巷道ANSYS计算分析

1、 1工程概况 本次研究的是某矿北大巷的开挖围岩稳定性和支护效果。北大巷位于三煤的 底板岩层中，其标高为850m，垂直地应力约为20MPa巷道为直墙半圆拱型 形状，净宽4.22m,净高3.38m。由于地应力高，故采用锚喷反底拱、锚注复合 支护方案加固巷道，具体的巷道尺寸与支护措施如图1。 0153 0002 15 喷浆层厚120 注浆锚杆 20 x 2.5,长2000 螺纹钢金属锚杆 20X2400 图1巷道锚喷反底拱、锚注复合支护方案 2北大巷围岩结构力学模型 巷道支护模拟分析最主要问题有三个： 一是本构模型和参数；二是边界条件； 三是模拟开挖和支护过程。 2.1数值计算模型的特点 （1）巷道

2、问题符合平面应变问题，本次数值计算均作为平面应变问题来处理。 （2）为消除边界效应，各模型取足够大的尺寸，巷道处于模型的中心。 （3）根据实际经验和采矿理论，在模型的左右边界设为应力边界条件， 模型 下边界设为垂直位移约束，上边界自由加载，载荷大小为覆岩的自重。 （4）模型岩层的划分与实际地层基本一致，较薄岩层合并处理。 (5) 合理选择计算参数和本构模型。 2.2本构模型及力学参数选取 (1) 本构模型的选取 岩石材料本构关系的描述，国内外有很多种，每一种本构模型都有其优缺点， 这里采用目前应用最广泛、最适宜于岩土材料的Dracker-Prager屈服准则。该屈 服准则对Mohr-Coulo

3、mb准则给予近似，以此来修正 Von Mises屈服准则，即 在Von Mises表达式中包含一个附加项。其流动准则可以使用相关流动准则， 也可使用不相关流动准则，其屈服面不随材料的逐渐屈服而改变，同时考虑了由 于屈服而引起的体积膨胀，因此适用于岩土、混凝土和土壤等颗粒状材料。 Drucker-Prager 在 1952 年提出式： I1 .J2 k 其中，I 1为考虑平均应力 m的应力第一不变量 为应力偏张量第二不变量 、k为材料参数。 在数值计算中，DP材料需要输入的参数有E、C 、 f，其确定方法如下: y .3(3 sin ) 6cos 1 sin 3 3 3Modeling-Crea

4、te- Keypoints-In Active CS, 如图： 在对话框中以此输入关键点的号码，X,Y,Z的坐标值，然后点击APPL丫再输入 下一个关键点的号码和坐标，直到所有的关键点全部输入后点击0K Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Lines-Straight Line 画直线。依次将关 键点用直线连接起来。 畀专 * 血啊# U UWy %常 兰J 目士 *Ki! u 的 ftKDmasat aaib tK T J割弐世. |l E3厂 ii 九叫屯啊曷r y巾 E3 1#曰65 El PMlpNJLHhV GJ FLe-fil CMSldlhtl

5、C(耳祖I iufM HE Tl IIWHI Ej MDtidng rmmie 曰 orpDirrti 护 gLjnw 戸 lUrarsVffe5l|n JI OriNw- 护 咗Pa 网用氐m阳 B tcnto Hi HaMlPTM 如 ffi l*lh#d 1 IJ劃” yn Akun 谕 rihrnz H 田 IB 田 B rscw flfarfc 3 Onk Geom FOIMra JYiPR Miw PK za 30D5 2 K =22 |円中 Modeling-Create-Lines-Lines-Arcs画圆弧。可以通过 3 个关键 点画弧，也可通过两端的关键点和半径画弧，通过中

6、心和半径画弧和整圆命令画 圆弧，如图： 通过线生成面，Preprocessor-Modeli ng-Create-Areas-Arbitrary-By Lines。 (2)定义单元类型和单元属性 定义单元类型 Preprocessor-eleme nt type- add/edit/delete 定义单元类型。在对话框中选择 add 添加单元类型，选择单元类型 solid，quad 4node 42即4节点的平面单元。 Q PFSprpLeMOF EfemnATYpe 呼fM Eter竝也 卫口1曲圮河 ANSYS I EC Z0 Z0O5 nit 即加诂鉀L伊 S ftefccr Q M.e

7、- jreiFri 円 Midl L*U(好 ffl MMeridl 13 elUo thi *| Edetaiy 呵 Meitai r ftsh 斗：trZ 口 NfeiMC. 国 RC Cflfllf Q Mer-f Qf (J Loncaftefi-ife 0喂站 U MlodiFr -Es h 直 Lhecknexh Lki 3 Ehectoq L b-ii 3 Pkmbennqi Ltrj; ffl 添加平面单元Plane 42后，点击Options，在对话框中为平面单元定义坐标系 统和平面应力、平面应变、轴对称等分析类型。由于巷道是平面应变问题，因此 我们选择Plane Strai

8、n项。 如果模拟锚杆支护，可以在单元类型中添加Link 2D Spar 1单元类型，用来模拟 平面锚杆单元。 Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delete添加实常数。在对话框中可以输入 link单元的截面积和初始应变。 SAYI_D5 I 莊“ JjB | qieit R.boI Eunst srits AAA APBV5Manrriu 間 P-cfe-eritss 3 Ghanieril type 和耿h巴审T闪 Mi DOF B Ker*Al I on噴柑nW .Thickne-ss Inure -Mdteiridl PHJR 已 Sr rh -b

9、ra* S Muddbiq B Mrdwig S CheckiffMI ctds E Nunibmg L irl S Ai Jilvc Wudkd S fftiipiiHg/ 匸 S FSI Set Up L * tvj 卜曲 lufuid I 苗et* RftilGarsrtt No. CnKS-SKlcn-el ares廿=EA IhTiSi051 AN Qwrent Tl Re険轩 g 1 定义单元属性 Preprocessor-Material Props-Material Models 点击后将出现定义材料属性对话 框，可以添加材料号，Structure-Liner-Elastic-

10、lsotropic,在对话框中输入弹性模 量和泊松比的值。 | B片 AJ -.I MJ M.riri： Mndc.-. Avodtt inf Lin#a- Isatapr IMsteial Prfip&ttts for Khtevdl hkrr&r L inear 15oi l-iirticipc Sbucliij 吊 lorlnffsi Ms-riaiMwfcfeihd (+) flrmrnt Typr- EJ 氏况匚uu*3lLEflZF 曰 NoLeiMi Pp p* LI Zt户冃胡 i ih-ipy fd我l jdlhkf-M Fkm:ri &njr+n-Fiyi LU匚匚 ria

11、 |_O1 vert AL. ChfiftO MftE W.In IB FNurw GRLerld 山补TH Fit B Rjead ftgr His E ecbnriB 1U nodr-lm Q刚 H nr Zie tce Terip9阳：fe Grph OK I L-mz-dFdp 圄 MaalW Mrth m dwelt M&sh B Cledff BJ i hrrkmg FttlR Structure-Density,在对话框中输入材料的密度值。 Structure-Nonliner-Inelastic-Non-Metal Plasticity-Drucker-Prager 在对话框中

12、 输入材料的粘聚力和内摩擦角的值。 (3) 划分单元 Preprocessor-Meshing-Mesh Tool在弹出的Mesh Tool中可以定义要划分面的 类型。可以选择材料号，单元划分的类型等等。 在Mesh Tool中可以控制线段、面及体的划分段数或单元大小，这样可以控制 单元大小的渐变，在划分网格时要注意使网格呈放射状，即越靠近巷道网格越密, 在模型边界处网格较稀疏，这样可以在不降低计算精度的情况下大大缩短计算时 间。划分网格时要尽可能的使用Mapped即映射方法划分，这样划分的网格规整。 El刮旦創也11 j E *44 日(Will 园匸 heefegfh B C.hv .ai

13、 A AA ii石 世陛小 Rnj电A 日钿EX杠 曰 Pr pw MM* QI (ferperti rppe Q BITlWt*. ca MwtetMiPmM. ffl dl 包1*X1眄 ESMufwg. B(應 JP LE. dVW5 回Wir卒. B aiw 4 Unw (U A|iHr 回g|*Wf【5 QIFSI MUd GIImA ca Hkrsks ti rHi nympjbwini 田 UJ GIIb-hI IB ThuePiiri frortirfl IB BSSEH ElmvH AtabiJM Q MudelifMj 3 Create 因 Dpiprarp fi bflo

14、vir / Morlify 3 匸 op* a 畑tec KtvttModeling-Reflect-Areas将划分好网格的模型的一半在 Y-Z平面 对称，就形成完整的计算模型。 4）疋义边界条件 边界条件分为位移边界条件和荷载边界条件。Soluti on-Defi ne Loads-Apply-Structural-Displaceme nt- On Li nes 施加位移边界条件。 E Pi*fe!prijc.jt-aur 0 fiafaltei BTypt* Or fine L EE SettimiQS. Id Apphf ShlKtUtAl IMfipljcRnwrM： 戸I on叫

15、住曲 貝 3刖points 詞On丹Ldki On Hcd# Ccrpoimtc 田 Symin itry &X. 田 Ant isymm 田 Fob SI Preiiure ED靶咖弊恥口忙 Inrrh Q Prrmn 品帕 E3 Gm Plane St-sti 田 utiher 国 l-lud Struc In It QI Inh Ldndi/n 0 liMd VL(ur Fu*KDefine Loads-Apply-Structural-Pressure-On Lines 施加荷载边界条 件。 tH HiprnriKnt Fl nhirino F ftnal界s Tyc)e LefmEL

16、oods S呂eUiH彷 国 E 戢 rurhir# E Ri-snlwmrn# 田 PfffXCrMomrir# Hesswre 禹Qnwc尿 印 On Mode Compnne 択 Ohfler-Ehtsr Onflertsrit Conpr HI Fraw F nd Andv 洌叮停听 RC 1 0!nrhni*i m-e- DKJ Ah PRLs M |r9 述 0 Lonstant vaii JfCcnKanrvsIjeithen vaille T fres value POOfflffiO1 肝 ron-rrnt 冒冲 “ then- OprnnH PRE5 旳卜亦寸 and J

17、nF inr (If“州 hh4.ijrrtr-PRS、 Solution-Define Loads-Apply-Structural-lnertia-Gravity,在对话框中输入重 力加速度。 El SokJtNM a Analyfl Typr Fine Lnads 0! Wf 曰Strum胡 E Diacefikeot 田 l-ce/ Hjornen S Prewjie S T* mmk*At urr 曰oertiA 杯邛训臼于*杰 出 Ajugulr Au H CDFlmlEEI fK B Inwha fei-t H ftrfnr 5edn S GimPlm 田 nrtwx- m K3

18、.I C h . T_ L. |_ACElL| A|iaiy 越5-什乩心皿)lixM曰乩13*1 斗匚EL民GiobH氏x terp AsZELf GtabdJI Can *n V-cisrp A：ELZ 询心 tdggm* (5)求解计算 Solution-Analysis Type-New Analysis , 初始计算前先定义计算分析的类型, 在对话框中选择Static即静态分析。 耳：Preprocessor Frnlnfinn B Analysis Type :AMTV1 口 T/po of oraty祜 _d few Analysis E3 Restart Q SqId Cont

19、rols 巨 ExparisianPasv S Define Lods H Load Step Opts E Solve B F5I Set Up FF ADAMS Connection 圉 Unatridgec Menu 田 G已Poslproc 田 TvneHit Postpra + Topological Dpt l+l Design (Jpt EJ Prob Design P 5tatic P Modal C Hacnronic C Tranjienc C Spectrum C Eiger Buckling 广 5ubstructurkig OK Cancel Solution-Ana

20、lysis Type-Sol Controls,在弹出的对话框中可以控制计算功能， 比如可以选择大应变分析，可以控制计算时间，选择计算结果，选择方程求解器, 非线性控制，还有咼级控制功能。 确认求解信息后，然后点击 Solution-Solve-Current LS,点击OK进行计算 E Solution E Analysfi Type H Define Lo GONUER DEFAULTS 计算时ANSY会显示计算收敛的曲线，计算完成后会弹出Solution is done! 信 息。如果计算不收敛，ANSYS给出错误信息，以便用户查找原因并改正。 0 FlBUrtH-ElMii n r A

21、rtalyM* lypc 富I Oliw LiMNh =3 LMJSlvpUiAi S Solve Q Fi i L* Pi.i- 5 FEd 汩u 曲円百etL B JUMMbLmnlLnri 加解盹mi H General PoatpriK ! Tlmetiisll Posipra 0 1 佃nt)r 日 Prob besign IS 6 If F 姐 on E-lri-r SFirish 初始应力场计算完成后，要进行隧道开 挖计算。Solution-Analysis Type-Restart 即可使程序接着第一步继续计算。然后选择 要开挖的巷道单元，如图2。在命令窗口中 输入：ekill

22、，all，然后回车，即将巷道开挖， 右图为开挖的巷道单元。 如果要添加锚杆单元，可以 Preprocessor-Modeli ng-Create-Eleme nt- Elem Attribute，为锚杆单元选择单元属性， 然后 Preprocessor-Modeling-Create- 图2开挖的巷道 Elements-Auto Numbered-Thru Nodes由平面单元的节点生成锚杆单元。 E Preprocessor Q Elemenlt Type H Real ConEtanU Q Material Propf 田 SKtivm 日 Modr-lmfj 日 Create 10 Ke

23、ypoint:? IE I in” E Areas 10 Volumes 13 Nmdps 10 tlenients lAHrar ent Atbribuites Define aHrhiih hnr hPE Hement type njober MAT Ma:erial nurrijer RtiAL Real constarr： set number 匡石訂 Elemert cooirdinafce-55 5ECNUIM S&ction numbBr km Wtritutes 日 Auto Numhered 洌 Thru (Modes H At Cdincid Nd 1 Offset Mod

24、es ffl Surf / CuritdiLti E PrEtension B Oser Numbered ITSHAP Tanjet slenrent stiape ot Cmcel 2 UMC12J | None de fined |None definec z | Straight inp 开挖巷道后要施加锚杆支护和喷层支护， 也要采用混凝土反底拱支护，喷层 支护和混凝土反底拱支护采用改变单元参数的方法来实现。 即选中喷层单元，然 后将单元的属性改变为喷层的力学参数。 （6）计算结果分析 计算以北大巷为例，本次数值计算的目的是：模拟北大巷开挖后，在锚喷、 锚注以及反底拱复合支护条件下围岩的应力和变形特征。计算完成后ANSY刖以 绘制应力云图、位移云图、位移矢量图和塑性区图。下面分别给出了部分计算结 果图：图3图6,分别为北大巷在单纯锚喷支护条件下的水平应力、垂应力