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深井高应力托顶煤巷道锚索梁支护结构优化研究

2024-09-02 5 上传者：管理员

摘要：针对深部地层中托顶煤巷道存在的支护难、顶板变形大等问题，采用数值模拟和室内试验方法，提出托顶煤巷道锚索梁π形钢结构参数优化方案，对比分析了U形钢和π形钢锚索梁支护结构优劣。结果表明：在施加荷载条件下，相较于U形钢，π形钢变形量基本不变，其抗变形能力更强；在倾斜荷载作用下，π形钢梁的承载能力平均比U形钢高出12.0%，新型π形钢梁具备更大承载能力，支护效果更好。

关键词：
U形钢
π形钢
托顶煤巷道
支护结构
煤炭资源
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煤炭资源作为社会和经济发展的重要物质基础，其安全生产对于国民经济提高至关重要。随着煤炭开采深度的增加，由于地质条件的复杂性，巷道支护面临着一系列新的挑战。针对不同的矿井开采条件，探究经济合理有效的支护技术，对我国的煤矿安全生产具有重要的意义。现有巷道的支护体系包括锚杆、锚索、钢带联合支护等，但在高地应力的作用下极易出现破坏或整体失效，导致煤岩顶板出现变形过大等问题。锚索梁支护结构是采用型钢托梁和锚杆构成的组合支护形式，常用的型钢托梁主要有U形钢、工字钢等。在锚索预紧力的作用下，U形钢存在与顶板煤层接触面积小、侧向倾斜荷载承载能力差以及与锚索联接处易剪切破断等问题。为了克服深井高应力托顶煤巷道支护难题，国内外诸多学者进行了大量研究。但托顶煤巷道支护技术成果多集中在锚杆索及桁架支护方面，对π形钢锚索梁支护结构的整体性能研究较少。基于此，本文以π形钢结构为基础，对标U29钢结构，探索研究重量轻、支护面积大的新型锚索梁支护系统钢梁结构，为矿井安全高效生产提供有力支撑。

1、不同型钢支护结构参数优化

为了明确不同型钢支护结构优劣，开展相同截面条件下U形钢梁和π形钢的结构参数对比分析。以广泛使用的U29钢材参数为参考，对π形钢参数进行初步设计，采用Solid Works制图软件绘制π形梁与U29钢梁的三维模型，并以二者单位长度的质量及惯性力矩为对比指标，获得相比U29钢梁质量更轻、操作更方便、惯性力矩更大的π形梁断面结构。为方便后期π形锚索梁批量化应用，根据现场条件针对性选取π形梁尺寸，对锚索梁断面进行了深度优化，建立了不同高度、宽度π形锚索梁单位长度质量、惯性力矩数据库，如表1所示。通过数据规划求解，进一步建立了钢梁单位长度质量、惯性力矩与钢梁宽度B、高度H之间的定量化数学模型，构建单位长度质量、惯性力矩随钢梁宽度、高度的演化关系，初步分析规律得出，相同惯性力矩时，宽度越大、高度越小，单位长度质量越小。

表1π形锚索梁结构参数

2、数值模拟

为了得到性能最优的锚索梁支护结构，进一步验证基于π形钢锚索梁支护结构的整体性能，并与U29钢锚索梁结构对比，利用有限元软件ANASYS开展数值分析，分析不同钢梁长度、连接锚索数量、荷载大小、荷载分布方式和荷载倾角等条件下，U29钢梁与π形梁的受力变形云图，验证新型π形锚索梁结构在工程现场应用的适用性与可靠性。

(1）模型建立及模拟方案

基于π形钢锚索梁支护结构的整体性能，将U29钢梁、优化完成的π形梁分别与锚索相结合，形成工程现场使用的锚索梁支护结构，具体模拟验证方案如表2和图1所示。

表2模拟方案

图1模拟方案示意图

(2）数值模拟结果

不同钢梁长度、连接锚索数量、荷载大小、荷载分布方式和荷载倾角等条件下，U29钢梁与π形梁的受力变形云图如图2所示，模拟结果对比分析如图3所示。

由图2、图3可知，垂直荷载下，π形钢变形量大于U29钢梁，但均在现场可接受范围内。倾斜荷载下，π形钢抗变形能力较强，变形量基本不变。其中U形钢和π形钢均垂直施加600 kN均匀时，π形钢变形量略大于U29钢梁，相比垂直荷载，在施加倾斜荷载时，U29钢梁最大变形增大了242%，π形钢最大变形仅增大0.2%。U形钢和π形钢均垂直施加900 kN均匀时，π形钢变形量略大于U29钢梁，在可接受范围内。相比垂直荷载，在施加倾斜荷载时，U29钢梁最大变形增大275%，π形钢变形基本不变。施加1/4处集中位置时，在倾斜荷载下，π形钢抗变形能力较强，变形量基本不变，U29钢梁变形增幅超过230%。

图2模拟方案变形云图

图3模拟结果对比图

3、室内试验

为进一步测试新型π形梁支护结构的强度、刚度，开展U29钢梁与π形梁的室内力学对比试验，通过大吨位电液伺服加载装置分别对U29钢梁与π形梁开展3点、4点弯曲加载试验以及倾斜加载试验、偏载试验、动静组合加载试验，通过高频响负荷传感器、LVDT位移传感器、高塑性应变片、DIC位移监测分析系统及高速摄像系统监测U29钢梁与π形梁的受力和位移等物理量，分析新型π形梁支护结构替代U29钢梁的可行性，并通过实测数据指导工程现场施工。

(1）试验方案

为获取U29钢梁与新型π形梁的力学性能数据，开展室内力学试验，设置4组试验方案，如表3所示。研究不同情况下的钢梁变形规律，试验过程均为按位移加载，钢梁荷载施加方案示意图如图4所示。

表3钢梁室内力学试验方案

图4钢梁荷载施加方案示意图

(2）试验结果分析

根据试验方案在钢梁上进行垂直和倾斜荷载加载试验，获取得到了加载过程中U形钢与π形钢的位移-受力曲线，如图5所示。

图5不同型钢结构承载力-位移曲线图

由图5可知，随着压力的不断施加，钢梁前期变形与试验力保持线性关系，随后分别进入屈服状态，随着变形的增加，试验力增幅逐渐下降。当U形钢与π形钢的位移达到50 mm左右时，钢梁产生不可恢复变形，此时π形钢的极限承载力高于U形钢的极限承载力分别达到4.38%、9.45%、14.55%和13.73%,U形钢与π形钢梁的极限承载力分别达到98.6 kN和103.5 kN。在垂直荷载作用下π形钢梁的承载能力平均比U形钢高出4.7%，在倾斜荷载作用下π形钢梁的承载能力平均比U形钢高出12.0%。由此表明，新型π形钢梁在具备更大承载能力的同时，抗偏载的能力也提升了很多。

4、结语

(1）通过有限元软件ANASYS开展施加垂直荷载、倾斜荷载及动静叠加荷载等条件下的数值模拟分析，结果表明，在施加荷载条件下，相较于U29钢梁最大变形增幅275%，π形钢的抗变形能力更强，其变形量基本不变；

(2）开展U29钢梁与π形钢梁的4组室内力学对比试验，在垂直荷载作用下π形钢梁的承载能力平均比U形钢高出4.7%，在倾斜荷载作用下π形钢梁的承载能力平均比U形钢高出12.0%，由此表明，新型π形钢梁在具备更大承载能力的同时，抗偏载的能力也提升了很多。

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