金屬網(wǎng)在錨網(wǎng)支護中作用機理的模擬研究

閆海平，元　琨

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

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金屬網(wǎng)在錨網(wǎng)支護中作用機理的模擬研究

閆海平1，元琨2

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

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

關鍵詞：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化影響，巖性較為破碎軟弱。在實際的復雜工程中，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。金屬網(wǎng)是常見的一種輔助支護構件，它與錨桿結合形成支護系統(tǒng)，不但能加固圍巖，而且能提供支護功能，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)的作用機理，并借助于FLAC3D有限差分模擬軟件，對巷道錨桿支護中金屬網(wǎng)的作用進行了定量模擬分析，為改善準備巷道支護形式提供一定的理論依據(jù)。

1　金屬網(wǎng)加固作用機理

由于錨桿支護作用有一定范圍，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，有利于錨桿的點支護作用轉化為面支護作用；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力狀態(tài)，提高了圍巖的殘余強度；金屬網(wǎng)具有柔性可適應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力。

錨網(wǎng)支護中，金屬網(wǎng)因其特性不僅幫助錨桿擴散其錨固作用，自身也可以控制圍巖的變形垮落。由于金屬網(wǎng)的存在使錨桿支護成為整體結構，形成錨網(wǎng)整體支護系統(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)支護作用進行模擬研究。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)值模擬力學模型。

圖1　數(shù)值模擬力學模型

以42111輔運巷底板中心為坐標原點，垂直巷道軸向的水平方向為x方向、巷道軸向為y方向、高度方向為z方向建立數(shù)值計算模型坐標系。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)場地質勘測及相關地質資料，模擬計算采用的巖體力學參數(shù)如表1所示。

表1　模擬采用巖體力學參數(shù)

錨桿采用錨索結構單元模擬，采用φ18 mm× 1 800 mm金屬錨桿，頂板設置4根錨桿，間排距為1 m，頂角錨桿與豎向呈30°；兩幫各設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預緊力。金屬網(wǎng)片采用薄型殼單元模擬，設置在頂板和兩幫，錨桿全長錨固，從而實現(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條件下分別對兩種支護方案進行模擬研究：單純的錨桿支護；錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。

3　模擬結果分析

3.1應力分布

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

圖2　圍巖應力分布

圖2-a、2-b是兩種支護條件下圍巖水平應力分布圖，錨桿+金屬網(wǎng)片支護條件下巷道頂板的水平應力峰值有所減小，且應力集中區(qū)域也明顯減小。在兩幫由于金屬網(wǎng)的存在進一步約束了巷道表面位移，巷道表面的應力有所減小，使應力向深部傳播，調動的了深部圍巖共同承載。

圖2-c、2-d可以看出，兩種支護方案的豎向應力分布特征較為相似，但是巷道幫部的豎向應力大小與分布情況有所不同。與單純的錨桿支護相比，錨桿+金屬網(wǎng)片支護減小了豎向應力衰減的范圍；而且?guī)筒孔畲筘Q向應力由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

變形是衡量支護效果及圍巖穩(wěn)定性的主要指標。通過3.1應力分布知道，兩種支護條件下的巷道圍巖應力分布并不相同，而應力是產(chǎn)生變形和位移的根本原因。因此，這兩種支護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)兩種支護下的幫部位移量相同，當距底角的距離大于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)支護的巷道頂板下沉量和頂板位移明顯要小。豎向應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力。

4　支護效果監(jiān)測

在42111輔運巷設立觀測站，采用十字布點法監(jiān)測巷道圍巖變形規(guī)律，監(jiān)測結果見圖4。由巷道表面監(jiān)測結果可知：巷道表面位移約在20 d后趨于穩(wěn)定，巷道由掘進支護到巷道穩(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%，掘進期間輔運巷圍巖變形較小，可以保證巷道的安全運輸生產(chǎn)。

圖4　掘進期間巷道表面位移

5　結束語

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系統(tǒng)。模擬計算表明，與單純的錨桿支護相比，錨網(wǎng)支

護的圍巖應力分布更加均衡，對圍巖的穩(wěn)定性控制效果也更好。在涼水井42111輔運巷進行工業(yè)試驗，在錨網(wǎng)支護形式下，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，大學本科，助理工程師，從事巷道支護及穩(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

文獻標識碼：A