金属网在锚网支护中作用机理的模拟研究

闫海平，元　琨

（1.神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西榆林719319；2.中国矿业大学力建学院，江苏徐州221008）



金属网在锚网支护中作用机理的模拟研究

闫海平1，元琨2

（1.神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西榆林719319；2.中国矿业大学力建学院，江苏徐州221008）

摘要：锚杆+金属网片是煤巷支护的常用方法，为定量分析金属网片对锚杆支护的影响，借助于FLAC3D有限差分软件，在相同地质条件下分别对锚杆支护、锚杆+金属网支护进行模拟和对比分析。研究结果表明：施加金属网片能够更好的使围岩应力均匀化，减少应力集中区域；施加金属网片可以明显减小巷道各点变形、顶底板移近量及围岩塑性区范围。

关键词：金属网；数值模拟；有限元

凉水井井田位于陕北榆神矿区北部，主采煤层42煤为近水平煤层，煤层倾角最大为5°～6°，其最大赋存深度为地表以下150 m左右，平均埋深不足百米; 42煤层上覆岩层为平均30 m厚的细粒砂岩为基本顶，其上依次为红土、黄土和松散砂层。由于主采煤层埋藏浅，基岩较薄，部分顶板上覆岩层受风化影响，岩性较为破碎软弱。在实际的复杂工程中，单纯依靠锚杆的作用很难控制围岩变形而使巷道稳定，这时就需要托梁、金属网和钢带等辅助支护。金属网是常见的一种辅助支护构件，它与锚杆结合形成支护系统，不但能加固围岩，而且能提供支护功能，在软弱破碎的岩层环境下，金属网的作用尤为重要。本文分析金属网的作用机理，并借助于FLAC3D有限差分模拟软件，对巷道锚杆支护中金属网的作用进行了定量模拟分析，为改善准备巷道支护形式提供一定的理论依据。

1　金属网加固作用机理

由于锚杆支护作用有一定范围，锚杆之间部分岩层处于非锚固区，金属网可以有效地加固和控制非锚固区岩层，其主要加固作用为：金属网可以托住非锚固区破裂岩层，防止其直接垮落；将锚杆之间岩层的荷载传递给锚杆，有利于锚杆的点支护作用转化为面支护作用；被托住的碎石由其碎胀及传递力的媒介作用维持了围岩的三向应力状态，提高了围岩的残余强度；金属网具有柔性可适应围岩的变形起到一定的“卸压”的作用；金属网本身具有刚性，为围岩表面提供一定的支护力。

锚网支护中，金属网因其特性不仅帮助锚杆扩散其锚固作用，自身也可以控制围岩的变形垮落。由于金属网的存在使锚杆支护成为整体结构，形成锚网整体支护系统，均衡巷道围岩受力及变形状态，有利于提高围岩整体稳定性。

2　数值模拟模型

采用FLAC3D有限差分软件对金属网支护作用进行模拟研究。FLAC3D可有效模拟非线性系统的蠕变、大变形、围岩稳定等力学过程，能很好地模拟煤巷的软弱环境。图1为数值模拟力学模型。

图1　数值模拟力学模型

以42111辅运巷底板中心为坐标原点，垂直巷道轴向的水平方向为x方向、巷道轴向为y方向、高度方向为z方向建立数值计算模型坐标系。模型尺寸长×宽×高=50 m×1 m×50 m，巷道断面形状为矩形，宽取4 m，高3 m。根据现场地质勘测及相关地质资料，模拟计算采用的岩体力学参数如表1所示。

表1　模拟采用岩体力学参数

锚杆采用锚索结构单元模拟，采用φ18 mm× 1 800 mm金属锚杆，顶板设置4根锚杆，间排距为1 m，顶角锚杆与竖向呈30°；两帮各设3根锚杆，间排距1 m，底角锚杆与竖向呈45°；所有锚杆都施加30 kN预紧力。金属网片采用薄型壳单元模拟，设置在顶板和两帮，锚杆全长锚固，从而实现锚杆与金属网片的端头连接；金属网片与岩体刚性连接。模型采用摩尔-库伦准则来判断单元的塑形和破坏特征。

在相同模型几何特征和地质条件下分别对两种支护方案进行模拟研究：单纯的锚杆支护；锚杆+金属网联合支护。

3　模拟结果分析

3.1应力分布

锚杆支护、锚杆+金属网联合支护条件下的围岩应力分布特征见图2。由于巷道的开挖岩体应力释放，巷道顶底板及两帮的应力较周边应力要小。

图2　围岩应力分布

图2-a、2-b是两种支护条件下围岩水平应力分布图，锚杆+金属网片支护条件下巷道顶板的水平应力峰值有所减小，且应力集中区域也明显减小。在两帮由于金属网的存在进一步约束了巷道表面位移，巷道表面的应力有所减小，使应力向深部传播，调动的了深部围岩共同承载。

图2-c、2-d可以看出，两种支护方案的竖向应力分布特征较为相似，但是巷道帮部的竖向应力大小与分布情况有所不同。与单纯的锚杆支护相比，锚杆+金属网片支护减小了竖向应力衰减的范围；而且帮部最大竖向应力由23.6 MPa降为20.5 MPa，降低了3.1 MPa。由此可见，金属网有助于改善围岩的应力状态，充分发挥围岩自承能力。

3.2围岩变形

变形是衡量支护效果及围岩稳定性的主要指标。通过3.1应力分布知道，两种支护条件下的巷道围岩应力分布并不相同，而应力是产生变形和位移的根本原因。因此，这两种支护条件下的围岩也将产生不同的变形和位移特征。通过分析围岩的位移的变化规律，可以得出金属网的作用特征及支护效果。巷道围岩变形曲线见图3。

图3　巷道围岩变形

由图3-a看出，在两种支护条件下帮部变形的特征是基本一致的，都在离底角1 m处出现位移最大值，然后由于锚杆的限制位移量变小，而在2 m处位移又一次出现峰值，最后持续降低。在0～0.5 m区域内两种支护下的帮部位移量相同，当距底角的距离大于0.5 m时位移出现差异，有金属网支护的巷道帮部位移明显减小。在图中还可以看出，离底角不同高度其帮部位移的减小量也是不同的，在高为1.5 m和2.5 m处位移的减小量为0.016 m与0.015 m，而在1 m、2 m及3 m处其减小量分别为0.023 m、0.028 m和0.024 m。由图2已知，在高度1.5 m和2.5 m处都布设了锚杆，金属网可以抑制两帮的变形，并且这种作用在非锚固区产生的效果比在锚杆附近的效果更明显一些。

两种支护条件下的顶板离层量与底板位移，见图3-b、3-c所示。有金属网支护的巷道顶板下沉量和顶板位移明显要小。竖向应力是顶板下沉变形的主要原因，金属网能够有效的控制锚杆之间岩层变形，托住破碎的岩层，使顶板能够承受较大的竖向应力。

4　支护效果监测

在42111辅运巷设立观测站，采用十字布点法监测巷道围岩变形规律，监测结果见图4。由巷道表面监测结果可知：巷道表面位移约在20 d后趋于稳定，巷道由掘进支护到巷道稳定，两帮移近量为15 mm，为初始巷道两帮宽度的0.38%；顶板下沉为10 mm，为巷道初始高度的0.33%，掘进期间辅运巷围岩变形较小，可以保证巷道的安全运输生产。

图4　掘进期间巷道表面位移

5　结束语

对于破碎围岩巷道，金属网不仅仅是防止破碎岩层直接垮落，更主要的作用是传递锚杆的锚固作用，与锚杆形成整体的支护系统。模拟计算表明，与单纯的锚杆支护相比，锚网支

护的围岩应力分布更加均衡，对围岩的稳定性控制效果也更好。在凉水井42111辅运巷进行工业试验，在锚网支护形式下，没有出现碎石垮落的现象，巷道变形也都控制在合理的范围内，取较好的支护效果。

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（编辑：刘新光）

Mechanism Simulation of Metal Mesh in Bolt-mesh Support

YAN Haiping1, YUAN Kun2
(1. Shenmu Huisen Liangshuijing Mining Co., Ltd., Yulin 719319, China; 2. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Bolt with metal mesh is commonly used in roadway supporting. To analyze the impact of the metal mesh on the bolt support quantitatively, FLAC3Dfinite difference software was adopted tosimulate and compare the bolt support and bolt- mesh support. The results showthat the mesh could homogenize the surrounding rock stress and reduce the region of stress concentration, deformation of each point, convergence ofroofand floor, and plastic zone ofsurroundingrock.

Keywords:metal mesh; numerical simulation; finite element

作者简介：闫海平（1988-），男，山西忻州人，大学本科，助理工程师，从事巷道支护及稳定研究。

收稿日期：2015- 10- 26

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.012

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0038- 04

中图分类号：TD325

文献标识码：A