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1、U型钢可缩性支架支护设计及应用研究第58卷第3期有色金属(矿山部分)2006年5月U型钢可缩性支架支护设计及应用研究汪成兵①勾攀峰②韦四江②(①同济大学地下建筑与工程系,②河南理工大学能源科学与工程学院)摘要:U型钢可缩性支架是广泛应用于矿山巷道的一种支护.本文采用数值模拟方法,以鹤壁四矿2126综放回采巷道的地质条件为工程背景,从围岩变形特征,应力分布特征以及围岩应力状态出发,对U型钢可缩性支架支护的巷道断面进行了优化研究,结果表明,直墙拱形巷道断面采用U型钢可缩性支架支护效果较好.在数值模拟计算结果的基础上,采用理论计算的方法对鹤壁四矿
2、2126综放回采巷道U型钢可缩性支架的支护参数进行了设计,并进行了现场工业性试验.关键词:U型钢可缩性支架数值模拟承载能力支护设计u型钢可缩性支架是一种广泛应用于矿山巷道的支护方式,其具有较高的初撑力,支护强度大,主要有直墙拱,内曲腿和外曲腿3种结构.u型钢可缩性支架的最大优点是当围岩作用于支架上的压力达到一定值时,支架便产生屈服缩动,缩动的结果使围岩作用于支架上的压力下降,从而避免了围岩的压力大于支架的承载力而导致支架的破坏,所以u型钢可缩性支架越来越多地被应用在煤矿的主要巷道和软岩地段.因此合理设计u型钢可缩性支架的结构及支护参数,对矿
3、井安全生产和提高经济效益具有重要的意义.本文针对鹤壁煤电股份有限公司第四煤矿(以下简称鹤壁四矿)2126综放回采巷道的地质条件,运用有限元数值模拟方法对直墙半圆拱形,内曲腿形,外曲腿形3种不同巷道断面采用U型钢可缩性支架支护进行了优化研究,进而确定了u型钢可缩性支架的支护参数,并在现场进行了工业性试验.1工程概况鹤壁四矿2126工作面为新开采综放工作面,沿煤层底板回采,一次采全高.本工作面开采山西组二煤层.煤层产状:走向N20.一55.W,倾向NE8.一14.,工作面煤厚7.88—8.58m,煤层上段薄下段厚,平均煤厚8m.地面标高+185
4、一+192m,埋藏深度447—522m.煤层上方为黑色泥岩伪顶,厚0.5m.直接顶为灰黑色砂质泥岩,节理发育,厚3.5m.老顶为灰色中粒砂岩,以石英为主,暗黑色矿物次之,具斜层理钙脂胶结,厚6.0m.直接底为汪成兵在读博士上海200092黑色砂质泥岩,含砂量由下而上逐渐减少,厚3m.老底为深灰色中粒砂岩,中间夹薄层黑色泥质包裹体,层面含云母碎片,平均厚9.0m.二.煤及顶底板岩石力学性质见表1.表1各岩层岩石力学参数层位岩性E(CPa)C(MPa)'P(.)^r(t/m3)老顶中粒砂岩6.041.50.223.2312.62直接顶砂质泥岩3
5、.529.30.22.9292.46伪顶泥岩0.516.70.322.1272.41煤8.06.00.30.4201.3直接底砂质泥岩329.30.22.9292.46老底中粒砂岩9.041.50.223.2312.622巷道断面优化2.1数值计算模型的建立数值模拟采用美国MSC公司开发的MARC有限元软件.根据u型钢可缩性支架的主要结构型式和该回采巷道的实际情况及运输,通风,行人等需要,并参考《煤矿支护手册》,设计如下3个方案(图1)进行数值模拟计算:方案1:直墙半圆拱形断面,巷道断面积14.3m,4节式U29型钢可缩性支架支护.方案2:
6、内曲腿形断面,巷道断面积14.6m,4节式U29型钢可缩性支架支护.方案3:外曲腿形断面,巷道断面积14.2m,4节式U29型钢可缩性支架支护.计算模型宽50m,高30m,巷道位于模型中央,模型左右边界设为水平位移约束,下边界设为固定约束,上边界自由.岩体的弹塑性分析采用Mohr—Coulomb屈服准则.u型钢可缩性支架由二节点梁第3期汪成兵等:U型钢可缩性支架支护设计及应用研究31单元模拟,支架搭接部分采用等效材料方法处理.模型计算的初始应力场为实际应力场,根据该矿区的实测地应力资料,侧压系数为1.5,垂直应力仃=∑^y.H.,水平应力仃
7、=1.5o"./,^,/,,,,,,,4175方案1方案2方案3图1数值模拟方案巷道断面示意图2.2计算结果分析2.2.1位移场分析.由于开挖后巷道周边应力得到释放,岩层都有不同程度的沿开挖自由面的位移.以巷道周边节点为横坐标,巷道围岩位移分布及底鼓分布情况见图2,图3(以巷道左侧拱底节点为1号节点,将巷道周边节点沿顺时针方向进行编号).巷道围岩变形值见表2.从计算结果可以看出,方案1和方案2围岩变形量差别不大,方案1围岩变形量小于方案2围岩变形量,方案3围岩变形量最大,尤其是两帮移近量增大明显.3种方案底鼓量基本相同.由此说明,在相同条件
8、下,U型钢可缩性支架支护结构对巷道顶板和底板变形影响轻微,而对巷道两帮变形影响较大.7060簿3O2O10Oi捌3藿;0▲J,1'L.,I—■-..▲●■■一●J一'''r'1l
