jì)算。本例中采用的法向接觸屬性設(shè)為硬接觸。通過這些設(shè)置就能夠真實(shí)地模擬補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對U型鋼支架的作用［5－6］。

3.2 計(jì)算結(jié)果對比分析

3.2.1 同樣載荷的情況下

從圖7可以看出加入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的情況下應(yīng)力分布形式有一定的變化，整個(gè)U型棚支架的應(yīng)力變化趨勢變得平緩，且有很明顯地下降。

3.2.2 圍巖情況不佳下加入預(yù)應(yīng)力錨索

在井下使用預(yù)應(yīng)力錨索有2種方式，一種是只錨固端部，另一種采用全長錨固。本模擬中所采用的錨固方式為:在圍巖體中埋入錨索并用冷縮的方式進(jìn)行全長錨固。

圖7 加入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)前后支架應(yīng)力值對比

利用ABAQUS中的冷縮法對錨索單元施加預(yù)應(yīng)力。ξ=ΔΤ×α，其中ξ是應(yīng)變，ΔΤ是溫差，α是熱膨脹系數(shù)。圖8即是給出錨索加與不加預(yù)應(yīng)力的Mises應(yīng)力云圖，為了更詳細(xì)地進(jìn)行比較，從U型棚支架的外邊緣提取數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，見圖9。

圖8 在錨索加入預(yù)應(yīng)力前后支架應(yīng)力值對比

圖9 外邊緣應(yīng)力曲線

從圖9中的外邊緣應(yīng)力曲線圖中可以看出:加入預(yù)應(yīng)力后U形棚的應(yīng)力有明顯地下降，棚腿和拱頂處應(yīng)力值下降幅度達(dá)到4倍多，而對于腰拱部則作用不是很明顯。從位移曲線圖10中可以看出:加入預(yù)應(yīng)力后結(jié)構(gòu)抗變形能力有極大地提升，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也得到相應(yīng)地加強(qiáng)。

圖10 位移曲線

4 巷道變形監(jiān)測

根據(jù)礦計(jì)劃安排，進(jìn)行臥底改棚修復(fù)，臥底段約180m，改棚約40m，共計(jì)工程量約220m。均采用3節(jié)29U型棚支護(hù)，巷道凈寬2.8m，凈高2.8m;鋼筋網(wǎng)全封閉腰幫過頂;鋼筋網(wǎng)規(guī)格長×寬為800mm×400mm，主筋采用直徑10mm，副筋采用直徑6mm鋼筋焊接。

8203機(jī)巷巷道中設(shè)置了一段20m長的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段采用圖7所示的加強(qiáng)支護(hù)，修復(fù)段只進(jìn)行普通U型棚支護(hù)。通過一段時(shí)間對巷道變形的觀測，繪制出變形曲線圖11，從圖11中可以看出試驗(yàn)段的巷道變形明顯較小，即在加入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的情況下該支護(hù)方式對巷道變形有明顯的抵制作用［10－11］。

圖11 實(shí)驗(yàn)段與修復(fù)段巷道變形對比

5 結(jié)論

(1)采用U型鋼壁后充填或U型鋼壁后注漿后，支架承載能力得到大幅度提高。

(2)根據(jù)巷道圍巖的變形特點(diǎn)和U型鋼棚基本支護(hù)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用穩(wěn)結(jié)裝置對U型鋼棚基本支護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，可以大大提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

(3)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中加預(yù)應(yīng)力錨索會明顯抑制支護(hù)的結(jié)構(gòu)變形，并提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力。

對煤礦巷道支護(hù)中的U型鋼支架支護(hù)的典型問題進(jìn)行研究，從而探索了一條研究U型棚支架承載力的思路。但有些地方存在不足，需要改進(jìn)，如:并未對U型棚支架的穩(wěn)定性進(jìn)行分析、并未對U型棚支架在實(shí)踐過程中存在的蠕變過程進(jìn)行分析等。

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