锚杆支护参数的数值模拟分析与确定

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万方数据第23卷第4期采矿与安全工程学报V01．23No．42006年12月JournalofMining&SafetyEngineeringDec．2006文章编号：1673—3363(2006)04—0398—04巷道锚杆支护参数的数值模拟分析与确定伍永平，杨永刚，来兴平，解盘石(西安科技大学能源学院，教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安710054)摘要：石嘴山一矿+600m轨道巷处于复杂应力环境中，其合理的支护形式及参数的确定值得深入分析．为了给现场锚杆支护参数的设计提供理论依据，采用有限元软件ANSYS对该轨道巷锚杆的支护参数进行研究．在研究中摒弃了目前大多以应力一应变为分析对象的做法，从模型的不同映射路径入手，分析了巷道发生塑性破坏的区域，划分了巷道周边的安全系数等级．数值计算结果与现场监测信息表明，巷道底部和角部是破坏程度相对较大的区域，将数值模拟结果应用于施工能够取得良好的支护效果．关键词：复杂应力环境；塑性；安全系数；ANSYS中图分类号：TD353文献标识码：ANumericalSimulationandofBoltParametersofDeterminationRoadwaysWUYong—ping，YANGYong—gang，LAIXing—ping，XIEPan-shi(SchoolofEnergyEngineering，KeyWesternChinaLaboratoryforCoalExploitationDevelopmentandSafetyfortheMinistryofEducation,Xi’anUniversityofScience＆Technology，Xi’an，Shaanxi710054，China)Abstract：ThetracktunnelattheJevelof+600minShizuishanNo．1coalminehasacomplexstresscondition．Therefore，reasonablesupportingformandsupportparameterswereworthyofstudying．BoltparametersofthetracktunnelweresimulatedbyusingthefinitesoftwareANSYSinordertoprovideatheoreticalbasisfordesigningsupportparameters．Inthispaper，theprevailingmethodofregardingstress—strainasanalysisobjectatpresentwasspurned．However，thezoneofplasticfailurearoundtheroadwaywasanalyzedthroughdifferentmappedpathsofmodelandthesafetyfactorlevelaroundtheroadwaywaspartitioned．Thenu—mericalsimulationandin-situmonitordatashowthatthemoreseverelybrokenareasareatthebottomandcornerofroadways．Goodsupporteffectcanbeachievedafterapplyingtheresultofnumericalsimulationtoin—situconstruction．Keywords：complexstresscondition；plasticanalysis；safefactor；ANSYS锚杆作为一种“主动”支护手段，以其独特的力学效应、简便的施工工艺和经济的造价，在地下工程支护中得到越来越广泛的应用．煤矿锚杆支护设计方法已经从过去简单的经验法、计算法，发展到以数值计算、现场监测为基础的动态信息反馈设计法．但是，目前我国许多矿区还是以经验法为主，再收稿日期基金项目作者简介通讯作者加上复杂围岩环境条件的随机性及锚杆施工过程的隐蔽性，使得锚杆支护参数难以确定，锚杆支护的合理性、安全性无法保证．宁夏煤业集团石嘴山一矿目前开采深度已达750m，是中国西北地区开采最深的矿井之一，矿压显现非常剧烈，巷道底鼓严重，支护困难，影响了2006——06——06教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04—972)伍永平(1962一)，男，陕西省汉中市人，教授，博士，从事矿山压力及开采方法方面的研究杨永冈0E-mail：yy90919@126．comTel：13227794816 万方数据第4期伍永平等：巷道锚杆支护参数的数值模拟分析与确定安全生产．+600m轨道巷是38区煤炭资源开采所需要的关键性工程，如何有效加固与合理支护该巷道的围岩，控制其变形，对石嘴山一矿乃至宁夏煤业集团的安全绩效具有举足轻重的作用，这一问题亟待解决口‘2]．由于目前采用的支护手段是锚喷支护，因此，支护过程中锚杆参数的选择意义重大．本文以现场调查为基础，对巷道开挖后围岩破坏状态进行了ANSYS数值模拟分析，并结合监测信息为现场施工提供了理论依据[3。4]．1现场工程地质特征石嘴山一矿38区+600m轨道巷处于98煤底板砂岩中，其节理、裂隙发育，岩石破碎，施工过程将穿过F11断层(倾角70。，落差0～16m，断层破碎带影响范围约100m)及其破碎带．其工程地质特征为：1)采深大；2)岩层软弱破碎；3)构造及应力环境复杂；4)有煤与瓦斯突出倾向；5)水与应力耦合作用对巷道有明显的影响。2数值模拟计算ANSYS是一种计算机辅助工程设计分析类软件，其理论基础为有限元的变分原理．它能模拟弹性模型、非线性模型及弹塑性等多种材料模型；独特的单元死活控制，可以有效模拟巷道开挖与支护的问题．计算时作如下假设：、1)巷道问题符合平面应变问题，故采用二维的计算模型．2)根据采矿理论，考虑到巷道埋深较大，并且存在构造应力的影响，取应力集中系数为1，此时模型上边界和左右边界的荷载大小可根据海姆公式得到．3)为了消除边界效应，根据圣维南原理，将模型大小设置为巷道宽度的5倍，巷道处于模型中心．在分析中，采用Drucker—Prager理想弹塑性本构模型，该模型计入了中间主应力的影响，又考虑了静水压力的作用，克服了Mohr—Coulomb准则的主要弱点嘲，采用PLANE42单元模拟围岩，用SHELL单元模拟混凝土喷层．由于本次研究的主要目的在于考虑开挖后巷道周边的塑性破坏区域，因此在此次模拟中，巷道开挖后只对巷道进行了喷射混凝土的初期支护，起到封闭围岩的作用．计算采用的岩体力学参数见表1，建立的模型见图1．表1岩体力学参数Table1Mechanicalparametersofrockmass。☆厚度容重y／黏聚力内摩擦角弹性模量泊松比二白仲h／m(kN．m一3)C／MPa妒／(。)E／MPa卢地表图t二维数值计算模型Fig．1Two-dimensionalnumericalsimulationmodel3计算结果及分析3．1安全系数分析在巷道周边取一微元体，对于微元体上任意的截面，该截面与第一主应力的夹角为0，此时截面上的正应力与剪应力分别为％一!宰!+生≯cos20，(1)。一半sin20．(2)根据Mohr—Coulomb准则定义安全系数F为F：—C--an—tan6p．(3)rn式中：妒为内摩擦角；C为黏聚力，在有限元软件中定义拉为正，压为负；C一％tan9为阻止微元体破坏的力；o为破坏力．将公式(3)对2口进行求导可以得到微元体可能的破断面与正应力的夹角，即c。s2吼一苦案蒹瑞．㈤将公式(4)得到的夹角值代入定义的安全系数公式(3)，可以得到该微元体的安全系数，同理可以得到巷道周边各点的安全系数值．图2为绘制的巷道周边的安全系数等值线．根 万方数据400采矿与安全工程学报第23卷据安全系数的定义，当F≥1时围岩是稳定的．由图2可以看出，等值线B安全系数值为0．9<1，同时与巷道邻空面相交，认为此处的围岩有破坏的可能．在等值线C处安全系数值为1．42>1，同时为安全起见，留有储备系数0．42，认为围岩安全系数大于1．42时为稳定[6]，对应的应加强支护的区域为巷道径向2．4m的范围内．同时可以看出在巷道角部位置安全系数较其他部位偏低，说明在这些部位出现了应力集中，锚杆的长度应适当加长口]．同时，在距巷道周边同等深度范围内巷道底部安全系数值较顶板和两帮低，说明巷道底部破坏程度是相对较大的．A．0412B．0．92lC．1．429D．1．937E．2．446F．2．954G．3．463H．3．971I．4．479图2巷道周边安全系数Fig．2Safetyfactoraroundtheroadway3．2塑性区特征分析由于矿井的开采深度达到750m，且构造应力较为复杂，在此深度上的岩体可界定为工程软岩[8]，此时巷道周边位移大小已经不能准确反映出巷道的破坏情况，以塑性区范围的大小作为判别标准更为合理．在此次分析中，采用路径映射的方法，该方法能直观地判断沿巷道围岩径向上的应力变化和围岩内部的应力特征．30曩25农20基15狰l。5距巷道周边距离，m(a)顶部在分析中，选取了巷道顶部、底部及两帮共8条路径进行了分析，其路径布置如图3所示．由图3中的塑性区等值线可以看出，在巷道的底部比顶板和两帮出现的塑性破坏范围均大，并且在同一深度范围内巷道的角点处的等效应力比其他部位要高2MPa，约15％，说明在巷道底部和角点处是支护中应引起重视的部位[9]．A．8．16MPaB．10．60MPaC13OOMPaD．15．40MPaE．17．80M噼aF．20．20Ⅳ【PaG．22．60MPaH．25．00MPaI．27．40MPa图3塑性区等值线及映射路径Fig．3Contourofplasticzoneandpathset在图4a，b中，在巷道顶部2．4m的范围内，应力发生突变，由29MPa迅速降低到了13MPa左右，而后趋于稳定，说明在此范围内，巷道周边围岩进入了塑性状态，而在2．4In范围之外，围岩处于弹性状态．在图4c中，巷道底部塑性区范围达到了3．5m．路径7和8的等效应力由19MPa降低到了9MPa左右，说明在巷道底部3．5m的范围内是应加强支护的区域．路径6处于巷道中轴位置，该路径起始点(巷道底板中间)等效应力为9MPa，远远低于底板内部1In处的应力，说明此处的围岩已经出现塑性破坏．距巷道周边距离／m(b)两帮20皇18晏M毯14藜12lO80510152025距巷道周边距离／m(c)底部图4巷道周边等效应力分布及特征Fig．4Equivalentstressdistributionaroundroadway3．3现场监测结果根据巷道两帮锚杆轴力监测结果(图5)，可以看到在测表1和2监测的锚杆轴力由1MPa分别上升到了11MPa和7MPa左右，说明现场采用的锚杆发挥了锚固作用，锚杆长度2．41TI是能够起到良好支护效果的．测表3和4由于布置在受F11断层影响的区域内，锚杆失效．由图6可以看出．巷道顶底板移近量较大，其中主要是由于底鼓造成的，底鼓的发生导致了整个巷道的较大变形，这与本次的数值模拟结果相一致．总之，无论是从塑性破坏角度还是从安全系数角度出发，巷道周边应加强支护的区域在2．4m范围内，现场采用的锚杆长度2．4m是可行的．同时，巷道角部和底部是破坏程度相对较大的，虽然巷道顶部和两帮围岩得到日鲁∈R趟籁蜘 万方数据第4期伍永平等：巷道锚杆支护参数的数值模拟分析与确定401了控制，但使得应力向巷道角部和底部转移，使此处围岩首先破坏，继而导致整个巷道的失稳．建议施工中加强监测．12lO重8霸642O耋嚣04_2905一0905一1605．2306—0206—0905-0505．1205．1905．2706．0606．12监测日期，(月一日)图5锚杆轴力一时间曲线Fig．5CurveofboltaxisforceVStime0102030405060708090时间／d图6顶底板移近量曲线Fig．6Curveofroofandfloordeformation4结论1)在充分考虑了现场的工程地质环境后，采用塑性理论分析方法，划分了巷道周边破碎区、塑性区和弹性区的大致范围；采用安全系数分析方法得到了巷道周边安全系数等级，明确了支护对象及范围．结合现场锚杆监测信息，得到将数值模拟计算的结果应用于施工能够取得良好支护效果．2)数值计算结果表明，巷道顶底板移近量较大，其中主要是由底鼓造成的，底鼓的发生导致了整个巷道的较大变形，与现场观测相一致．3)开采扰动下的巷道变形较大，地质构造和地下水对其施加了不同的耦合作用，建议在后期的施工过程中加强监测．参考文献：来兴平．西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制[J]．北京科技大学学报，2004，26(1)：1-3．LAIXing—Ping．Deriveddynamicdisastersoflargescalemined-outareaforwestcoalmines[J]]．JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing，2004，26(1)：1-3．周宏伟，谢和平，左建平．深部高地应力下岩石力学行为研究进展I-J]．力学进展，2005，35(1)：91—99．ZHOUHong-wei，XIEHe—ping，ZU0Jian—ping．Developmentsinresearchesonmechanicalbehaviorsofrocksundertheconditionofhighgroundpressureinthedepths[J]．AdvancesinMechanics，2005，35(1)：91-99．李宁，SWOBODAG．当前岩石力学数值方法的几点思考I-J]．岩石力学与工程学报，1997，16(5)：502—505．LINing．SWOBODAG．Discussionontheapplica—tionofnumericalmethodstorockmechanicsanden—gineering[J]]．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，1997，16(5)：502—505．何满潮．第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C]．北京：科学出版社，2004：88—94．蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程VM]．北京：科学出版社，2004：219-228．陈东印．地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析[D]．泰安：山东科技大学资源与环境工程学院，2005．兰永伟，高红梅．深部巷道支护中的数值计算[J]．矿山压力与顶板管理，2005，22(3)：26—27．LANYong-wei，GAOHong—mei．Numericalcalcula～tionofthesupportundergroundtunnelindeepmin～ing[J]．GroundPressureandStrataControl，2005，22(3)：26—27．何满潮，袁和生，靖洪文，等．中国煤矿锚杆支护理论与实践l-M]．北京：科学出版社，2004：46—50．陈云浩，冯震海．应力场对锚杆支护影响的数值分析[J]．矿山压力与顶板管理，1998，15(1)：54—56．CHENYun-hao，FENGZhen—hai．I。argedeformationnumericalanalysisontheinfluenceofgroundstressfieldonboltsupportedextractiongallery[J3．GroundPressureandStrataControl，1998，15(1)：54—56．]Ⅱ瞳口H口凹口豳凹枷瑚瑚渤瑚渤瑚卯。铷 巷道锚杆支护参数的数值模拟分析与确定作者：伍永平，杨永刚，来兴平，解盘石，WUYong-ping，YANGYong-gang，LAIXing-ping，XIEPan-shi作者单位：西安科技大学,能源学院,教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西,西安,710054刊名：采矿与安全工程学报英文刊名：JOURNALOFMININGANDSAFETYENGINEERING年，卷(期)：2006，23(4)引用次数：2次参考文献(9条)1.来兴平西部矿山大尺度采空区衍生动力灾害控制[期刊论文]-北京科技大学学报2004(1)2.周宏伟.谢和平.左建平深部高地应力下岩石力学行为研究进展[期刊论文]-力学进展2005(1)3.李宁当前岩石力学数值方法的几点思考[期刊论文]-岩石力学与工程学报1997(5)4.何满潮查看详情[会议论文]20045.蔡美峰.何满潮.刘东燕岩石力学与工程20046.陈东印地下工程预应力锚杆支护数值模拟分析[学位论文]20057.兰永伟.高红梅深部巷道支护中的数值计算[期刊论文]-矿山压力与顶板管理2005(3)8.何满潮.袁和生.靖洪文中国煤矿锚杆支护理论与实践20049.陈云浩.冯震海应力场对锚杆支护影响的数值分析1998(1)相似文献(3条)1.学位论文简浩含水节理岩体损伤演化的CT实验分析及数值模拟研究2002该文首先介绍了论文实验所采用的CT无损检测技术及其在岩土工程中的应用,以及自行设计的和CT机配套的可注水加载系统,并分析了考虑渗流压力下节理岩体损伤演化的地质基础.在此基础上,运用模型材料,进行了无水含单裂纹试件单轴压缩实验、无水含双平行裂纹试件三轴压缩实验、含高压水单裂纹试件单轴(三轴)压缩实验以及三向应力下含单裂纹试件的水压致裂CT实时扫描检测实验,观察记录了试件中裂纹扩展、闭合、再扩展直至贯通的全过程,得到了实验各阶段清晰的CT扫描图和试件各部位的CT数及方差.通过对实验结果的分析和CT扫描成像的三维重建功能,从细观和三维的角度得到了各种不同的应力环境下,节理岩体裂纹扩展机理和损伤演化规律,分析了渗透压力及围压对节理岩体破坏的影响.推导了用CT数表示的节理岩体在有(无)渗透压力作用下损伤变量的表达式,提出了损伤阀值和损伤演化率的概念,并对各实验结果进行了比较,探讨了复杂应力环境对节理岩体破坏的影响.建立了考虑水压和损伤情况下节理岩体的计算模型,推导了在有渗透压力作用下节理岩体的损伤断裂判据和水压致裂的临界水头压力值.为适应工程需要,根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量变化,建立了能量损伤演化方程,并建立了渗流场和损伤场共同作用下三维脆弹性和弹塑性本构方程.通过算例进行了验证,结果令人满意.2.期刊论文韦四江.马建宏.李小军.WEISi-jiang.MAJian-hong.LIXiao-jun返修大断面硐室加固及数值模拟研究-采矿与安全工程学报2009,26(2)在分析硐室围岩岩性、软弱围岩流变、复杂应力环境及原支护结构失稳的基础上,结合软岩巷道围岩控制理论,提出了以全长锚固锚杆、锚索增强国岩整体性和自承载能力的主动支护,并以底板锚注加底拱返修加固.采用FLAC3D软件对原支护方案和返修加固方案进行了数值模拟,结果表明:修复加固后,最大主应力峰值外移,塑性区范围减小,围岩承载能力增强,两帮移近量41.4mm,顶板移近量22.1mm,底鼓量6.45mm,支护受力合理.现场工业试验表明:经过50～90d的矿压观测,硐室变形量小于20mm,变形速率小于0.5mm/d,修复加固取得了成功.3.学位论文王文海新型含微量高熔点金属无铅焊料的性能研究2006铅和铅的化合物被美国环境保护协会列为17种对人类和环境危害最大的化学物质之一，世界主要国家先后通过立法限制或禁止含铅焊料在微电子封装器件中的使用。研究绿色无铅焊料以取代传统的锡铅焊料具有重大的、紧迫的现实意义。有研究表明，在SnAgCu系列焊料中添加微量(0.1％wt)Ni、Co、Fe等高熔点金属能对焊料的熔化特性和基本力学性能起到改善的作用，但对焊料浸润性能及时温相关力学特性的影响未见报道。而且添加高熔点金属的尝试也仅限于SnAgCu系列焊料，近年来的研究热点SnAgBi和SnZn系列焊料在添加高熔点金属这一领域还研究较少。在本文中将熔化特性、浸润性和基本力学性能(包括极限抗拉强度、O.2％非比例伸长应力、断后延伸率、杨氏模量四个参数)这三方面性能称为焊料的基本性能，它们基本上决定了新型无铅焊料能否应用于大规模生产以及在服役过程中的可靠性。除了基本性能之外，由于电子器件在工作期间往往会发热，并且焊料的熔点或者固相点普遍较低，环境温度的升高对焊料力学性能也有巨大的影响，因此有必要研究焊料在不同环境温度下的力学性能，即时温相关的力学特性。此外，焊料的宏观性质是由它们的微观结构决定的，所以本文研究了部分代表性焊料的显微组织，从微观角度对焊料宏观性质的差异做出了解释。本文最后通过拟和得到了针对Sn3Ag3BiO.5Cu0．1Ni的Anand粘塑性模型的全部9个参数，可用于预测各种复杂应力环境下焊料的行为。本文首先通过比较添加微量高熔点金属Ni、Co、Fe前后SnAgCu系，SnAgBi系，SnZnAg系和SnZnBi系焊料的基本性能参数得出了不同高熔点金属对不同系列焊料基本性能参数的影响。同时，本文还分析了一个重要的拉伸试件制备条件——冷却速度对基本力学性能的影响。接下来本文进一步研究了了Bi和Ni两种元素对SnAgCu系列焊料微观结构、基本性能和时温相关力学特性的具体影响。最后还通过非线性拟和的方法得到了针对Sn3Ag3Bi0．5CuO．1Ni的Anand粘塑性模型的9个材料参数。研究结果表明，添加微量高熔点金属Ni对SnAgCu、SnAgBi、SnZnAg、SnZnBi系焊料基本力学性能有比较明显的改进。Ni还能比较明显得提升SnAgBi系列焊料的浸润性。随着温度的升高，Bi对焊料固溶强化的作用会逐渐下降，但0.1％的Ni掺杂能够有效得抑制固溶强化作用的下降。采用非线性拟和的方法得到的Anand粘塑性模型可用于焊球的疲劳计算模拟及其它复杂应力过程的分析。引证文献(2条) 1.杨永刚.张海燕预应力锚索加固机理的数值模拟分析[期刊论文]-煤2009(6)2.杨永刚.张海燕巷道支护效果各影响因素的数值模拟分析[期刊论文]-采矿技术2009(4)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ksylydbgl200604005.aspx下载时间：2010年5月18日