（采矿工程专业论文）全煤巷道锚杆支护参数数值模拟分析.pdf

河北理工学院硕士学位论文 摘要 本论文使用a n s y s 大型有限元数值模拟软件，编制了巷道锚杆长度和锚杆间距参 数改变时的三维巷道有限元模型，对各种地应力条件下的锚杆支护方案进行了模拟计 算，根据计算结果分析了巷道顶板的稳定性，计算分析了沿空巷道在不同埋藏深度下、 不同地应力条件下、当锚杆长度和锚杆间距改变时，锚杆支护结构和锚杆支护参数对沿 空巷道顶板稳定性的影响，研究了不同锚杆初始预紧力对沿空巷道顶板稳定性的影响。 取得了阻下的研究成果： l _ 在相同的地应力条件下，在相同的埋藏深度下，锚杆长度的改变不会对沿空巷 道顶底板的应力变化、顶底板的位移产生大的影响，巷道顶板的中部和底板的右角部是 巷道的最危险部位。锚杆长度越长，如果锚杆的初始预紧力不是足够大，则不自巨够有效 的控制巷道的离层，锚杼长度范围内的离层节点不能被有效地压合。在第二种地应力状 态下，当锚杆长度为1 5 m 时，锚杆的初始预紧力在8 t 左右时，对沿空巷道顶底板的稳 定性最为有利。 2 在锚杆长度、地应力、埋藏深度相同的情况下锚杆间距不同时，对沿空巷道顼 板的离层控制也有根大影响，但是，锚杆间距的改变不会对沿空巷道围岩的力学性能产 生太大的影响，锚杆间距的密度越大，所需的锚杆初始预紧力很小时，就可以达到控制 顶板离层的作用，增强沿空巷道项板的稳定性。相反，则需很大的锚杆初始预紧力才可 有效地控制沿空巷道顶板的离层。模拟计算得出当锚杆长度为2 1 m 时，在5 0 0 m 埋藏 深度时，当锚杆间距为0 6 m 时，初始预紧力达到8 t 时就可以控制顶板的离层，当锚杆 间距为0 9 m 时，锚杆初始预紧力达到2 0 t 时，才能将顶板范围内的离层压合。 关键词：锚杆支护沿空巷道数值攫拉全煤巷道a n s y s 河北理工学院硕士学位论文 a n s y sf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f h 胧l r ei sa d o r e dmt h i sp a p e r 佃a n a l y s i s g r o u n ds t r e s sf i e l da n db o l t i n gp l a nu n d e rd i f f e r e n tg r o u n ds t r e s sc o n d i t i o n sn et r i a x i a l i t y f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f r o a d w a y w a sa u t h o r i z e da b o u tt h ep a r a m e t e rc h a n g eo ft h er o c kb o l t l e n g t ha n dr o c kb o l ts p a c i n g 1 色er e l a t i o n sb e t w e e ng r o u n ds t r e s ss t a t ea n dt h es t a b i l i t yo f r o a d w a y w o ss t u d i e do nt h eb a s i so f n u n a e r i c a ls i m u l a t i o n a n da tt h es a m et i m et h ei n f l u e n c e o f t h es l n k n 粥a n d p a r a m e t e r o f r o c kb o l 位a gt ot h e s t a b i l i t yo f r o o f i n t h em a d a l o n g n e x tg o a l , w h e nt h el e n g t ha n ds p a c i n go fr o c kb o l tc h a n g e di nd i f f e r e n te m b e d d i n gd e p t ha n dd i f f e r e n t u n d e r g r o u n ds t l _ e s $ 1 1 屺i n f l u e n c ea b o u td i f f e r e n ti n i t i a lp r e s t r e s s i n gf o r c eo f r o c kb o l tt ot h e a b i l i t yo f r o o f o f r o a d w a sr e s e a b e c la c c o r d i n g l ys o m er e s e a r c ho u t c o m ei sd r a w na sf o l l o w s ： 1 a tt h es a m ec o n d i t i o n so f u n d e r g r o 吼ds t i 屯s sa n de m b e d d i n gd e p t h , t h ec h a n g eo f r o c k b o l t l e n g t h c o u l d n o l i n f l u e n c e t h e c h a n g eo f s t r e s sa n d d i s p h 抡e m e n l i l lr 0 0 f a n d f l o o r a tr o a d 1 1 l ec e n t r a ls e c t i o na n df i g h ta n g l ep a r ta r et h ed a n g e r o u sl o c a t i o no fr o a d w i t l i t h el e n g t ho fr o c kb o l ti n c r e a s e , t h ep r e * t e n s i o n i n gr o c kb o l tm u s tb eh i g he r l o u g l l ，o rt h e r o c kb o l tc o u l dn o tc o n t r o lt h es l i c eo fr o a da n dt h es l i c ep o i n tc o u l dn o tb cc l o s ey e t , a t t h es e c o n ds t r e s ss t a t e ，w h e nt h el e n g t ho fr o c kb o l ti s1 5 ma n dt h ep r e - t e n s i o n i n gr o c k b o l ti ss t , t h es t a b i l i t yo f r o o f o f r o a di sv e r yw e l l ， 2 a tt h es a m ea sl e n g t ho fr o c kb o l t , u n d e r g r o u n ds 乜 c s sa n de m b e d d i n g d e p t h ，w h e n t h er o c kb o l ts p a c m gd i f f e r e n tt h ei n f l u b 目a c ei sv e r yh i 曲a tt h ec o n t r o lo fs l i c eo fr o o fo f r o a d b u tt h ec h a n g eo fr o c kb o l ts p a c i n gc o u l dn o tc h a n g et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f s u r r o u n d i n g r o c ko rt h er o a da l o n gn e x tg o a l 1 1 wd e n s i t yo f r o c kb o l ts p a c i n gi sh i g h ：t h e 1 0 wi n i t i a lp r e - t e n s i o n i n gr o c kb o i tc o u l dc o n t r o lt h es l i c eo fr o o fo fr o a da n di n c i l 目a s et h e a b i l i t yo ft h er o a da l o n gn e x tg o a c o n t r a r y , t h eh i 曲p r e t e n s i o n i n gr o c kb o l ts h o u l db e u s e di no r d e rt oc o n t r o le f f e c t i v e l yt h es l i c eo fr o o fo f1 o a d ，w ec a nc o i 站l l l d et h r o u g h s i m u l a t ec a l c u l a t e , w h e nt h el e n g t ho fr o c kb o l ti s2 1 m ，t h ec e n c e a ld e p t hi s5 0 0 m ，t h e r o c kb o l ts p a c i n gi s0 6 m 。t h ep r e - t e n s i o n i n go f r o c kb o l ti ss t , t h es l i c eo f r o o f o f r o a d c a n b ec o n t r 0 1 w h e nt h er o c kb o l ts p a c i n gi so 9 m ，t h ep r e - t e n s i o n i n go f r o c kb o l tr e a c ht o2 0 t ， t h es l i c eo f r o o f o f r o a dw o u l db ec l o s e d k e y w o r d s ：b o l t s u p p o r t i n g , r o a da l o n g n e x tg o a l ；n u m b e rs i m u l a t i o n , f u l lc o a lr o a d ，a n s y s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 签名：盘矗强日期：塑净狷日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鑫墨疆 导师签名：垂全垒垂圣日期：竺! 年! 月日 河北理工学院硕士学位论文 引言 我国煤炭资源赋存条件复杂，煤炭资源丰富，煤炭产量居世界首位。据有关部门预 测，在未来2 0 - 5 0 年内，我国一次能源生产和消费的格局不会改变。在我国绝大多数煤 矿采用并工开采。巷道作为煤矿井下生产的脉络，每年巷道掘进和维护达千万米i 】j 。为 了保证巷道正常使用和工作安全，许多矿井每年不得不花费大量人力和支护材料对采准 巷道进行维护和返修。 在我国的煤巷的采准巷道中，大多是在仅考虑自重应力场的作用，没有考虑构造应 力场的影响。根据我国实测资料统计 2 】初始应力的垂直分量并不全等于上覆岩层的重量 ( yh ) ，有的高出许多倍。垂直应力口。与上覆岩层重量y h 之比变化于0 4 3 1 9 8 之 间。其分布情况为o ，y h = 0 v 1 2 占8 6 ，o 。y h i 2 占 6 9 4 0 j ”。根据国内外实测资料统计1 4 ，平均水平应力多大于垂直应力o 。，o1 。， 1 2 的统计百分比为：中国2 8 ，澳大利亚7 8 ，加拿大1 0 0 ，美国4 1 。因此我们应 该进一步研究构造应力场条件下采准巷道的合理锚杼支护形式和支护结构。 锚杆支护与传统支护方式相比，具有显著的技术、经济优越性。其主要表现在： 锚杆支护可充分利用围岩的自承能力将载荷体变为承载体；一般棚式支护和无预应力 锚杆支护属于“被动”支护，基本不具有初阻力，只是在围岩变形后，随着围岩变形 的增加，支架支护阻力随之增加，而高预应力锚杆支护属于“主动”支护，在锚杆安 装后，锚杆立即对围岩提供轴向或横向支护阻力，且随围岩变形支护阻力不断增加 6 1 ； 采用高预应力锚杆支护，般可比相同条件下的金属支架或普通锚杆支护成本降低2 0 - 6 0 。由于锚杆支护理论、设计方法还不完善，因此在煤巷推广锚杆技术是我国煤炭行 业继推行机械化采煤以后的第二次重大支护改革，是我国煤矿实现高产高效的关键技 术之一。 为了能够更好的研究煤巷锚杆支护，我们运用了a n s y s 软件来模拟煤巷沿空巷道 的锚杆支护参数，找出一套合理的锚杆支护参数。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 国内外锚杆支护技术及支护理论 1 1 1 国外锚杆支护发展概况 锚杆支护技术已经发展成为世界各国矿井巷道以及其它地下工程支护的一种主要 形式。旱在4 0 年代，美国、前苏联就己在井下巷道使用了锚杆支护，以后在煤矿、金 属矿山、隧道以及其它地下工程中迅速发展起来。到现在为止，世界锚杆支护经历了如 下过程；1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械式锚杆的研究和发展应用；1 9 5 0 1 9 6 0 年，采矿业广泛 采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；1 9 6 0 1 9 7 0 年，树脂锚杆推出并 在矿山得到应用；1 9 7 0 1 9 8 0 年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并应用，研究新的设 计方法，对长锚索有了一定的认识；1 9 8 0 年到现在，混合锚头锚杆、组合锚杆、特种 锚杆等得到应用，树脂锚固材料得到改进。 在世界各国中，美国、澳大利亚的锚杆支护技术日益成熟，因而锚杆支护技术使 用很普遍，在煤矿巷道中的支护比重几乎达到1 0 0 0 o f i 。欧洲一些主要产煤国家，过去 巷道支护主要采用金属支护，随着巷道支护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极 发展锚杆支护。在1 9 8 7 年以前，英国煤矿巷道支护9 0 以上采用金属支架，而且主要 是矿工钢拱形剐性支架，1 9 9 4 年在巷道锚杆支护所占比重已达到8 0 以上。与1 9 8 4 年 相比，英国煤矿矿井吨煤成本和巷道支护费用降低5 0 以上，回采工作面单产提高9 倍。支护质量和安全条件得到很大的改善 8 1 。法国锚杆支护的发展也很迅速，到1 9 8 6 年其比重已占到5 0 。在采区巷道中同时发展金属支架、锚杆支护、混凝土支架的俄罗 斯，锚杆支护的发展的特点是，研制多种类型的锚杆。德国是u 型钢支架使用最早、 技术上最为成熟的国家。自1 9 3 2 年发明u 型钢支架以来，u 型钢支架发展迅速，支护 比重很快达到9 0 以上，从井底车场一直到回采工作面两道u 型钢可缩性支架。但自 8 0 年代以来，随着矿上开采深度日益增加，矿井机械化开采程度提高引起巷道端面的 不断扩大，使得巷道匿岩变形量增加，维护日益困难。面临这种困境，德国采用不断增 加金属支架型钢重量、逐步减小棚距的做法，这不仅使巷道支护费用增加而且施工、 运输更加困难和复杂。为了改变巷道支护的困境，8 0 年代初期，德国在鲁尔矿区进行 了巷道锚杆支护实验，获得成功后进行推广，现已应用到千米矿井取得了许多有用的 经验。 一2 一 河北理工学院硕士学位论文 总结各国发展锚杆支护的经验，主要有以下特点： ( i ) 根据本国的围岩地质及生产条件，发展适宜的锚杆支护类型”i 。例如美国， 使用了树脂锚锚固钢筋锚杆、机械式锚杆、摩擦式锚杆、混合式锚杆等，澳大利皿、英 国主要发展全长树脂锚固金属锚杆；德国除发展树脂金属锚杆外，还发展伸长锚杆。他 们认为安装锚杆的主要目的是在围岩剧烈变形的条件下，能够控制巷道围岩的变形。 ( 2 ) 锚杆逐渐向着高强度发展。一是研制强度高并具有较好延伸率的材料；二是 加大锚杆直径。锚杆的材质可分为三类：一是普通锚杆，材料的屈服强度o 。 1 2 的统计百分比 为：中国2 8 ，澳大利亚7 8 ，加拿大1 0 0 9 6 ，美国4 1 。另外，在大多模拟实验中也仅 只考虑自重应力的影响。 其次是对高预应力锚杆的支护机理认识不充分。正如郭颂博士指出的，尽管高预应 力锚杆在美国使用已有一段历史，并取得了很好的技术经济效果，但人们对其作用机理 还缺乏认识，特别是还没有一个科学的设计依据去确定锚杆参数【6 。在我国主要使用没 有预应力或者低预应力的被动式锚杆支护，其锚固力低，锚杆密度大。 再次是我国的锚杆支护设计主要采用类比法，没有一套可行的设计规则。对锚杆支 护的失效机理认识不清，无法准确预报顶板冒落破坏。这使得锚杆支护应用范围还不广 泛。 最后是要不断发展锚杆安装机具，我国目前的锚杆钻机扭矩较小，提供的锚杆预 紧力一般在( 1 5 2 o ) 1 0 3 k g ，不能有效控制顶板的离层。应发展高扭矩的锚杆钻机。 1 1 3 巷道锚杆支护理论 在世界范围内，被广大科技人员和工程师接受的锚杆支护理论是悬吊理论、组合 梁理论和最大水平应力理论。这些理论适用于不同的围岩条件，得到了国内外的承认和 应用。近年来锚杆支护理论研究有了进一步的发展，提出了巷道锚杆支护理论和“刚性 粱”理论，进一步揭示了锚杆支护的实质，为巷道锚杆支护提供了理论指导。 ( 1 ) 悬吊理论 悬吊理论是对锚杆支护机理的最朴素的解释。锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软 弱岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的稳定性。如图1 1 所示。 河北理工学院硕士学位论文 悬吊理论最直观地揭示了锚杆的支护作用，在分析过程中不考虑围岩的自承能力， 而且将被锚固体与原岩体分开，与实际情况有一定差距，因此，其不足之处是明显的。 悬吊理论只适用于巷道顶板，不适用于两帮和底板。如果顶板中没有坚硬稳定 岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，受锚杆长度所限，无法将锚杆锚 囝1 - 1 锚扦的矗吊作用 f i g 1 1t h e s a s p m d f t m e t i o a o f r o e k b o l t 固到上面坚硬岩层或者未松动岩层上， ( 2 ) 组合粱理论 田1 2 锚杆的蛆台粱作用 f i g1 2 1 1 l e c 0 向血蛐l g 砌口矗m c 6 o f r o c k b o l t 悬吊理论就不适用。 组合梁理论是从经典的材料力学中借用而来的，在美国无拉力全长胶结锚杆盛行 时，组合粱理论被广泛用来解释锚杆的支护机理，其要点在于锚杆将各个薄的岩层贯穿 在一起形成一个厚的组合梁。薄的岩层能抗拒的拉应力较小，而厚的组合梁抗拉强度大 大提高。在锚杆与岩层面横交处，锚杆与胶结物一起菸同阻止岩层沿层理面的水平错 动。如图1 - 2 所示。但是，其也有不足之处，当顶板较破碎、连续性受到破坏时。组合 梁也就不存在了。 ( 3 ) 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盏尔( w j c - a l e ) 2 1 1 提出。该理论认为：矿井岩 层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最 小水平应力的1 5 - 2 ，5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，且有三个特 点：( 1 ) 与最大水平应力平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好； ( 2 ) 与最大水平应力呈锐角相交的巷道，其顶底板变形破坏偏向某一帮； ( 3 ) 与最大水平 应力垂直的巷道，项底板稳定性最差。 在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动而膨胀造成 一5 一 河北理工学院硕士学位论文 围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动， 因此要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起约束围岩变形的作 用。 在设计方法上，借助于计算机模拟不同支护情况下锚杆对围岩的控制效果，进 行优化设计，在使用中强调监测的重要性，并根据监测结果修改完善初始设计。 以上对目前国内外普遍承认的锚杆支护理论作了简要介绍，我们认为，任何一 种理论都有其适用的条件，理论工作者总是根据具体情况做一些简化和假设，突出 主要因素忽略一些次要因素，甚至一些虽然重要但限于目前的技术水平尚不能考 虑的因素。锚杆支护设计也必须考虑现场实际，找出哪些是需要重点考虑的主要因 素，哪些是可以忽略的次要因素，从而选择正确的支护理论和计算方法，避免生搬 硬套。 1 2 锚杆支护的作用机理 岩体经锚固后其峰值强度和残余强度均得到提高。但随着锚杆布置密度的增加，锚 杆对岩体残余强度的强化程度大于对峰值强度的强化程度。安装锚杆可有效地改善岩体 的参数。在峰值前，锚固体内聚力c 提高较小，而内摩擦力增摭较大；在峰后，恰恰相 反。而且锚杆更重要的作用是改变岩石的支护结构，在困难的条件下，顶扳锚杆的主要 作用是成拱作用。根据复合材料学观点，从材料介质的复合行为出发，锚杆支护可增强 顶板的韧性、强度、抗疲劳。提出了“压缩墙”新观点，解释了膨胀锚杆支护的作用机 理。在锚杆的膨胀应力作用下，整个岩体得以挤压加固，表面裂隙闭合，黏结力、内摩 擦角提高，由摩尔应力圆可知，围岩抵抗破坏的能力提高，也即提高了围岩的强度。由 于这种锚杆是全长锚固方式，使锚杆范围内的岩体形成一个强度高于普通岩体的压缩 墙，该范围内的岩体整体抵抗外部围岩的应力。同时。由于两帮的围岩强度、黏结力、 内摩擦角的提高使围岩由不稳定边墙转为稳定边墙，顶部冒落拱的跨度基本与巷道一 致，巷道趋于稳定。对于顶板离层现象。提出了很多力学模型，但是，适用范围有限。 目前，国际上锚杆支护设计方法为：首先根据地质力学评估结果选择锚杆支护参 数。其原则是在兼顾施工要求的同对，采用新材料和新技术，提高锚杆的锚固力和整体 锚固效果，保持巷道的稳定性。初步选择锚杆支护参数后，用数值模拟计算软件分析巷 道围岩的变形、破坏和锚秆受力状况，分析巷道围岩的稳定性。通过多方案数值模拟计 一6 一 河北理工学院硕士学位论文 算结果比较后，确定锚杆的初始设计方案。由于锚杆支护参数最后的确定是通过数值模 拟分析完成的，所以，在初始设计中计算机模拟占有重要的地位。 l3 研究的主要内容 现在我国矿山锚杆支护设计技术落后，主要采用类比法或二维数值模拟计算， 限制了锚杆支护技术应用，因此，开发三维锚杆支护设计计算机辅助设计系统，使 锚杆支护设计科学化是岩土工程工作者面临的一个重要课题。 本文的主要工作就是开发锚杆支护设计计算机辅助设计系统，研究不同地应力条件 下、不同埋藏深度下，锚杆长度、锚杆初始预应力的改变对巷道围岩稳定性的影响，找 出一套合理的锚杆支护参数，以期对现场生产有一定的指导作用。 ( 1 ) 进步开发锚杆支护设计计算机辅助设计系女f f ；( a n s y s b o l t ) 锚杆支护设计计算机辅助设计系统是建立在大型有限元a n s y s 软件基础上的。 该系统包括三部分：巷道围岩应力分析模块，a n s y s 有限元计算模块，巷道锚杆支护 设计模块。 巷道围岩应力分析模块 该模块可建立包括几个工作面、几个采空区、几个煤层、项底板岩层在内三维大模 型。需要输入的数据有，开采区域的原岩应力( o ，、o 。、。) ，巷道埋藏深度f i r ) ，煤的 弹性模量哂煤) ，巷道顶底板岩石的弹性模量* ) ，节理法向刚度o ( ，节理切向刚度 s ) 。 a n s y s 有限元计算摸块 a n s y s 有限元软件是美国a n s y s 公司开发的大型有限元商业软件瞄】，具有很强 的计算功能。可进行线性、非线性、静态和动态结构分析，流体分析，温度场分析，电 磁场分析等。 巷道锸杆支护设计模块 该模块是巷道围岩应力分析的子模块，它可在大模型分析的基础上切割出要分析的 巷道。该模块需要输入的数据有，锚杆长度( l ) ，锚杆直径( m ) ，预紧力，锚杆排距 ( s ) 。 - - 7 河北理工学院硕士学位论文 该模块可分析锚杆长度( l ) 、锚杆预紧力( f ) 、锚杆排距( s ) 对巷道稳定性的影响。可 输出巷道顶底板主应力分布图，巷道顶底板移近量，两帮移近量，顶板剖面垂直位移图 等多种图件。 ( 2 ) 分析水平应力：嚼条件下高预紧力、高强度锚抒支护机理 沿空巷开挖后引起应力再次重新分布，垂直应力向两帮转移，水平应力向顶、底板 转移，因为沿空巷道顶板处于水平应力降低区内，这佼巷道顶板处垂直应力与水平应力 的比值增加，使巷道顶板容易出现水平方向拉应力。 由于煤体强度低，节理裂隙发育，属于层状或碎裂结构岩体。煤体的变形往往伴随 着巷道顶板离层破坏。因此，在高水平应力作用下，采用柔性支护或被动支护可能会使 巷道顶板下沉，产生离层破坏，更不利于顶扳的维护。如果采用高预应力锚杆，使顶板 形成一定厚度的具有一定刚度的块体，防止巷道顶板产生离层，保护顶板的稳定性。 随着巷道埋藏深度的增加，巷道顶底板位置处于垂直应力作用之下，巷道开挖 后，巷道两帮煤体承受着很大的支撑压力，特别是沿空侧的窄煤柱。当巷道底板岩 体强度较小，或底板岩体中存在软弱夹层时，底板承受不住两侧煤体的支撑压力， 使巷道产生底鼓。如果在巷道底扳安装高强度、高预紧力锚杆，使底板刚性增加， 可有效防止底鼓的发生。底板剐性增加，也可传递水平方向压力，从而保护巷道的 稳定性。 ( 3 ) 分析不同埋藏深度下不同锚杆初始预紧力、不同锚杆长度及不同锚杆间距时 的沿空巷道的稳定性 在不同地应力条件下，不同埋藏深度的沿空巷道的稳定性受锚杆支护结构的影 响很大，不同的锚杆初始预紧力、不同的锚杆长度都会对巷道的稳定性产生很大的 影响。郭颂博士一直在美国从事锚杆支护的研究，他指出：在美国、加拿大、澳大 利亚等国，锚杆被作为煤巷顶板支护的唯一支护方式，锚杆在支护思想上，强调高 强度、高预应力、锚杆布置稀、锚杆长度短等因素的有机结合。他提出，在某种软 岩巷道中，短锚杆在一定程度上其支护效果要优于长锚抨。本论文主要模拟在软岩 巷道中，不同锚杆长度对软岩沿空巷道的稳定性的影响，找出合理的锚杆支护参 数，使锚杆支护达到最优的支护效果。 一8 一 河北理工学院硕士学位论文 第二章巷道锚杆支护数值模拟分析模型的建立 2 1 有限元软件的分析与选取 目前，在我国通用的大型有限元软件主要有a n s y s 、f l a c 、3 。等，由于 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可 广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军 工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水力、日用家电等一般工业及科 学研究 2 3 1 ；a n s y s 程序是一个功能强大、程序灵活的设计分析及优化软件包。该软件 可在大多数计算机及操作系统中运行( 从p c 机到工作站直至巨型计算机) ，a n s y s 软件在其所有的产品系列和工作平台均可兼容 2 4 1 。a n s y s 多物理场耦合的功能，允许 在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热一结构耦合、磁一结构耦合以j 及电一磁 一流体一热耦合，在p c 机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了 a n s y s 对多领域、多变工程的求解。 a n s y s 软件自啭点： ( 1 ) 用户界面 a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，但它友好的图形用户界面( g u i ) 及优秀的 程序构架使其易学易用。通过g u i 可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手 册和参考资料，并可一步一步地完成整个分析。a n s y s 开发了一套直观的菜单系统， 为用户使用程序提供导航，用户输入可通过鼠标或键盘完成，也可以两者一起使用。 ( 2 1 图形 a n s y s 的p o , , m 1 3 r a p h c s 能够迅速地完成a n s y s 几何图形及计算结果的显示，如 此快速是由于其几何图形是以对象而不是以需要重新组合的数据来贮存的。 p o w c r g r a p h c s 的显示特性保证了单元和等值线的显示，并且既可用于p 单元也可用于h 单元。它加速了等值面显示、断面覆i t q - 切片显示以及在q 切片中的拓扑显示。 f 3 1 处理器 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、两个 后处理器、几个辅助处理器如设计优化器等。a n s y s 前处理器用于生成有限元模型， 一g 一 河北理工学院硕士学位论文 制定随后求解中所需的选择项：a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求 鳃预算；a n s y s 后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型作出评价。 ( 4 ) 数据库 a n s y s 程序使用统一钓集中式数据库来存储所有模型数据及求解结果。建模数据 ( 包括实体模型和有限元模型、材料等) 通过前处理器写入数据库；载荷和求解结果通 过求解器写入数据库；后处理结果通过后处理器写入数据库中。a n s y s 文件可用于将 数据从程序的某部分传输到另一部分，存贮数据库以及存贮程序输出。这些文件包括 数据库文件、计算结果文件、图形文件簪2 5 1 。 a n s y s 分析问题包括三主要步骤： ( 1 ) 创建有限元模型：包括创建模型；定义材料属性；划分网格( 接点及单元) 。 ( 2 ) 施加载荷并求解：施加载荷及载荷选项、设定约束条件：求解。 ( 3 ) 查看结果：查看分析结果；检验结果( 分析是否正确) 。 2 2 沿空巷道锚杆支护e t l i i - t - 算模型的建立 我们利用a n s y s 软件的功能和特点利 用二次开发技术，编制 两个程序模块。第一个 模块主要用于生成采面 的三维有限元大模型。 该模型的主要输入参数 包括各煤岩层的几何数 据和物理力学参数、采 面和巷道的几何尺寸、 采空区的范围、地应力 的大小和方向等。利用 此模块就可以非常方便 圈2 1 i 箜t ：g m g d f毡21 l , w g e m o d do f t h r e ed i m e n s i o n s 地模拟地应力场。该模 块作为模拟锚杆支护的 河北理工学院硕士学位论文 大模型，为子模型提供切割边界插值条件。如图2 。l 所示。 大模型边界条件的确定，连续介质力学模型的边界条件包括三种类型【26 1 ：第一 种是应力边界，即给定物体表面上的面力和集中力。第二种是位移边界条件，即边 界上各点的位移分量是已知的，它既可为定值。亦可为零或在某些方向上为零。当 位移边界上某些方向的位移量为零时，就是通常所称的约束。第三种是混合边界条 件，即在边界某些方向上已知位移，而在另外一些方向上为已知边界力。在地下工 程结构稳定性问题的分析中，边界力的大小和方向常具有未知性需要采用一定的假 设条件或通过反演分析才能确定。位移边界条件，特别是零位移边界条件( 约束边 界) 是计算模型中不可缺少的，没有约束的计算模型在不平衡力的作用下将产生平 动或转动。混合边界条件则主要是为了减少边界效应而被采用的1 2 ”。 在数值计算中，应尽量使边界条件与实际情况相符，以减少边界效应1 2 8 l 对计算 精度的影响，并且应使计算模型有足够太的区域，使分析的重点区域处于距边界有 一定距离的模型中央部 位。当仅考虑自重应力 场且模型所取范围较大 时计算模型的边界条 件可根据地貌条件直接 确定。在构造应力场 中，边界力的作用方式 需根据采取的应力实测 结果确定或根据地震 震源机制、构造形迹、 错动方式和地下工程结 构的破坏迹象等，通过 反演分析来确定搠。 围2 - 2t t 于模型 f i g2 2 s m a l lm o d e lo f t l r e ed i m m s i o n s 第二个模块用于模 拟锚杆支护方案，主要输入数据为锚杆支护参数、巷道开挖的尺寸以及各煤岩层的 几何尺寸和物理力学参数。利用该模块可以对沿空巷道进行锚杆支护数值模拟分 河北理工学院硕士学位论文 析，分析锚杆长度、锚杆初始预应力、锚间排距、锚杆支护结构对巷道稳定性的影 响，分析合理的锚杆支护结构和支护参数。沿空巷道三维子模型如图2 2 所示。 围2 - ：3 疆序结构示意田 f i g 2 3t h e 矗蛐m a p o f p r o g r a m s l r t m t u r e 将这两个模块利用子模型技术连接起来可以建立煤巷锚杆支护的计算机辅助设计系 统( a n s y s b o l t ) ，利用该设计系统可以完成所需要的各种采准巷道锚杆支护数值模 拟计算，进行锚杆支护初步设计，整个程序的结构如图2 - 3 所示。 2 3 非线性有限元的分析 2 3 1 非线性问题有限元求解的基本原理 非线性问题可分为两大类【3 0 1 ：第一类是属于几何非线性问题，第二类是属于材料非 线性问题。 几何非线性问题指的是大位移问题。在极大多数的大位移问题中，结构内部的应变 是微小的。几何非线性问题是小( 或无限小) 应变和大( 有限大) 位移，但也包括大应 变和大位移的情况。 材料非线性问题，是指材料的物理定律，即应力应变关系是非线性的，但只考虑 小位移和小应变的情况，也就是指结构整个几何形状的变化及结构材料内部的应变与结 构尺寸相比是无限小的。这样，可以忽略微元体的局部应变。应力位移关系则采用线 一1 2 河北理工学院硕士学位论文 性的应力- 位移关系式，各种小应变、小位移问题的结构弹塑性分析及岩土工程问题一 般都属于这一类。 巷道埋藏于岩土地层之内，并与岩土介质材料相互作用。岩土材料一个重要特征是 其应力应变关系具有明显的非线性性质。对于采准巷道及其周围的岩土介质，一般可 按材料非线性问题进行分析。 材料非线性问题又可分为两种情况：一种是非线性弹性问题，如果岩土介质若采用 莫尔库仑强度理论就是这类问题；另一种是非线性弹塑性问题，材料超过屈服极限以 后就呈现出非线性性质。各种结构及岩土介质若采用弹塑性的本构模型进行分析就是这 类问尉引j 。 用有限元法解决非线性问题的基本思想，是用一系列线性问题的解来逐步逼近非线 性问题的解。因而非线性问题的解可以理解为是一系列线性解进行迭代过程的结果。 2 3 2 材料非线性问题有限元求解步骤 材料非线性有限单元法的分析过程，概括起来可以分成以下几个步骤： ( 1 ) 结构的离散化主要任务是选择单元的形状和分割方案，确定单元和节点的 数目； ( 2 ) 选择位移模式也就是确定位移插值函数。根据所选定的位移模式，就可以 导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是 扩 = 【】扮f ( 2 - 1 ) 式中 ，) 单元内任一点的位移列阵； 豁 一单元的节点位移列阵； 【l 彤函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 3 ) 分析单元的力学特性 位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性的分析，包括下面三个部分内 容： 建立用节点位移表示的单元应变表达式。利用几何方程【”】， ( 2 。1 ) 导出用节点位移表达单元应变的关系式 协= s l p r 由位移表达式 ( 2 2 ) 河北理工学院硕士学位论文 式中甜一单元内任一点的应变列阵： 陋l 一单元应变矩阵。 建立用节点位移表示的单元应力表达式。对于非线性材料问题，材料的物理关 系不再符合虎克定律，而应表示为较为复杂的非线性物理关系，即非线性材料的物理方 程为 厂( 口 ， 占 ) = o ( 2 - 3 ) 因为上式中，物性矩阵口) 】不再是材料性质的常数矩阵，而是与应变( e ) 有关的 值。故单元应力表达式为 p 】= 【d ( 占 ) 】 占 ( 2 - 4 ) 式中单元内任一点的应力列阵： 【d 1 与单元非线性材料有关的弹性矩阵。 建立单元上等效节点力与节点位移之间的关系式。对于材料非线性问题，由于 是小变形，应力形式钓单元平衡条件仍然现行的，但以节点位移 8 表示的单元平衡条 件则不再是线性的了。这是因为，此处 o 和( e ) 之间是非线性的，从而 o 和( 6 】8 之间也是有菲线性关系相联系着的。于是，对所有单元盼平衡条件求和( 总体分析) ， 把所有单元的平衡条件相加并考虑各节点的平衡，得整个系统的平衡条件。 j j j 【c n 砑 a d x d y d z = r ( 2 5 ) 式中的 r ) 为总荷载向量， c 为选择矩阵，通过该矩阵可把表示各单元特征的量和 表示整个系统特征的量联系起来。由于 o ) 和 e 】具有非线性关系，( 2 5 ) 式中( o ) 可表示为( 6 ) 的非线性函数，即 ( 盯 = 厂( 陴】【c 】。 占) ) 其中， b 是只依赖于坐标的几何矩阵。 因而，( 2 - 5 ) 式将是关于 6 ) 的非线性方程组，它可一般地写为 ( ( 6 ) 3 5 - r )( 2 - 6 a ) 或即 渺 研， = 碍 ( 2 6 b ) 如果( o ) 和( e ) 的依赖关系已确定从而对 6 ) 的依赖关系也能被确定，问题即 变成求解一个非线性方程组。 一4 一 河北理工学院硕士学位论文 求解非线性问题的方法可分为三类3 2 】，即增量法、迭代法和混合法。增量法是将 荷载划分为许多增量，每次施加一个荷载增量。在一个荷载增量中，假定刚度矩阵是常 数；在不同的荷载增量中，刚度矩阵可有不同的数值，并与应力关系相对应。迭代法在 每次迭代过程中都施加全部荷载，但逐步修改位移和应变，使之满足非线性应力应变关 系。混合法同时采用增量法和迭代法，即荷载也划分为荷载增量，但增量的个数较少； 而对每一个荷载增量，进行迭代计算。解出 6 之后，再按线性问题同样的方式求 e ) 和( ) 。 以上就是芹u 用有限元法求解非线性问题的基本步骤。对于一个数值方法，我们总是 希望随着网格的逐步细分，得到的解答收敛于问题的精确解。一般来讲，在单元形状确 定以后，位移模式的选择是关键。载荷的移置，应力矩阵和回| j 度矩阵的建立等等，都依 赖于位移模式。 选择多项式位移模式必须考虑到解的收敛性，即完备性和协调性的要求。需要 考虑到的另外一个因素是位移模式应与局部坐标系的方位无关，即所谓几何各向同 性。多项式模式要考虑的最后一个因素就是多项式中的项数必须等于或大于单元节 点的自由度数，通常是取与该自由度数相等。已经证明【3 3 】，对于一个给定的位移模 式，其刚度系数的数值比精确的要大。这样一来，在给定的载荷之下，计算模型的 变形比实际结构的要小。因此，当单元网格分割得越来越细时，位移的近似解将由 下方收敛于精确解，即得到真实解的下界【1 6 】。为了保证解答的收敛性，要求位移模 式必须满足三个条件i 硐： 位移模式必须包含单元的刚体位移。位移模式不但要具有描述单元本身形变的 能力，而且还要具有描述由于其它单元形变而通过节点位移引起单元刚体位移的能力。 所谓刚体位移就是与坐标无关的位移，如线性位移模式中的常数项就是反应刚体位移 的。 位移模式必须8 包含单元的常应变。每个单元的应变一般总是包含着两个部 分：一部分是与坐标有关的各点应变，另一部分是与坐标无关的常应变。当单元尺寸无 限缩小时，每个单元中的应变应趋于常量。如果位移模式中不包含这