软岩巷道支护常见支架结构稳定性研究

魏海波

（潞安化工集团有限公司五阳煤矿，山西 长治 046299）

软岩是一种特定环境下具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，一般来说抗压强度低，来压快，变形量大，具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性和易扰动性等5 个力学属性[1]。多年来，随着开采深度和规模的不断增加，我国软岩矿井数量不断增加[2]，伴随而来的软岩支护问题愈发严重，而巷道支护质量直接决定了工作面的生产效率和安全性[3]。金属支护结构因其承载力较高，施工简便，支护成本相对较低，近年来被普遍应用且发展迅速[4]。其中U 型钢拱形支架和11 号矿用工字钢支架结构较简单，承载能力较大，可缩性能较好，因而都是现阶段广泛使用的金属支架。为了保障煤矿的高效、安全生产，减少支护成本投入，本文以五阳煤矿南岭回风井82 采区辅助运输巷某立交段为工程背景，针对现有的U 型钢棚支护和常用的11 号矿用工字钢支护，通过有限元弹性屈曲分析和理论分析等讨论了两种支架的结构稳定性，证明了现有U29 支护方案的优势和可行性。

1 工程背景

山西潞安化工集团五阳煤矿南岭回风井82 采区巷道埋深740～810 m 不等，3 号煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩或细粒砂岩，局部为炭质泥岩。直接顶板为泥岩或砂质泥岩，厚度为0.20 m，局部为炭质泥岩，厚度为0.40～7.75 m，平均厚度为2.56 m；老顶为细粒砂岩和粉砂岩；底板为普通底板。综合分析中央2#回风大巷及井底车场测点，最大主应力22.65 MPa。目前82 采区上山巷道布置方向为北偏西20°左右。

进风巷（北段）过扩区中央胶带大巷加强支护段采用“锚网索喷+U29 型钢棚”进行支护（如图1）。巷道呈直墙半圆拱形，掘宽6.1 m，掘高4.95 m（拱高3.05 m，直墙高1.9 m），掘进断面26.2 m2；净宽5.5 m，净高4.55 m（拱高2.75 m，直墙净高1.8 m），净断面21.78 m2。锚杆间排距800 mm×800 mm，每排19 根；锚索间排距1600 mm×800 mm。

图1 加强支护示意图（mm）

2 支架稳定性数值模拟分析

2.1 模型建立

针对现有的设计方案，根据11 号矿用工字钢截面参数（如图2a 和表1）和U29 截面参数（如图2b 和表2），通过运用有限元分析软件（ABAQUS）建立11 号矿用工字钢支架和U29 钢棚支架的1:1 足尺模型。支架断面形状为直墙半圆拱形，棚腿高度1800 mm，净宽5500 mm。由于本文只讨论支架的结构稳定性，因此在有限元模型中暂不添加锚杆、锚网索和背板。为方便建立U29 截面，模型采用Solid 实体单元，该单元有4个节点，每个节点有6 个自由度，包括3 个平动自由度和3 个转动自由度。钢材材料属性均采用Q355 钢，假设钢材为线弹性，其弹性模量和泊松比取值为：ES=206 GPa，泊松比为0.3。两边棚腿底部的边界条件为固结，和巷道中的实际情况保持一致。此外，本文主要研究整体屈曲性能，整体失稳的模式主要包括平面内失稳和平面外失稳。平面内失稳是指支架结构在其平面内发生弯曲屈曲。平面外失稳是指支架结构沿着隧道（巷道）的轴向发生弯扭屈曲，这种变形与支架本身的强度关系不大，可以通过拉杆加强支架与支架之间的联系来避免平面外的失稳。因此，模型中沿着U29 和11 号矿用工字钢翼缘添加了面外的约束，限制支架沿巷道轴向的位移，以防止面外失稳的发生。

图2 支架截面图

表1 11 号矿用工字钢截面参数

表2 U29 截面参数(单位：mm)

根据现有条件建立有限元模型。U29 模型单元网格数为68 256，节点数为95 583，11 号矿用工字钢模型单元网格数为354 235，节点数为498 576，进行整体模型屈曲分析时在上翼缘表面施加均布荷载。

2.2 数值模拟结果分析

通过有限元计算可获得U29 钢棚支架的整体屈曲荷载，所谓整体屈曲荷载是指结构发生整体失稳时的临界荷载，而整体屈服荷载则为结构达到材料屈服强度的临界荷载。结果表明U29 钢棚和11 号矿用工字钢整体的一阶屈曲形态往往呈现反对称屈曲模态如图3（a）和图4（a）所示，而二阶屈曲形态呈对称模态如图3（b）和图4（b）所示。有限元模拟分析结果见表3。

表3 有限元模拟分析结果

图3 U29 钢棚屈曲模态（变形前后）

通过对比可知，U29 钢棚具有更高的一阶屈曲荷载和屈服荷载，分别比11 号矿用工字钢提高300.2%和56.4%，而两者的位移则相近。

2.3 轴心受压稳定承载力计算

选取U29 钢棚截面进行轴心受压稳定承载力的理论计算，计算长度取3 m。

（1）U29 稳定承载力

lx=3 m

ix=40.67 mm

则λx=lx/ix=73.76

查表可知：轴心受压构件对x轴的截面分类为b类，由插入法求得：

（2）11 号矿用工字钢稳定承载力

lx=3 m

ix=43.4 mm

则λx=lx/ix=69.12

查表可知：轴心受压构件对x轴的截面分类为b类，由插入法求得：

通过计算结果可知，U29 的轴心受压稳定承载力比11 号矿用工字钢提高30.81%，而11 号矿用工字钢和U29 钢棚的单位重量分别为25.58 kg/m 和29.05 kg/m。由此可见，在单位重量接近的情况下，U29 钢棚支架具有更好的轴压稳定性能。

3 结论

本文通过采用有限元分析和理论计算分析了山西潞安化工集团五阳煤矿南岭回风井82 采区辅助运输巷某立交段采用U29 支架和11 号矿用工字钢支架的性能对比。结果表明，U29 钢棚支架的屈曲荷载和极限荷载高于11 号矿用工字钢，同时在两者单位重量相近的情况下，U29 钢棚支架具有更高的轴压稳定承载力。因此，现有U29 钢棚支架是适合五阳煤矿的支护方案。