地下傾斜巷道U型鋼支架支護(hù)數(shù)值模擬

地下傾斜巷道U型鋼支架支護(hù)數(shù)值模擬

包海玲

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥231603)

摘要:針對(duì)某工程巷道為地下傾斜及有軟巖夾層的特點(diǎn)，用ANSYS有限元軟件建立模型，分析U型鋼支架支護(hù)機(jī)理。

關(guān)鍵詞:U型鋼支架；傾斜巷道；支護(hù)機(jī)理；數(shù)值模擬

收稿日期：2015-03-20；修回日期：2015-03-21

基金項(xiàng)目：企業(yè)委托資助項(xiàng)目(編號(hào)107433184)

作者簡(jiǎn)介：包海玲(1986-)，女，安徽合肥人，教師，從事土木械程專業(yè)教學(xué)與研究。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.002

中圖分類號(hào)：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(guó)內(nèi)外都認(rèn)為，U型可縮性鋼及各種金屬支架是軟巖巷道及受動(dòng)壓影響巷道比較有效的支護(hù)方式。U型鋼支架是一種被動(dòng)支護(hù)，力學(xué)性能良好，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度較大，具有有良好的韌性性能、承載力大，初撐強(qiáng)度較高，增阻速度快，可多次使用，因而廣泛的應(yīng)用在礦山巷道。在煤礦巷道特別是深部環(huán)境復(fù)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(dòng)。目前我國(guó)所采用的巷道U型鋼支架的支護(hù)技術(shù)，支架與圍巖之間都存在一定空間，若該空間得不到及時(shí)有效的填充支護(hù)，支架會(huì)失穩(wěn)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(jìn)行有效的填充，柔性填充層與支架于一體的耦合支護(hù)方式，是加固圍巖技術(shù)、釋能技術(shù)和高阻力支護(hù)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，改善支護(hù)的不穩(wěn)定性，圍巖本身的承載力和穩(wěn)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(hù)的一種有效措施。

1　U型鋼支架性能數(shù)值模擬

1.1工程背景

淮北臨渙煤礦巷道采區(qū)名稱為Ⅱ3采區(qū)，巷道名稱為Ⅱ3主斜井，地面標(biāo)高為+25.3～+27.9，工作面標(biāo)高為-436.7～-660。Ⅱ3 采區(qū)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(biāo)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(shè)計(jì)施工范圍內(nèi)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(dá)23°。Ⅱ3主斜井采用“錨網(wǎng)索注”聯(lián)合支護(hù)，過(guò)構(gòu)造及穿煤層時(shí)均采用“全封閉U型棚+注漿+噴漿” 聯(lián)合支護(hù)。

1.2建立數(shù)值模擬模型

在對(duì)淮北臨渙煤礦巷道模擬支護(hù)有限元分析時(shí)，由于U型鋼支架的特殊性質(zhì)，不僅要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算，還要進(jìn)行穩(wěn)定性的分析。計(jì)算采用如下假定：①服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，模擬材料為線彈性本構(gòu)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(yīng)力場(chǎng)；③模擬時(shí)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(jié)點(diǎn)的耦合方式；④為了簡(jiǎn)化分析計(jì)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(yīng)力情況，再利用單元“生、死”模擬巷道的開(kāi)挖與支護(hù)。⑥3種工況的模擬分析，巷道無(wú)任何支護(hù)情況(工況1)；僅用混凝土噴射支護(hù)(工況2)；混凝土與U型鋼支架兩種材料的聯(lián)合支護(hù)(工況3)。

1.3軟弱巖層處的支護(hù)方案

本工程夾有軟弱巖層，開(kāi)挖過(guò)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(hù)(工況2)肯定無(wú)法滿足本工程巷道的穩(wěn)定和安全，考慮在巷道與軟弱巖層交匯界面處，增設(shè)另一種支護(hù)材料，即U型鋼支架，用鋼支架分擔(dān)圍巖上更多的應(yīng)力，確保施工過(guò)程安全，即軟巖交匯處采用混凝土與U型鋼支架聯(lián)合支護(hù)(工況3)。驗(yàn)證增設(shè)鋼支架在此巷道該處的支護(hù)效果，模擬巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1　圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2　分析軟巖處U型鋼支架支護(hù)性能

計(jì)算結(jié)束后，在圍巖模型坐標(biāo)為(18，0)處，沿Y軸方向縱向切開(kāi)，觀察分析切分面的數(shù)值模擬結(jié)果，比較切分面上巷道開(kāi)挖后不支護(hù)(工況1)、巷道在軟巖夾層處有混凝土和鋼支架聯(lián)合支護(hù)時(shí)(工況3)的應(yīng)力變化情況，由圖1中可明顯看出在軟巖夾層處有應(yīng)力突變，對(duì)比工況1、3的應(yīng)力狀態(tài)，工況3的最大、最小主應(yīng)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(wěn)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(lái)的3倍。兩種材料相互約束，聯(lián)合支護(hù)充分發(fā)揮了各自特點(diǎn)，混凝土制約了鋼支架的過(guò)早失穩(wěn)，鋼支架承擔(dān)了更多的應(yīng)力，為巷道掘進(jìn)施工過(guò)程提供了更安全、更可靠的技術(shù)保證。

對(duì)比分析軟巖夾層處僅噴射混凝土的支護(hù)情況(工況2)與采用混凝土與U型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)(工況2)，分析結(jié)果如圖2所示。從工況2支護(hù)應(yīng)力云圖可見(jiàn)，應(yīng)力集中容易產(chǎn)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(hù)，工況3支護(hù)應(yīng)力云圖中，增設(shè)的鋼支架明顯改善了之前應(yīng)力集中的不利影響，應(yīng)力分布范圍明顯擴(kuò)大，應(yīng)力減小。進(jìn)一步提高了圍巖以及支護(hù)的穩(wěn)定性，支護(hù)效果提高5～10倍以上，進(jìn)一步確保了施工的安全性。

圖1　工況1、3對(duì)比分析圖 圖2 工況2、3對(duì)比分析圖

3　結(jié)　　論

在圍巖性質(zhì)改變即支護(hù)薄弱處，在普通支護(hù)的基礎(chǔ)上，考慮增加U型鋼支架進(jìn)一步支護(hù)，形成與混凝土聯(lián)合支護(hù)的形式，軟巖夾層處的應(yīng)力集中問(wèn)題得到好轉(zhuǎn)，增設(shè)的U型鋼支架支護(hù)方式使圍巖的穩(wěn)定性顯著提高，特別在薄弱環(huán)節(jié)處?kù)柟塘酥ёo(hù)體系，使巷道掘進(jìn)在如此特殊復(fù)雜環(huán)境下也能可靠進(jìn)行。而在煤礦巷道中采用U型鋼支架的支護(hù)時(shí)，計(jì)算U型鋼支架的極限承載力，鋼支架必須滿足強(qiáng)度要求，必須在計(jì)算出的安全系數(shù)以內(nèi)。

在本模型計(jì)算時(shí)，由于模型自身網(wǎng)格劃分的復(fù)雜性以及非線性問(wèn)題分析，計(jì)算時(shí)出現(xiàn)不收斂的錯(cuò)誤提示，經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬計(jì)算后，將收斂準(zhǔn)則進(jìn)行調(diào)整，以位移控制時(shí)調(diào)整到0.05(cnvtol,u,0.05,,,)，求解得以繼續(xù)進(jìn)行。

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(責(zé)任編輯陳化鋼)