工字鋼棚及錨網(wǎng)索支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

田俊斌

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電呂梁山公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033199）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)井工礦井每年新掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度可達(dá)10000余公里[1]，是一項(xiàng)浩大的地下工程。隨著煤礦開(kāi)采深度逐年增加，加之我國(guó)含煤地層多為泥巖類軟巖，且巷道要經(jīng)歷掘進(jìn)及采動(dòng)等多次影響，因此圍巖控制普遍比較困難，巷道維護(hù)成為煤炭生產(chǎn)過(guò)程中面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。

1 支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系

我國(guó)煤礦巷道的支護(hù)形式與理論多樣，其中根據(jù)收斂限制線原理描述的支護(hù)與圍巖相互作用關(guān)系是目前最被認(rèn)可的理論。

一般來(lái)說(shuō)，地下工程巖體在經(jīng)受多種因素?cái)_動(dòng)后，提高圍巖的自身強(qiáng)度和降低所受應(yīng)力，并采取合理有效的支護(hù)形式是巷道維護(hù)的關(guān)鍵。巷道開(kāi)掘后，一般的圍巖條件靠自行穩(wěn)定難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)力平衡過(guò)程中，容易導(dǎo)致集中應(yīng)力超過(guò)巖體的強(qiáng)度極限，圍巖緩慢變形并最終失穩(wěn)破壞。而圍巖自身強(qiáng)度和所處應(yīng)力環(huán)境很難改變，選擇合理有效的支護(hù)形式是唯一可采取的措施。通過(guò)給巷道圍巖施加支護(hù)阻力，可提高巷道圍巖的殘余強(qiáng)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(hù)阻力，橫軸表示巷道圍巖變形量。U0和U0′為當(dāng)巷道剛掘出時(shí)的圍巖變形量，U1-U4為施加支護(hù)后圍巖的變形量。初始階段，支護(hù)與圍巖之間表現(xiàn)為線彈性變化規(guī)律；一段時(shí)間后發(fā)生塑性變形，直至形成圍巖松動(dòng)區(qū)。

圖1 支護(hù)和圍巖的相互作用關(guān)系

圖1 中曲線①表示當(dāng)巷道剛掘出后就采取及時(shí)支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度總體上較高，提供給圍巖的支護(hù)阻力為P1，但并未通過(guò)一定程度的變形釋放能量，積聚的能量分擔(dān)到了人工支護(hù)體上。人工支護(hù)結(jié)構(gòu)可提供的支護(hù)阻力較小，可能會(huì)因?yàn)槭艿絹?lái)自圍巖內(nèi)積聚的能量導(dǎo)致變形破壞，甚至失穩(wěn)。

曲線②和曲線③表示當(dāng)巷道掘進(jìn)導(dǎo)致圍巖受到擾動(dòng)后，先讓圍巖發(fā)生適當(dāng)?shù)淖冃?，釋放部分能量后再采取支護(hù)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(hù)強(qiáng)度必然會(huì)導(dǎo)致支護(hù)成本增加。曲線③也是當(dāng)產(chǎn)生同樣大小的初始變形U0時(shí)，再采取了支護(hù)措施，允許支護(hù)結(jié)構(gòu)和巷道圍巖有一定的變形，在降低支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)，確保巷道的圍巖穩(wěn)定。

曲線④表示當(dāng)巷道掘出并使圍巖的變形量達(dá)到U0′時(shí)，采取支護(hù)措施控制圍巖變形。此時(shí)圍巖內(nèi)所積聚的能量大部分已經(jīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)淖冃吾尫?，較低的支護(hù)強(qiáng)度即可滿足圍巖控制要求，可以用比較低的支護(hù)阻力來(lái)保持圍巖穩(wěn)定，因此在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)巷道圍巖施加人工支護(hù)最佳。

2 支護(hù)補(bǔ)償作用原理及工字鋼棚結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 支護(hù)補(bǔ)償作用原理

支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償就是在圍巖承載結(jié)構(gòu)的薄弱位置施加一定的補(bǔ)償作用力，從而大幅降低支護(hù)結(jié)構(gòu)弱面承受的應(yīng)力，充分發(fā)揮其承載性能，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[3]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償原理的內(nèi)涵可知，結(jié)構(gòu)補(bǔ)償措施的關(guān)鍵是選取結(jié)構(gòu)補(bǔ)償位置和確定結(jié)構(gòu)補(bǔ)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(hù)承載結(jié)構(gòu)的薄弱部位。以巷道受力特征、圍巖變形規(guī)律及圍巖穩(wěn)定速度可知，結(jié)構(gòu)補(bǔ)償體必須適應(yīng)巷道初期大變形及高支護(hù)阻力的要求。同時(shí)為了控制圍巖變形，要求補(bǔ)償體能夠具有急增阻特點(diǎn)。

2.2 工字鋼棚結(jié)構(gòu)受力分析

工字鋼棚是一種可被看作梁結(jié)構(gòu)被動(dòng)剛性支護(hù)形式，在理想狀態(tài)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?，F(xiàn)場(chǎng)大量工程實(shí)踐表明，架設(shè)工字鋼棚時(shí)，由于受現(xiàn)場(chǎng)情況、施工工藝與技術(shù)條件限制，棚子與圍巖間常常存在一定空間，當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，工字鋼棚容易產(chǎn)生不均勻載荷，造成支架受力不均勻，當(dāng)超過(guò)支架的極限載荷時(shí)，支架產(chǎn)生塑性變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，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(yīng)力不高的巷道中，當(dāng)圍巖應(yīng)力較高時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在承受極不均勻載荷作用的情況下，支架很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。此時(shí)可在原有支護(hù)基礎(chǔ)上補(bǔ)打錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)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(dān)支架受到的彎曲應(yīng)力，從而保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3 錨網(wǎng)索支護(hù)作用分析

與工字鋼棚支護(hù)形式相比，錨網(wǎng)支護(hù)具有主動(dòng)支護(hù)、及時(shí)承載的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍十分廣泛[5]。圖3為錨網(wǎng)支護(hù)示意圖，錨網(wǎng)支護(hù)主要包括錨桿桿體、螺母、托盤、錨固劑、金屬網(wǎng)和托梁等構(gòu)件，錨網(wǎng)支護(hù)作用由這些構(gòu)件相互配合提供。

圖3 錨網(wǎng)支護(hù)構(gòu)件及安裝示意圖

錨桿作為錨網(wǎng)支護(hù)的主體，在支護(hù)過(guò)程中不僅起支護(hù)作用，還起加固圍巖的作用，通過(guò)其徑向與切向錨固力共同控制錨固范圍內(nèi)巖體的變形。錨桿支護(hù)作用主要體現(xiàn)在控制錨固范圍內(nèi)圍巖離層、滑動(dòng)以及新裂隙產(chǎn)生和舊裂隙張開(kāi)，使圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，并提高其彈性模量、粘聚力等力學(xué)參數(shù)，防止發(fā)生彎曲變形和剪切破壞，具有較高的承載能力，成為承載結(jié)構(gòu)的主體。

錨桿支護(hù)是一種具有加固和支護(hù)作用的圍巖控制技術(shù)，其支護(hù)效果的主要取決于錨桿對(duì)圍巖所施加錨固力的大小，根據(jù)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(jī)理

3.1 錨桿軸向作用機(jī)理

錨桿作用在比較軟弱的巖體中時(shí)，根據(jù)錨固方式不同，軸力分布情況也不相同。全長(zhǎng)錨固時(shí)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(shí)的間排距越小，對(duì)圍巖提供的附加應(yīng)力越大。實(shí)驗(yàn)得出全長(zhǎng)錨固錨桿對(duì)處于殘余強(qiáng)度和極限強(qiáng)度時(shí)的錨固體提供的附加應(yīng)力如圖5所示。

圖5 全錨錨桿密度和附加應(yīng)力關(guān)系曲線圖

分析圖5可知，對(duì)于全長(zhǎng)錨固錨桿，附加應(yīng)力的大小隨錨桿密度加大而逐漸增加。當(dāng)錨桿間排距為0.6m～0.8m時(shí)，附加應(yīng)力曲線斜率明顯增大，即在錨桿阻力固定的情況下，附加應(yīng)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(qiáng)度時(shí)提供的附加應(yīng)力大于殘余強(qiáng)度時(shí)提供的應(yīng)力。

3.2 錨桿徑向作用機(jī)理

受相鄰工作面開(kāi)采超前支承壓力作用的影響，工作面順槽圍巖會(huì)因巖體破裂而沿弱面相互錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)，錨桿發(fā)揮其徑向作用，通過(guò)對(duì)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(cuò)動(dòng)。

全長(zhǎng)錨固錨桿提升了整個(gè)錨固范圍內(nèi)弱面間的摩擦阻力，端部錨固錨桿主要通過(guò)錨固端的預(yù)緊力和錨桿本身的抗剪能力來(lái)提高錨固范圍內(nèi)弱面的抗剪能力。顯然，全長(zhǎng)錨固錨桿能更有效的提升弱面的抗剪能力。

4 結(jié)語(yǔ)

錨網(wǎng)支護(hù)相對(duì)工字鋼棚支護(hù)而言控制圍巖變形的能力較好，而采用錨網(wǎng)棚聯(lián)合支護(hù)形式時(shí)，巷道頂板及兩幫的變形量相比單一支護(hù)可得到明顯的控制。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，由于受施工技術(shù)和施工質(zhì)量的限制，工字鋼棚對(duì)圍巖的控制效果往往達(dá)不到理想情況，因而架棚支護(hù)對(duì)圍巖的實(shí)際控制效果并不理想?，F(xiàn)場(chǎng)采用何種支護(hù)方式，不僅應(yīng)從圍巖控制效果角度考慮，還應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較，最終確定合理的支護(hù)方案。