极松散煤层巷道U型钢支架的数值模拟与分析

经来旺，姜 清，刘 宁，吴赟杰

(1.安徽理工大学理学院，安徽淮南232001;2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001;3.南京南瑞集团公司，江苏南京210000;4.浙江省建工集团有限责任公司，浙江杭州310012)

具有高阻可缩特性的U型钢壁后充填技术、新型锚注支护技术、补偿结构，以及高强成套锚网支护技术等在煤矿中得到了广泛应用，并取得了显著的技术经济效益［1－2］。本文通过极松散煤层巷道的工程实况，提出极松散煤层巷道中U型钢支架的工作力学模型，借助三维动态有限元分析手段，从一个新的角度更加全面地了解U型钢支架在工作过程中的力学特性，给出具有工程实用意义的计算流程和方法。

1 工程概况及力学模型的建立

1.1 工程概况

淮北某煤矿二采区首个回采准备工作面为8203放顶煤工作面，除正在施工的回风石门外，周边无其他采掘活动。工作面走向长1212m，倾斜长146m。8203工作面主采81和82煤，煤层总厚8.78m，倾角19～31°，平均倾角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。两层煤赋存稳定、结构松散，之间夹矸多为泥岩，性脆，厚为 0.78～5.49m，平均2.30m。由于81和82煤均为粉末、碎块状，强度很低，非常松散，手握即可将其破碎。

本文中所研究的极松散煤层巷道为8203机巷，正是处在上述煤层之中。所以某些硬煤层中所采用的锚网支护不适用于此，从安全稳定的角度考虑，此处最终决定采用金属网架支护体系。

1.2 力学模型

通常情况下，U型钢棚架抵御竖向地压的能力较强，因此，提高承载能力的关键在于抑制柱腿变形。巷道所处煤层极为松散，但并不能有效约束柱腿的内移，因此，棚架犹如一个在腿脚部位被活动铰支座约束的结构，如图1所示［3］。

由于巷道所在煤层为极松散煤层，因此可不考虑该煤层中存在的构造应力，故而整个金属支架可看成一个关于巷道竖向轴对称的结构。根据对称结构的分析方法，只要研究对象的一半即可［4］，如图1所示。

图1 力学简化模型

2 U型钢支架承载机理数值模拟

根据工程实况采用矿用29U型钢支架进行研究。规格、参数根据GB/T 4897－2008标准确定。利用ABAQUS的前处理功能建立图2，图3所示模型。模拟过程中所有材料均按线弹性处理。

图2 无补偿的半个模型

图3 29U截面图

2.1 网格划分

由于U型钢断面较为复杂，无法有效利用ABAQUS中所谓“分割法”进行网格划分，但是可以利用扫掠 (sweep)的划分方法对整体模型进行划分。划分后具有480244个节点，372048个单元。分析采用 linear hexahedral elements of type C3D8R，可保证分析结果的准确性。

2.2 确定分析类型

由于巷道的变形是个缓慢的过程，所以巷道施加在支护上的压力过程是一个缓慢的平衡过程，因此可以视作静态加载过程来进行分析。本例利用ABAQUS/Standard分析模块进行分析，主要考虑了如下几个因素［5－6］:

(1)ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线性问题，包括静力、动力、热和电问题的响应等。

(2)没有稳定时间增量的限制:完成指定分析，一般需要较少的时间增量。

(3)在本例中由于模型规模较小和时间增量的限制，使用显式动力学求解效率很低;如果是平滑的非线性响应，ABAQUS/Standard需要较少次数的迭代即可找到收敛解。

2.3 施加边界条件

2.3.1 位移边界条件

由于U型钢支架是左右对称的，因此可简化成图1所示的力学模型，其中对拱部施加对称约束。A点处水平、竖直方向位移为零且约束转动(模型中忽略扭曲变形)。B点处竖直方向的位移为零。

2.3.2 应力边界条件

方式一 围岩情况较好，围岩具有较好的整体和自承能力。对U型钢支架来说围岩的压力作用在其外边缘上。

方式二 围岩较为松散或支护工作不到位的情况下，围岩进入到U型钢沟槽里面。此时围岩压力作用在U型钢支架的整个外边缘和沟槽内。

方式三 采用U型钢壁后充填，可使支架均匀承载，实现围岩—充填体—支护结构三者共同承载的力学体系，使U型钢和岩体耦合在一起共同承载［7－9］。所以模拟中将围岩作用力加载在除巷道内侧面之外的整个U型钢上面。

2.4 计算结果

2.4.1 Mises计算结果

在3种不同加载方式下 (在一样的围岩压力及不同围岩环境下)，通过ABAQUS/Standard计算输出U型钢支承Mises应力图，如图4所示。

图4 3种不同加载方式下的Mises应力分布

从图4中可以看出:在3种不同加载方式下，U型钢支架产生的应力值大小不同。方式一应力值最小，即在围岩情况较好，围岩整体性较好及自承能力较强时应力最小，这是符合实际情况的。方式三应力值比方式二小，这表明采用U型钢壁后充填时，U型钢与岩体耦合在一起承受的应力值比围岩较为松散或支护工作不到位的情况下U型钢承受的应力值小，这符合工程实际情况。

2.4.2 位移计算结果

取3种加载方式下输出的位移图，见图5。从图中可以看出3种应力加载方式产生的位移分布方式大体是一致的，位移最大值在帮部，这充分说明了U型钢棚架抵御竖向地压的能力较强。在较大侧压作用下棚腿内收，整体受力结构发生变化，承载能力大幅下降直至最终丧失。该例中可以看出提高承载能力的关键在于抑制棚腿变形。

图5 3种不同加载方式下位移变化曲线

3 加入补偿结构的模型分析

3.1 计算模型与采用的计算分析类型

如图6所示，采用的29U补偿结构为矿用29U型钢，其长度为750mm，U型棚架的间距为600mm，托板采用15mm×150mm×150mm的方形钢板，锚索采用的是6.3m长的矿用锚索。所用材料均按照线弹性处理，在锚索材料参数设置时加入温度膨胀系数。

图6 加入29U型钢加锚索补偿的补偿结构模型

本例中补偿结构与U型钢支架存在许多接触，因此分析类型采用面－面接触。由于补偿结构与U型钢支架的几何位移较小，从而使用小滑移公式进行计算。本例中采用的法向接触属性设为硬接触。通过这些设置就能够真实地模拟补偿结构对U型钢支架的作用［5－6］。

3.2 计算结果对比分析

3.2.1 同样载荷的情况下

从图7可以看出加入补偿结构的情况下应力分布形式有一定的变化，整个U型棚支架的应力变化趋势变得平缓，且有很明显地下降。

3.2.2 围岩情况不佳下加入预应力锚索

在井下使用预应力锚索有2种方式，一种是只锚固端部，另一种采用全长锚固。本模拟中所采用的锚固方式为:在围岩体中埋入锚索并用冷缩的方式进行全长锚固。

图7 加入补偿结构前后支架应力值对比

利用ABAQUS中的冷缩法对锚索单元施加预应力。ξ=ΔΤ×α，其中ξ是应变，ΔΤ是温差，α是热膨胀系数。图8即是给出锚索加与不加预应力的Mises应力云图，为了更详细地进行比较，从U型棚支架的外边缘提取数据绘制成曲线图，见图9。

图8 在锚索加入预应力前后支架应力值对比

图9 外边缘应力曲线

从图9中的外边缘应力曲线图中可以看出:加入预应力后U形棚的应力有明显地下降，棚腿和拱顶处应力值下降幅度达到4倍多，而对于腰拱部则作用不是很明显。从位移曲线图10中可以看出:加入预应力后结构抗变形能力有极大地提升，结构的稳定性也得到相应地加强。

图10 位移曲线

4 巷道变形监测

根据矿计划安排，进行卧底改棚修复，卧底段约180m，改棚约40m，共计工程量约220m。均采用3节29U型棚支护，巷道净宽2.8m，净高2.8m;钢筋网全封闭腰帮过顶;钢筋网规格长×宽为800mm×400mm，主筋采用直径10mm，副筋采用直径6mm钢筋焊接。

8203机巷巷道中设置了一段20m长的试验段，试验段采用图7所示的加强支护，修复段只进行普通U型棚支护。通过一段时间对巷道变形的观测，绘制出变形曲线图11，从图11中可以看出试验段的巷道变形明显较小，即在加入补偿结构的情况下该支护方式对巷道变形有明显的抵制作用［10－11］。

图11 实验段与修复段巷道变形对比

5 结论

(1)采用U型钢壁后充填或U型钢壁后注浆后，支架承载能力得到大幅度提高。

(2)根据巷道围岩的变形特点和U型钢棚基本支护的结构稳定性，采用稳结装置对U型钢棚基本支护进行结构补偿，可以大大提高支护结构的整体承载能力。

(3)在支护结构中加预应力锚索会明显抑制支护的结构变形，并提高结构稳定性和承载力。

对煤矿巷道支护中的U型钢支架支护的典型问题进行研究，从而探索了一条研究U型棚支架承载力的思路。但有些地方存在不足，需要改进，如:并未对U型棚支架的稳定性进行分析、并未对U型棚支架在实践过程中存在的蠕变过程进行分析等。

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