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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
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。
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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。
参考文献:
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文章来源:高乐,郭晓胜,刘勋.深井高应力托顶煤巷道锚索梁支护结构优化研究[J].煤矿机械,2024,45(09):125-128.
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围岩松动圈是指地下工程开挖后,由于应力重分布和爆破等因素影响,在洞室周围形成的具有一定厚度的破裂､松动区域[1]｡这一区域内的岩体力学性质发生显著变化,主要表现为强度降低､渗透性增加等特征｡围岩松动圈的形成和发展直接影响地下工程的稳定性和安全性｡
2025-09-07
钻孔探测作为矿井地质分析预测及灾害处理的重要手段,具有实揭性､灵活性及长距离等优点,常用于煤矿瓦斯抽放､探放水及地质填图等勘探工程｡然而,受限于软碎岩层､断层发育带等井下复杂地质条件,常规钻孔极易产生塌孔､缩径的问题,严重影响钻孔的成孔效率及施工效果｡
2025-08-03
断层是地壳中常见的地质构造之一,是由破断面两层岩体发生明显位移而形成的｡在采煤过程中,断层的发育增加了开采的难度,影响采煤方法的选择和回采速度｡断层的大小､走向､数量,均会加剧煤层漏风问题,进而增加煤层自燃的风险,对此,诸多学者开展了大量研究[1-2]｡
2025-08-03
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2025-08-03
采煤机自动拖缆是指采煤机在工作运行过程中,采用特定的拖曳装置移动电缆,替代人工来管理电缆,避免采煤机往复运行中,电缆因多次叠加引起电缆出槽､损伤等现象｡采煤机自动拖缆装置对于采煤机的正常运行至关重要,特别是对电缆槽高度较低的薄煤层工作面,效果更为显著,它确保了电缆不被损坏,从而保证了采煤机的电力供应｡
2025-08-03
光纤技术是基于光传播原理的高新技术创新,广泛应用于通信､传感､医疗等领域,光纤传感器利用光波在光纤内部的传播特性,这些特性使得光纤传感器在复杂环境中,特别是需要长期监测的工程领域中,应用更加广泛[1]｡在采矿作业中,随着深部采矿技术的不断发展,围岩的复杂性和变异性不断增加,对支护结构的稳定性提出了新的挑战[2]｡
2025-08-03
陶文斌[8]研究了大断面过破碎带失稳变形原因,提出了“预注浆+超前支护+架棚+二次注浆”的支护方案,有效保证了巷道围岩的稳定;伊丽娟[9]以某煤矿大巷过破碎带为工程背景,提出“锚杆+锚索+U型钢”的联合支护技术,成功控制了巷道围岩变形问题｡针对不同地质环境应确定相应的巷道支护技术｡
2025-08-03
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2025-07-12
针对荫营煤矿密闭区域检测环节操作繁琐，检测结果反馈时间长、效率低等问题，归纳了密闭“呼吸”现象的影响因素，基于现场测试分析了密闭“呼吸”现象的基本特征，对煤自燃气体产生的规律进行研究，结果表明：大气参数的变化导致密闭区出现“呼吸”效应，密闭内外压差的变化范围为-160～350 Pa,说明荫营煤矿密闭存在“呼吸”效应，且密闭内外气体交换量较大。研究结果对荫营煤矿快捷高效地实现井下密闭火情智能监测预警及风险管控以预防煤自燃具有重要指导和现实意义。
2025-07-07
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2025-07-07我要评论
期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2109
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
邮发代号：14-38
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
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2024-09-02
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