随着煤矿开采重心持续向深部和西部转移,深部高地应力和西部弱胶结软岩等地质条件愈发增多,这给巷道支护带来了巨大的挑战,常规锚网喷支护显然难以满足此类巷道支护需求。目前,高承载力的拱架成为软岩巷道支护的重要方式之一。然而,现在对围岩-拱架接触关系及其力学效应的认识仍不充分,导致设计的拱架支护能力没有在现场得以充分发挥。针对该关键问题,本文开展了以下主要工作。(1)软岩巷道围岩-拱架接触行为特征及演化过程研究分析了软岩巷道围岩及拱架支护现场实测数据,发现围岩与拱架间存在径向分离、环向摩擦滑动接触行为,此前较少有人关注。采用FLAC3D中的实体单元和接触面单元分别模拟拱架、围岩-拱架接触关系,开展了围岩-拱架接触基本单元直剪试验,围岩-拱架径向接触呈线弹性特性,环向接触呈弹塑性特性;进一步分析了接触参数的影响,摩擦角参数对接触作用影响最大。开展了围岩-拱架完整接触数值试验,得到了围岩与拱架径向接触应力-径向相对位移、环向接触应力-环向相对位移曲线,分析了围岩-拱架径向、环向接触作用演化过程,径向接触作用演化过程呈线弹性特性,环向接触作用演化过程呈弹塑性特性。该模型虽可进行围岩-拱架接触作用的分析,但因建模繁琐且数据获取困难而不适用于实际模拟工作。(2)考虑自身承载性能及与围岩接触关系的拱架数值模型开发针对Liner单元自身不存在屈服判据的缺陷,采用FISH语言编程,将拱架截面在压弯组合荷载作用下的屈服判据f(m,n)=1嵌入程序;当Liner单元所受轴力或弯矩达到设定的轴力和弯矩极限时,判定单元屈服,通过对其弹性模量折减实现拱架屈服。分别采用Liner单元原始模型、Liner单元修正模型、Beam单元修正模型进行围岩-拱架接触行为模拟,结果显示:Liner单元原始模型无屈服极限,Beam单元修正模型可描述拱架压弯屈服力学行为但无法表现围岩-拱架接触关系;Liner单元修正模型不仅能够相对准确的描述拱架压弯屈服力学行为,而且适用于对围岩-拱架接触关系的模拟,与围岩径向接触表现为线弹性特性,环向接触表现为弹塑性特性。(3)软岩巷道拱架联合支护体系数值模拟研究结合典型工程案例,基于开发的拱架数值模型和锚杆破断数值模型,开展了软岩巷道拱架联合支护体系数值试验。与Liner单元原始模型进行了对比试验,结果显示Liner单元原始模型方案拱架最大轴力达9000kN且巷道变形较小,与实际不符;Liner单元修正模型方案拱架最大轴力为2875kN,围岩收敛变形量较大且出现支护屈服失效现象,进一步验证了所开发拱架模型的有效性。开展了四种不同拱架类型对比试验,结果显示四种拱架支护能力由强到弱依次为SQCC150 8方钢管混凝土>CCC159 8圆钢管混凝土>U36型钢>22b工字钢,其塑性区体积分别为72m3、74m3、78m3、83m3;开展了不同地应力等级和侧压力系数影响对比试验,结果显示围岩变形量、拱架失效破坏程度及锚杆破断量与地应力等级呈正相关,竖向地应力等级越大,巷道变形量、支护破坏程度逐渐增大,侧压力系数越大,顶板、底板围岩塑性区破坏范围越深入,支护破坏程度越大;开展了巷道不同位置壁后空洞影响对比试验,结果显示壁后空洞对支护稳定的影响较大,易导致支护失稳,其中拱顶空洞危害最大;开展了圆形巷道与直墙半圆形巷道对比试验,结果表明圆形巷道支护能力大于直墙半圆形巷道。基于上述结论得出巷道帮部拱架的屈服失效是导致拱架联合支护体系整体失效的开端,并基于此对直墙半圆形巷道拱架联合支护体系提出支护建议:①重视支护构件强度,危险截面可采用让压锚杆和钢管混凝土拱架;②针对直墙半圆形巷道易出现拱架屈曲的现象可在巷道帮部加装锁拱锚杆;③对于采用直墙半圆形巷道支护形式较难以维持稳定的工况,可采用圆形巷道支护形式。