有限元法在巷道掘进数值模拟研究中的应用.pdf

第 1 0 卷第 6期 2 0 1 2 年 1 2月 矿 业 工 程 M ining En g ine e r in g 59 计算机应用 有限元法在巷道掘进数值模拟研究中的应用 陈德 名 甘仕伟 王冬琳 ( 1 章源钨业股份有限公司 ，江西 崇义 3 4 1 3 0 0 ；2 武汉科技大学 ，湖北 武汉 4 3 0 0 8 1 ) 摘要 ：以淘锡 坑钨矿区开拓工程为依托 ，采用 w o r k b e n ch 1 4 0有 限元程序对 处于 大的节理 裂隙下巷 道 开挖 以及正 常情况 下开挖进行了数值模拟计算 ，分 析了两种 开挖情况 下 的围岩变化规律 。结果表 明，节 理 裂隙大 的情况对巷 道开挖的影响很小 ，与正常情况下 的开挖支护要求只是略有不 同。 关键 词 ：巷道 ；开挖 ；w o r k b e n ch l 4 0 中图分类号 ：TP 3 1 1 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 8 5 5 0 ( 2 0 1 2 )0 6 0 0 5 9 0 3 0 引言 矿山开拓过程 中，岩体 结构组 成对 巷道 开挖 有很 大 的 影 响 ，大的节理 裂 隙或结 构 断层 对施 工 提 出不 同 的要求 ， 对 应的支护方式也不 尽相 同。淘锡坑 钨矿 区北西 向 的裂面 较 平直 ，纵横延伸较 大 ，片理 带发育 ，断裂 泥和 糜棱 岩断 续 可见 ，节理裂隙势必 对巷道 开挖造 成影 响 。在 即将 开挖 的一条巷道侧上方 ，有 两条大 的节理 裂 隙，可能 对巷 道的 顺 利开挖造成影响 。为 了弄清楚 这些 影响并 选取 合理 的支 护 方式 ，本 文运用 wo r k b e n ch 1 4 0对该 区段 的巷道开 挖进 行 了数值模拟 。 1 工程概况 北 西向断裂走 向 3 3 0 。 3 0 0 。 ，倾 向北东 ，倾角 约 8 O 。 ， 断裂平直稳定 ，两壁光 滑且有 擦痕 ，略具 波状弯 曲和 膨缩 现 象 ，围岩 中可见大致 平行 的挤压 片理 ，该 组断 裂力 学性 质 显示 压扭特征 ，均切 割南北 向断裂 或矿 脉 。巷 道设 计为 半 圆形式 ，支护采用喷锚支护 。 2 数值模拟 Wo r k b e n ch l 4 0是 ANS Y S最新 推 出 的工 程 仿 真技 术 集 成平 台 ，其核心思想 是有 限元法 有 限元 法 的基本 思路 就是将 复杂的结构看 成 由有 限个单元 仅在 节点处 连接 的整 体 ，首先对每个单元分 析其特 征 ，建立 相关 的物 理量 之 间 的相互关系 。然后 ，依据 单元之 间的联 系再 将各 单元 组装 成 整体 ，从而 获得 整体 特 征方 程 ，应 用 方程 相 应 的解 法 ， 即可完成整个问题 的分析 2 。本 文利用 该 软件对 巷道 开挖 进 行了三维弹性数值模拟 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 6 1 5 作 者简介 ：陈德 名 ( 1 9 8 5 一) ，男( 汉族 ) ，江西崇义人 ，章源钨业 股 份有限公 司，担任测绘 助理工程师 ，主要从事矿 山测量与地压监 测 方面的工 作。 2 1 基本假定 在对巷道开挖进行模拟与计算时 ，主要考 虑大的节理裂 隙对巷道的影响，弱化其他因素的影响 ，结合具体情况进行适 当简化 ，因此作出几点假设 ：1 )隧道 围岩视为均质 ，各 向同 性的连续性介质；2 )不考虑构造应力的影响 ，只考虑 自重应 力的影响；3 )支护的弹性模量、泊松 比等物理量与围岩相同。 2 2建模考虑 选取计算模 型时 ，由圣 维南 原理 可知 ，巷道 对距 离其 3倍跨径区 内的影响最大 ，左 右两侧约 4 5倍 的跨距 ，上 部及下部边 界约 3 倍 巷道的高度 ，均满足边界条件 的要求 。 对 于节理裂 隙 ，用不规则连 续 的孑 L 洞进 行模 拟 ，孔洞 的排 列走 向与裂 隙走 向一致 。设 计资 料及 隧道设计 、施工 规范 选取本 次模 拟围岩物理力学参数如表 1 。 表 1 花 岗岩 的物理力学参数 属性名称 数值 弹性模量 GP a 泊松 比 容重 k N r r l 抗压强度 MP a 抗拉强度 MP a 6 O 5 0 2 3 2 7 8 1 2 6 8 9 6 2 3 模型的建立及边界条件 选取 1 0 01 0 01 0 0 m。 的模 型，巷道 高及跨度 为 1 0 m，采用半 圆拱 。节 理裂 隙为两条 ，置 于巷 道的斜上方 ， 走 向大 致相同。模型的边界条件 ：地 面在 Y 正方 向上 位移 为零 ，左右 在 X方 向位移为零 ，前后面在 Z方 向上位 移为 零，顶面为自由表面，见图 1 。为了与普通巷道开挖作对 比，从 而确定 相应的掘进 以及支 护方式 ，同时设 计 了一 个 没有节 理裂 隙的模型 ，如图 2