工字鋼棚及錨網索支護結構受力分析

田俊斌

（山西焦煤集團霍州煤電呂梁山公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033199）

0 引言

據統計，目前我國井工礦井每年新掘進巷道長度可達10000余公里[1]，是一項浩大的地下工程。隨著煤礦開采深度逐年增加，加之我國含煤地層多為泥巖類軟巖，且巷道要經歷掘進及采動等多次影響，因此圍巖控制普遍比較困難，巷道維護成為煤炭生產過程中面臨的一個主要問題。

1 支護與圍巖的相互作用關系

我國煤礦巷道的支護形式與理論多樣，其中根據收斂限制線原理描述的支護與圍巖相互作用關系是目前最被認可的理論。

一般來說，地下工程巖體在經受多種因素擾動后，提高圍巖的自身強度和降低所受應力，并采取合理有效的支護形式是巷道維護的關鍵。巷道開掘后，一般的圍巖條件靠自行穩定難以實現，應力平衡過程中，容易導致集中應力超過巖體的強度極限，圍巖緩慢變形并最終失穩破壞。而圍巖自身強度和所處應力環境很難改變，選擇合理有效的支護形式是唯一可采取的措施。通過給巷道圍巖施加支護阻力，可提高巷道圍巖的殘余強度，從而改善圍巖的自身承載性能，控制圍巖變形[2]。

如圖1所示，縱軸表示有效支護阻力，橫軸表示巷道圍巖變形量。U0和U0′為當巷道剛掘出時的圍巖變形量，U1-U4為施加支護后圍巖的變形量。初始階段，支護與圍巖之間表現為線彈性變化規律；一段時間后發生塑性變形，直至形成圍巖松動區。

圖1 支護和圍巖的相互作用關系

圖1 中曲線①表示當巷道剛掘出后就采取及時支護，支護強度總體上較高，提供給圍巖的支護阻力為P1，但并未通過一定程度的變形釋放能量，積聚的能量分擔到了人工支護體上。人工支護結構可提供的支護阻力較小，可能會因為受到來自圍巖內積聚的能量導致變形破壞，甚至失穩。

曲線②和曲線③表示當巷道掘進導致圍巖受到擾動后，先讓圍巖發生適當的變形，釋放部分能量后再采取支護措施。曲線②雖然能夠控制住圍巖變形與破壞，但是提高支護強度必然會導致支護成本增加。曲線③也是當產生同樣大小的初始變形U0時，再采取了支護措施，允許支護結構和巷道圍巖有一定的變形，在降低支護強度的同時，確保巷道的圍巖穩定。

曲線④表示當巷道掘出并使圍巖的變形量達到U0′時，采取支護措施控制圍巖變形。此時圍巖內所積聚的能量大部分已經通過適當的變形釋放，較低的支護強度即可滿足圍巖控制要求，可以用比較低的支護阻力來保持圍巖穩定，因此在這個時間點對巷道圍巖施加人工支護最佳。

2 支護補償作用原理及工字鋼棚結構受力分析

2.1 支護補償作用原理

支護結構補償就是在圍巖承載結構的薄弱位置施加一定的補償作用力，從而大幅降低支護結構弱面承受的應力，充分發揮其承載性能，提高支護結構的整體穩定性[3]。

根據結構補償原理的內涵可知，結構補償措施的關鍵是選取結構補償位置和確定結構補償體。巷道幫部及肩窩部位為不均勻變形較大的位置，是支護承載結構的薄弱部位。以巷道受力特征、圍巖變形規律及圍巖穩定速度可知，結構補償體必須適應巷道初期大變形及高支護阻力的要求。同時為了控制圍巖變形，要求補償體能夠具有急增阻特點。

2.2 工字鋼棚結構受力分析

工字鋼棚是一種可被看作梁結構被動剛性支護形式，在理想狀態下，工字鋼棚的棚腿可看作是固支[4]。因此，均布載荷作用下，工字鋼棚受到的力矩分布如圖2（a）所示。現場大量工程實踐表明，架設工字鋼棚時，由于受現場情況、施工工藝與技術條件限制，棚子與圍巖間常常存在一定空間，當圍巖發生變形時，工字鋼棚容易產生不均勻載荷，造成支架受力不均勻，當超過支架的極限載荷時，支架產生塑性變形而導致結構失穩，如圖2（b）所示。

圖2 不同條件下工字鋼棚彎矩分布情況

工字鋼棚主要用在圍巖應力不高的巷道中，當圍巖應力較高時，支護結構在承受極不均勻載荷作用的情況下，支架很容易出現結構性失穩。此時可在原有支護基礎上補打錨索進行結構補償，以錨索提供的較高錨固力改變工字鋼棚的受力狀況，分擔支架受到的彎曲應力，從而保證支護結構的穩定。

3 錨網索支護作用分析

與工字鋼棚支護形式相比，錨網支護具有主動支護、及時承載的優點，應用范圍十分廣泛[5]。圖3為錨網支護示意圖，錨網支護主要包括錨桿桿體、螺母、托盤、錨固劑、金屬網和托梁等構件，錨網支護作用由這些構件相互配合提供。

圖3 錨網支護構件及安裝示意圖

錨桿作為錨網支護的主體，在支護過程中不僅起支護作用，還起加固圍巖的作用，通過其徑向與切向錨固力共同控制錨固范圍內巖體的變形。錨桿支護作用主要體現在控制錨固范圍內圍巖離層、滑動以及新裂隙產生和舊裂隙張開，使圍巖處于三向應力狀態，并提高其彈性模量、粘聚力等力學參數，防止發生彎曲變形和剪切破壞，具有較高的承載能力，成為承載結構的主體。

錨桿支護是一種具有加固和支護作用的圍巖控制技術，其支護效果的主要取決于錨桿對圍巖所施加錨固力的大小，根據錨桿錨固力的作用方向劃分為切向錨固力和徑向錨固力。

圖4 錨桿的錨固作用機理

3.1 錨桿軸向作用機理

錨桿作用在比較軟弱的巖體中時，根據錨固方式不同，軸力分布情況也不相同。全長錨固時其軸力分布一般為兩頭較大，中間小；端錨錨桿除了錨固端軸力較大外，其余位置軸力大小相等。安裝錨桿時的間排距越小，對圍巖提供的附加應力越大。實驗得出全長錨固錨桿對處于殘余強度和極限強度時的錨固體提供的附加應力如圖5所示。

圖5 全錨錨桿密度和附加應力關系曲線圖

分析圖5可知，對于全長錨固錨桿，附加應力的大小隨錨桿密度加大而逐漸增加。當錨桿間排距為0.6m～0.8m時，附加應力曲線斜率明顯增大，即在錨桿阻力固定的情況下，附加應力顯著增大[6]。在錨桿密度一定的情況下，錨固體處于極限強度時提供的附加應力大于殘余強度時提供的應力。

3.2 錨桿徑向作用機理

受相鄰工作面開采超前支承壓力作用的影響，工作面順槽圍巖會因巖體破裂而沿弱面相互錯動，此時，錨桿發揮其徑向作用，通過對巖體提供一定的抗剪能力增大錨固范圍，防止或延緩周圍巖體沿弱面錯動。

全長錨固錨桿提升了整個錨固范圍內弱面間的摩擦阻力，端部錨固錨桿主要通過錨固端的預緊力和錨桿本身的抗剪能力來提高錨固范圍內弱面的抗剪能力。顯然，全長錨固錨桿能更有效的提升弱面的抗剪能力。

4 結語

錨網支護相對工字鋼棚支護而言控制圍巖變形的能力較好，而采用錨網棚聯合支護形式時，巷道頂板及兩幫的變形量相比單一支護可得到明顯的控制。在現場實際應用中，由于受施工技術和施工質量的限制，工字鋼棚對圍巖的控制效果往往達不到理想情況，因而架棚支護對圍巖的實際控制效果并不理想。現場采用何種支護方式，不僅應從圍巖控制效果角度考慮，還應根據經濟效益進行比較，最終確定合理的支護方案。