不对称软岩巷道支护设计的优化分析.pdf

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1、2010年4月矿业安全与环保第37卷第2期不对称软岩巷道支护设计的优化分析考四明，宫能平，祁建奎(1．安徽理工大学应用力学研究所，安徽淮南232001；2．丰海建筑工程设计(沈阳)有限公司，辽宁沈阳110002)摘要：通过建立三维模型，对不对称软岩巷道支护进行数值模拟，较真实地模拟出锚杆的间排距和直径对巷道变形的影响，克服了二维数值模拟的不足；并且选用绝对位移量作为比较量，以便于根据围岩变形的连续情况找出关键部位，进行二次加强支护，从而得出较为合理的优化参数，可为支护工程设计施工提供技术支持。关键词：软岩巷道；锚杆支护；数

2、值模拟；不对称中图分类号：TD353文献标志码：B文章编号：1008—4495(2010)02—0086—03锚杆支护作为一种“主动”支护手段，以其独特图1。模型中间夹2个软弱岩层，其厚度分别为的力学效应、简便的施工工艺和经济的造价，在地下0．5m和0．6m，混凝土喷层厚度为100mm。锚杆支工程支护中得到越来越广泛的应用。煤矿锚杆支护护参数采用涡北煤矿现行使用的参数，直径为设计方法已经从过去简单的经验法、计算法，发展到22mm的普通螺纹钢锚杆，长2200mm，锚杆间排距以数值计算、现场监测为基础的动态信息反馈设计为800

3、mm×800mm进行支护。法。但是，目前我国许多矿区还是以经验法设计为主，再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，使锚杆支护参数难以确定。如果锚杆参数设置偏小，则安全性不高，后期维修困难；如果锚杆参数设置偏大，造成支护成本增加，经济效益不好。在此采用三维数值模拟方法对涡北矿北翼轨道大巷进行初步设计，就锚杆的直径和间排距进行分析。1工程概况及数值模拟简介涡北煤矿北翼轨道大巷设计断面为直墙圆拱图1计算模型图形，净宽4．8m，净高4．05m，巷道埋深一640m。巷道大部分岩层与水平方向的夹角约为30。，岩性以砂采用

4、线形Drucker—Prager塑性屈服准则，模型岩为主，分层伴有炭质泥岩，岩体较破碎，中间裂纹材料参数见表1。发育明显。根据地质钻探资料，北翼轨道大巷附近表1模型材料参数还有几处小断层。由于特殊的地质环境，拟采用不试件材料G髓自黏摩对称模型，支护方式为锚喷支护。Pa数值模拟岩体采用三维实体单元，为计算和显示结果的方便，混凝土喷层也采用三维实体，锚杆和围岩的相互作用通过嵌入单元进行连接，实施全长采用新奥法(NATM)开挖巷道，实行全断面开锚固计算。考虑边界条件对模型巷道部分的影响，最后建立的模型高30m、宽32m、厚16．

5、0m，见挖，每开挖完一个断面后，施加锚杆及衬砌，依次进行，直到全部巷道开挖完成。由于受计算机资源的收稿日期：2009—04—22；2009—09—01修订限制，仅模拟16．0m巷道，每步开挖1．6m，采用刚作者简介：考四明(1980一)，男，安徽凤台人，讲师，主要度折剪法，利用单元生死技术来控制开挖过程，分析研究方向为岩石力学、地下工程结构数值计算。E—mail：步骤如下：kaosiming@163．corn。1)初始地应力平衡；·86-2010年4月矿业安全与环保第37卷第2期2)第一步巷道开挖(释放部分荷载，采用30％

6、)；由图3__4可以看出，改变锚杆的直径大小，对3)安装该段内锚杆与衬砌；巷道变形产生了一定的影响。随着直径数值的增4)释放该段内剩余应力；加，巷道顶板和两帮位移量都相应减小，底板位移量5)重复步骤2)-4)，直至整条巷道开挖完成。在局部阶段有小幅上升，但总体趋势还是降低，并且开挖完成后得到径向应力分布见图2。通过变化量较小。其原因可能是在直径为14mm时，锚图2可以看出在巷道周边，由于锚杆支护作用，围岩固体支承作用不明显，控制不了围岩变形，所以四周形成了一个承压层，围岩的应力状态由二向变为三变形都较大；在16～22mm时

7、，锚杆起到控制作用，向，由弹性力学知围岩将趋于稳定，同时也可以看到这时顶板两帮位移减小，但由于顶板被控制，使上覆软弱夹层处围岩的应力发生错位。岩体的压力通过两帮传到支护薄弱的底板，造成底板位移不减反而小幅增加；到直径为24mm时，锚固体对顶板起到较好的控制作用，顶板得以稳定，此时巷道周边位移均突然减小。由图3还可以看出，在锚杆直径为20mm以上时，对围岩的控制效果较好，20mm和22mm位移曲线较光滑，巷道周边变形连续，24mm时局部点位移减小迅速，如果锚杆密度过大，有可能出现应力集中点，不能实现和围岩的耦合支护。图2径向

8、应力分布图3锚杆间、排距对围岩变形的影响2锚杆横截面直径对围岩变形的影响对于软岩巷道的支护，目前工程界比较认同的是实施联合支护。常见的有锚网喷，或根据实际情在锚固力足够大时，锚杆直径的增大，可以提高况在此基础上再加可伸缩U型架结构。在锚网喷支锚杆的抗拉能力，增大锚杆的抗剪切能力。为了观察护中，锚杆起到骨