有限元数值模拟在斜坡道施工开挖中的应用.pdf

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1、2012年12月中国矿山工程Dec．，2012第41卷第6期ChinaMineEngineeringV01．41NO．6有限元数值模拟在斜坡道施工开挖中的应用Applicationoffiniteelementnumericalsimulationinrampconstruction饶运章，张志飞，刘后明(江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州34100)摘要：在现有巷道围岩稳定性研究及地下工程施工开挖过程数值模拟理论和分析方法的基础上，通过分析斜坡道施工过程中引起的围岩应力、应变状态及支护结构力学行为变

2、化过程，获得了围岩应力和位移变化规律，为斜坡道的施工设计、安全管理提供理论依据。关键词：有限元；数值模拟；斜坡道；施工Abstract：Onthebasisofstabilitystudyofpresentroadwaysurroundingrockandthetheoryandanalysismethodofnumericalsimulationofundergroundengineeringexcavation，throughanalyzingthechangeprocessofrockstress，s

3、trainstateandsupposingstructuremechanicsduringtherampconstruction，thevariationofrockstressanddisplacementwereobtained．Thoseresultscanprovidetheoreticalsuppo~forrampworkingdesignandsafetymanagement．Keywords：finiteelement；numericalsimulation；ramp；constructio

4、n●1—日一IJ—吾—一我国地下矿产资源丰富，随着国民经济的快速发展，对资源的需求量日益增多，地下矿产资源的开发利用不断扩大。自60年代以来，由于无轨设备的迅速发展，斜坡道开拓作为地下矿山开拓的一种新方式开始得到越来越广泛的应用，与此同时，在斜坡道施工开挖过程中面临的地表沉降、巷道变形和破坏等问题也Et显突出，严重影响巷道围岩的稳定性。因此，研究地下矿山巷道围岩的应力一应变规律及其稳定性显得十分重要，对于保证斜坡道施工开挖质量、确保施工安全和提高经济效益有重要意义。近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟

5、作为一种力学计算方法在学术和工程界成为解决地下工文章编号：程问题的有力工具，尤其在岩土力学方面得到广泛应1672—609X(2Ol2)06—0008—04用，如边坡、水坝、硐室、公路隧道以及矿山巷道、采场地中图分类号：TD322~．4压等岩体的稳定性分析。而有限元数值模拟方法是其文献标识码：A中最重要的方法之一，在模拟岩体力学变化上较为精收稿日期：2012—03—07确，是解决各类岩体力学问题的一种有效的数值模拟方修订日期：2012—07—05法。本文采用二维弹塑性有限元数值分析法对某矿山佳童筒佥；缝鎏童(

6、=)曼，鏊主斜坡道的施工开挖进行数值模拟计算，通过分析斜坡授，主要从事采矿工程和环境岩道开挖、支护后围岩的应力、应变状态及其稳定性评价，土方面的教学与科研工作。为斜坡道的施工设计、安全管理提供理论依据。2工程概况本次研究的是某铜矿山开采的主运输巷道斜坡道第6期饶运章等：有限元数值模拟在斜坡道施工开挖中的应用．9．的开挖围岩稳定性和支护效果。该斜坡道围岩主要选取，结果如表1所示。其中，锚杆采用长度2．8m、是中细粒花岗岩，硬度系数为8～10，属于稳固一基直径20mm的树脂锚杆，锚杆间距720mm。本稳固型。主

7、斜坡道净断面6．1mx3．9m(净断面积表1围岩与支护材料物理力学性质22．Olm)，坡度约一14．78％。斜坡道表土段水文地质条件相对比较简单，涌水量较小，表土段总厚度薄，施工工作相对比较方便，由于开口处土质松软且薄(第四纪土层)，顶板不易维护，采用斜坡道明挖；由于硐口服务年限较长，采取锚杆+混凝土支护，有利于斜坡道硐口长期稳定安全。斜坡道具体的结构尺3．3计算模型的建立寸如图1。因本文研究的斜坡道问题符合平面应变问题，卜所以本次数值模拟分析可作为平面应变问题来，r十处理。为消除边界效应，考虑二维模型范围

8、为三1850I＼＼·’f／r14，40mx40m的正方形，斜坡道处于模型中心。采用I0ln8Plane42平面应变单元模拟围岩，支护混凝土单元为寸Beam3平面梁单元。j／I，『1根据地应力测量数据反演分析，该矿山斜坡道IA．2400一量f＼／6：围岩应力以自重应力为主。在自重应力条件下，模一型边界条件为：左右两边界施加水平方向约束，底边图1主斜坡道断面结构示意图施加垂直方向位移约束，顶部自由加载。按照以上条件生