金屬網(wǎng)在錨網(wǎng)支護(hù)中作用機(jī)理的模擬研究

閆海平，元　琨

（1.神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西榆林719319；2.中國礦業(yè)大學(xué)力建學(xué)院，江蘇徐州221008）

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金屬網(wǎng)在錨網(wǎng)支護(hù)中作用機(jī)理的模擬研究

閆海平1，元琨2

（1.神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西榆林719319；2.中國礦業(yè)大學(xué)力建學(xué)院，江蘇徐州221008）

摘要：錨桿+金屬網(wǎng)片是煤巷支護(hù)的常用方法，為定量分析金屬網(wǎng)片對錨桿支護(hù)的影響，借助于FLAC3D有限差分軟件，在相同地質(zhì)條件下分別對錨桿支護(hù)、錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行模擬和對比分析。研究結(jié)果表明：施加金屬網(wǎng)片能夠更好的使圍巖應(yīng)力均勻化，減少應(yīng)力集中區(qū)域；施加金屬網(wǎng)片可以明顯減小巷道各點(diǎn)變形、頂?shù)装逡平考皣鷰r塑性區(qū)范圍。

關(guān)鍵詞：金屬網(wǎng)；數(shù)值模擬；有限元

涼水井井田位于陜北榆神礦區(qū)北部，主采煤層42煤為近水平煤層，煤層傾角最大為5°～6°，其最大賦存深度為地表以下150 m左右，平均埋深不足百米; 42煤層上覆巖層為平均30 m厚的細(xì)粒砂巖為基本頂，其上依次為紅土、黃土和松散砂層。由于主采煤層埋藏淺，基巖較薄，部分頂板上覆巖層受風(fēng)化影響，巖性較為破碎軟弱。在實(shí)際的復(fù)雜工程中，單純依靠錨桿的作用很難控制圍巖變形而使巷道穩(wěn)定，這時就需要托梁、金屬網(wǎng)和鋼帶等輔助支護(hù)。金屬網(wǎng)是常見的一種輔助支護(hù)構(gòu)件，它與錨桿結(jié)合形成支護(hù)系統(tǒng)，不但能加固圍巖，而且能提供支護(hù)功能，在軟弱破碎的巖層環(huán)境下，金屬網(wǎng)的作用尤為重要。本文分析金屬網(wǎng)的作用機(jī)理，并借助于FLAC3D有限差分模擬軟件，對巷道錨桿支護(hù)中金屬網(wǎng)的作用進(jìn)行了定量模擬分析，為改善準(zhǔn)備巷道支護(hù)形式提供一定的理論依據(jù)。

1　金屬網(wǎng)加固作用機(jī)理

由于錨桿支護(hù)作用有一定范圍，錨桿之間部分巖層處于非錨固區(qū)，金屬網(wǎng)可以有效地加固和控制非錨固區(qū)巖層，其主要加固作用為：金屬網(wǎng)可以托住非錨固區(qū)破裂巖層，防止其直接垮落；將錨桿之間巖層的荷載傳遞給錨桿，有利于錨桿的點(diǎn)支護(hù)作用轉(zhuǎn)化為面支護(hù)作用；被托住的碎石由其碎脹及傳遞力的媒介作用維持了圍巖的三向應(yīng)力狀態(tài)，提高了圍巖的殘余強(qiáng)度；金屬網(wǎng)具有柔性可適應(yīng)圍巖的變形起到一定的“卸壓”的作用；金屬網(wǎng)本身具有剛性，為圍巖表面提供一定的支護(hù)力。

錨網(wǎng)支護(hù)中，金屬網(wǎng)因其特性不僅幫助錨桿擴(kuò)散其錨固作用，自身也可以控制圍巖的變形垮落。由于金屬網(wǎng)的存在使錨桿支護(hù)成為整體結(jié)構(gòu)，形成錨網(wǎng)整體支護(hù)系統(tǒng)，均衡巷道圍巖受力及變形狀態(tài)，有利于提高圍巖整體穩(wěn)定性。

2　數(shù)值模擬模型

采用FLAC3D有限差分軟件對金屬網(wǎng)支護(hù)作用進(jìn)行模擬研究。FLAC3D可有效模擬非線性系統(tǒng)的蠕變、大變形、圍巖穩(wěn)定等力學(xué)過程，能很好地模擬煤巷的軟弱環(huán)境。圖1為數(shù)值模擬力學(xué)模型。

圖1　數(shù)值模擬力學(xué)模型

以42111輔運(yùn)巷底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直巷道軸向的水平方向?yàn)閤方向、巷道軸向?yàn)閥方向、高度方向?yàn)閦方向建立數(shù)值計算模型坐標(biāo)系。模型尺寸長×寬×高=50 m×1 m×50 m，巷道斷面形狀為矩形，寬取4 m，高3 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘測及相關(guān)地質(zhì)資料，模擬計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　模擬采用巖體力學(xué)參數(shù)

錨桿采用錨索結(jié)構(gòu)單元模擬，采用φ18 mm× 1 800 mm金屬錨桿，頂板設(shè)置4根錨桿，間排距為1 m，頂角錨桿與豎向呈30°；兩幫各設(shè)3根錨桿，間排距1 m，底角錨桿與豎向呈45°；所有錨桿都施加30 kN預(yù)緊力。金屬網(wǎng)片采用薄型殼單元模擬，設(shè)置在頂板和兩幫，錨桿全長錨固，從而實(shí)現(xiàn)錨桿與金屬網(wǎng)片的端頭連接；金屬網(wǎng)片與巖體剛性連接。模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則來判斷單元的塑形和破壞特征。

在相同模型幾何特征和地質(zhì)條件下分別對兩種支護(hù)方案進(jìn)行模擬研究：單純的錨桿支護(hù)；錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

3　模擬結(jié)果分析

3.1應(yīng)力分布

錨桿支護(hù)、錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)條件下的圍巖應(yīng)力分布特征見圖2。由于巷道的開挖巖體應(yīng)力釋放，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膽?yīng)力較周邊應(yīng)力要小。

圖2　圍巖應(yīng)力分布

圖2-a、2-b是兩種支護(hù)條件下圍巖水平應(yīng)力分布圖，錨桿+金屬網(wǎng)片支護(hù)條件下巷道頂板的水平應(yīng)力峰值有所減小，且應(yīng)力集中區(qū)域也明顯減小。在兩幫由于金屬網(wǎng)的存在進(jìn)一步約束了巷道表面位移，巷道表面的應(yīng)力有所減小，使應(yīng)力向深部傳播，調(diào)動的了深部圍巖共同承載。

圖2-c、2-d可以看出，兩種支護(hù)方案的豎向應(yīng)力分布特征較為相似，但是巷道幫部的豎向應(yīng)力大小與分布情況有所不同。與單純的錨桿支護(hù)相比，錨桿+金屬網(wǎng)片支護(hù)減小了豎向應(yīng)力衰減的范圍；而且?guī)筒孔畲筘Q向應(yīng)力由23.6 MPa降為20.5 MPa，降低了3.1 MPa。由此可見，金屬網(wǎng)有助于改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，充分發(fā)揮圍巖自承能力。

3.2圍巖變形

變形是衡量支護(hù)效果及圍巖穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。通過3.1應(yīng)力分布知道，兩種支護(hù)條件下的巷道圍巖應(yīng)力分布并不相同，而應(yīng)力是產(chǎn)生變形和位移的根本原因。因此，這兩種支護(hù)條件下的圍巖也將產(chǎn)生不同的變形和位移特征。通過分析圍巖的位移的變化規(guī)律，可以得出金屬網(wǎng)的作用特征及支護(hù)效果。巷道圍巖變形曲線見圖3。

圖3　巷道圍巖變形

由圖3-a看出，在兩種支護(hù)條件下幫部變形的特征是基本一致的，都在離底角1 m處出現(xiàn)位移最大值，然后由于錨桿的限制位移量變小，而在2 m處位移又一次出現(xiàn)峰值，最后持續(xù)降低。在0～0.5 m區(qū)域內(nèi)兩種支護(hù)下的幫部位移量相同，當(dāng)距底角的距離大于0.5 m時位移出現(xiàn)差異，有金屬網(wǎng)支護(hù)的巷道幫部位移明顯減小。在圖中還可以看出，離底角不同高度其幫部位移的減小量也是不同的，在高為1.5 m和2.5 m處位移的減小量為0.016 m與0.015 m，而在1 m、2 m及3 m處其減小量分別為0.023 m、0.028 m和0.024 m。由圖2已知，在高度1.5 m和2.5 m處都布設(shè)了錨桿，金屬網(wǎng)可以抑制兩幫的變形，并且這種作用在非錨固區(qū)產(chǎn)生的效果比在錨桿附近的效果更明顯一些。

兩種支護(hù)條件下的頂板離層量與底板位移，見圖3-b、3-c所示。有金屬網(wǎng)支護(hù)的巷道頂板下沉量和頂板位移明顯要小。豎向應(yīng)力是頂板下沉變形的主要原因，金屬網(wǎng)能夠有效的控制錨桿之間巖層變形，托住破碎的巖層，使頂板能夠承受較大的豎向應(yīng)力。

4　支護(hù)效果監(jiān)測

在42111輔運(yùn)巷設(shè)立觀測站，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測巷道圍巖變形規(guī)律，監(jiān)測結(jié)果見圖4。由巷道表面監(jiān)測結(jié)果可知：巷道表面位移約在20 d后趨于穩(wěn)定，巷道由掘進(jìn)支護(hù)到巷道穩(wěn)定，兩幫移近量為15 mm，為初始巷道兩幫寬度的0.38%；頂板下沉為10 mm，為巷道初始高度的0.33%，掘進(jìn)期間輔運(yùn)巷圍巖變形較小，可以保證巷道的安全運(yùn)輸生產(chǎn)。

圖4　掘進(jìn)期間巷道表面位移

5　結(jié)束語

對于破碎圍巖巷道，金屬網(wǎng)不僅僅是防止破碎巖層直接垮落，更主要的作用是傳遞錨桿的錨固作用，與錨桿形成整體的支護(hù)系統(tǒng)。模擬計算表明，與單純的錨桿支護(hù)相比，錨網(wǎng)支

護(hù)的圍巖應(yīng)力分布更加均衡，對圍巖的穩(wěn)定性控制效果也更好。在涼水井42111輔運(yùn)巷進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，在錨網(wǎng)支護(hù)形式下，沒有出現(xiàn)碎石垮落的現(xiàn)象，巷道變形也都控制在合理的范圍內(nèi)，取較好的支護(hù)效果。

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（編輯：劉新光）

Mechanism Simulation of Metal Mesh in Bolt-mesh Support

YAN Haiping1, YUAN Kun2
(1. Shenmu Huisen Liangshuijing Mining Co., Ltd., Yulin 719319, China; 2. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Bolt with metal mesh is commonly used in roadway supporting. To analyze the impact of the metal mesh on the bolt support quantitatively, FLAC3Dfinite difference software was adopted tosimulate and compare the bolt support and bolt- mesh support. The results showthat the mesh could homogenize the surrounding rock stress and reduce the region of stress concentration, deformation of each point, convergence ofroofand floor, and plastic zone ofsurroundingrock.

Keywords:metal mesh; numerical simulation; finite element

作者簡介：閆海平（1988-），男，山西忻州人，大學(xué)本科，助理工程師，從事巷道支護(hù)及穩(wěn)定研究。

收稿日期：2015- 10- 26

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.012

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0038- 04

中圖分類號：TD325

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A