魏海波

（潞安化工集團有限公司五陽煤礦，山西 長治 046299）

軟巖是一種特定環(huán)境下具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，一般來說抗壓強度低，來壓快，變形量大，具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性和易擾動性等5 個力學(xué)屬性[1]。多年來，隨著開采深度和規(guī)模的不斷增加，我國軟巖礦井?dāng)?shù)量不斷增加[2]，伴隨而來的軟巖支護問題愈發(fā)嚴重，而巷道支護質(zhì)量直接決定了工作面的生產(chǎn)效率和安全性[3]。金屬支護結(jié)構(gòu)因其承載力較高，施工簡便，支護成本相對較低，近年來被普遍應(yīng)用且發(fā)展迅速[4]。其中U 型鋼拱形支架和11 號礦用工字鋼支架結(jié)構(gòu)較簡單，承載能力較大，可縮性能較好，因而都是現(xiàn)階段廣泛使用的金屬支架。為了保障煤礦的高效、安全生產(chǎn)，減少支護成本投入，本文以五陽煤礦南嶺回風(fēng)井82 采區(qū)輔助運輸巷某立交段為工程背景，針對現(xiàn)有的U 型鋼棚支護和常用的11 號礦用工字鋼支護，通過有限元彈性屈曲分析和理論分析等討論了兩種支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，證明了現(xiàn)有U29 支護方案的優(yōu)勢和可行性。

1 工程背景

山西潞安化工集團五陽煤礦南嶺回風(fēng)井82 采區(qū)巷道埋深740～810 m 不等，3 號煤層頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或細粒砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖。直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度為0.20 m，局部為炭質(zhì)泥巖，厚度為0.40～7.75 m，平均厚度為2.56 m；老頂為細粒砂巖和粉砂巖；底板為普通底板。綜合分析中央2#回風(fēng)大巷及井底車場測點，最大主應(yīng)力22.65 MPa。目前82 采區(qū)上山巷道布置方向為北偏西20°左右。

進風(fēng)巷（北段）過擴區(qū)中央膠帶大巷加強支護段采用“錨網(wǎng)索噴+U29 型鋼棚”進行支護（如圖1）。巷道呈直墻半圓拱形，掘?qū)?.1 m，掘高4.95 m（拱高3.05 m，直墻高1.9 m），掘進斷面26.2 m2；凈寬5.5 m，凈高4.55 m（拱高2.75 m，直墻凈高1.8 m），凈斷面21.78 m2。錨桿間排距800 mm×800 mm，每排19 根；錨索間排距1600 mm×800 mm。

圖1 加強支護示意圖（mm）

2 支架穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

針對現(xiàn)有的設(shè)計方案，根據(jù)11 號礦用工字鋼截面參數(shù)（如圖2a 和表1）和U29 截面參數(shù)（如圖2b 和表2），通過運用有限元分析軟件（ABAQUS）建立11 號礦用工字鋼支架和U29 鋼棚支架的1:1 足尺模型。支架斷面形狀為直墻半圓拱形，棚腿高度1800 mm，凈寬5500 mm。由于本文只討論支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此在有限元模型中暫不添加錨桿、錨網(wǎng)索和背板。為方便建立U29 截面，模型采用Solid 實體單元，該單元有4個節(jié)點，每個節(jié)點有6 個自由度，包括3 個平動自由度和3 個轉(zhuǎn)動自由度。鋼材材料屬性均采用Q355 鋼，假設(shè)鋼材為線彈性，其彈性模量和泊松比取值為：ES=206 GPa，泊松比為0.3。兩邊棚腿底部的邊界條件為固結(jié)，和巷道中的實際情況保持一致。此外，本文主要研究整體屈曲性能，整體失穩(wěn)的模式主要包括平面內(nèi)失穩(wěn)和平面外失穩(wěn)。平面內(nèi)失穩(wěn)是指支架結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)發(fā)生彎曲屈曲。平面外失穩(wěn)是指支架結(jié)構(gòu)沿著隧道（巷道）的軸向發(fā)生彎扭屈曲，這種變形與支架本身的強度關(guān)系不大，可以通過拉桿加強支架與支架之間的聯(lián)系來避免平面外的失穩(wěn)。因此，模型中沿著U29 和11 號礦用工字鋼翼緣添加了面外的約束，限制支架沿巷道軸向的位移，以防止面外失穩(wěn)的發(fā)生。

圖2 支架截面圖

表1 11 號礦用工字鋼截面參數(shù)

表2 U29 截面參數(shù)(單位：mm)

根據(jù)現(xiàn)有條件建立有限元模型。U29 模型單元網(wǎng)格數(shù)為68 256，節(jié)點數(shù)為95 583，11 號礦用工字鋼模型單元網(wǎng)格數(shù)為354 235，節(jié)點數(shù)為498 576，進行整體模型屈曲分析時在上翼緣表面施加均布荷載。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過有限元計算可獲得U29 鋼棚支架的整體屈曲荷載，所謂整體屈曲荷載是指結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)時的臨界荷載，而整體屈服荷載則為結(jié)構(gòu)達到材料屈服強度的臨界荷載。結(jié)果表明U29 鋼棚和11 號礦用工字鋼整體的一階屈曲形態(tài)往往呈現(xiàn)反對稱屈曲模態(tài)如圖3（a）和圖4（a）所示，而二階屈曲形態(tài)呈對稱模態(tài)如圖3（b）和圖4（b）所示。有限元模擬分析結(jié)果見表3。

表3 有限元模擬分析結(jié)果

圖3 U29 鋼棚屈曲模態(tài)（變形前后）

通過對比可知，U29 鋼棚具有更高的一階屈曲荷載和屈服荷載，分別比11 號礦用工字鋼提高300.2%和56.4%，而兩者的位移則相近。

2.3 軸心受壓穩(wěn)定承載力計算

選取U29 鋼棚截面進行軸心受壓穩(wěn)定承載力的理論計算，計算長度取3 m。

（1）U29 穩(wěn)定承載力

lx=3 m

ix=40.67 mm

則λx=lx/ix=73.76

查表可知：軸心受壓構(gòu)件對x軸的截面分類為b類，由插入法求得：

（2）11 號礦用工字鋼穩(wěn)定承載力

lx=3 m

ix=43.4 mm

則λx=lx/ix=69.12

查表可知：軸心受壓構(gòu)件對x軸的截面分類為b類，由插入法求得：

通過計算結(jié)果可知，U29 的軸心受壓穩(wěn)定承載力比11 號礦用工字鋼提高30.81%，而11 號礦用工字鋼和U29 鋼棚的單位重量分別為25.58 kg/m 和29.05 kg/m。由此可見，在單位重量接近的情況下，U29 鋼棚支架具有更好的軸壓穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

本文通過采用有限元分析和理論計算分析了山西潞安化工集團五陽煤礦南嶺回風(fēng)井82 采區(qū)輔助運輸巷某立交段采用U29 支架和11 號礦用工字鋼支架的性能對比。結(jié)果表明，U29 鋼棚支架的屈曲荷載和極限荷載高于11 號礦用工字鋼，同時在兩者單位重量相近的情況下，U29 鋼棚支架具有更高的軸壓穩(wěn)定承載力。因此，現(xiàn)有U29 鋼棚支架是適合五陽煤礦的支護方案。