【《交岔巷道不同支护体系下数值模拟分析案例》6000字】

交岔巷道不同支护体系下数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12854交岔巷道不同支护体系下数值模拟分析案例 1111301.1数值分析软件 1252391.1.1Midas/GTS简介及操作流程 1198291.1.2Midas/GTS主要分析功能 2126561.2交岔巷道数值模型构建 3225741.2.1地层参数 3272831.2.2几何尺寸 4254591.2.3初始条件及边界约束 5237671.2.4网格划分 5102611.3交岔巷道支护方案优化 7137721.3.1交岔巷道支护方案 7156801.3.2巷道变形计算结果 8226061.3.3锚杆轴力计算结果 10269631.3.4锚索轴力分析 11277491.4交岔巷道支护效果分析 11165361.5交岔巷道围岩应力解析模型数值验证 161.1数值分析软件1.1.1Midas/GTS简介及操作流程Midas系列ADDINNE.Ref.{D7B7BF49-4591-424D-8440-4F8ABEFB5ADB}[81-83]是覆盖岩土与土木建筑等领域的多种软件产品，而Midas/GTS是种用于对岩土和隧道进行结构分析并设计的软件。Midas/GTS有限元软件和同类型的数值模拟的软件做比较，具有更直观以及建模方式更简单的优势，除此之外，还有计算运行效率更为高效，图形后处理更为卓越的特点。另外，Midas/GTS有限元计算软件在开发阶段经过多重算例的试运行，将其计算结果与理论值以及其他同类型的有限元软件的计算结果做了一个对比验证，结果表明其准确性和高效性还是比较好的。(1)建立几何模型Midas/GTS建模第一步，首先建立完整的几何模型。建立几何模型的操作界面类似AUTOCAD的操作界面，同时也可以用导入的功能导入几何图形文件，再进行三维状态的建模。(2)划分网格在完整的几何模型建好之后，Midas/GTS通常用混合六面体单元对实体做网格划分的操作，这种方式的分析结果的精确性较高。在几何形状较复杂的情况下，采用自动网格划分的方式，生成四面体单元。在网格划分之前，可以对几何进行尺寸控制，即进行布种，以此来限制网格大小，从而确保了计算的精度，又减少了运算的时间。(3)设定分析条件在Midas/GTS中，设定边界条件和荷载条件，以及特定的特征值。对于复杂的模型，Midas/GTS可以在几何的节点和单元以及实体上，施加相应的边界条件和预设的荷载。(4)分析在边界条件和荷载都设定完成后，设定好施工步骤或者内容，进行数值模拟分析。Midas/GTS的模拟分析，具体有考虑填土和开挖以及不同材料特征的施工阶段分析，还有稳定流或者非稳定流的有关渗流条件下的分析，以及静力类型的分析和动力类型的分析。(5)查看结果模拟分析结束后，查看具体的分析结果。在Midas/GTS的后处理中，可以显示等值线和向量的各种图形的分析结果，同时可以提取出对应的具体数据，将提取出的数据导入到Excel表格中，再进行具体不同类型的分析。Midas/GTS还具有对分析结果进行整理的功能，导出含有模型数据信息和分析结果信息的文件，然后就可以据此来编写对应的计算书。1.1.2Midas/GTS主要分析功能(1)施工阶段分析施工过程中的数值分析可以拆成不同施工阶段，再对每个施工阶段依次分析。在岩土的有关分析中，首先考虑材料的非线性，但这由施工前的初始条件所决定，地层的初始应力就是初始条件之一，再添加边界条件并施加相应的荷载，最后根据施工工序，对其依次进行模拟分析。当然施工条件过于复杂的时候，也可以对其进行合理的简化。(2)稳定流分析地层的边界条件（内部位置或外部位置）不会随着时间的增长而发生变化，即稳定流分析，在其分析的范围内，流体的流入量和流出量始终是不发生改变。(3)时程分析结构在动荷载的作用条件下，用动力平衡方程进行求解，即时程分析。对此，Midas/GTS一般采取振型迭加法，针对施加的动荷载以及结构具有的动力特性，计算得到任意时刻下的结构位移和内力。1.2交岔巷道数值模型构建以潘三煤矿东一采区为工程背景，结合第二章中关于交岔巷道分布位置及地层物理力学特性的测试结果，运用Midas/GTS数值模拟软件对2121（3）轨顺进料巷1-1断面②~③施工段交岔巷道的支护方案进行模拟分析，通过对比不同支护方案的计算结果，比选出最优支护方案，从为交岔巷道支护方案的设计提供理论依据。1.2.1地层参数如图23所示，为交岔巷道施工位置剖面图。各个地层的物理力学特性测试结果如表4所示。巷道为直墙半圆拱型，截面形式如图24所示。巷道上半圆内半径为2600mm，直墙高为1600mm，喷射混凝土厚度100mm。表4材料计算参数Table4Materialcalculationparameters岩性抗压强度MPa弹性模量GPa摩擦角°粘聚力MPa抗拉强度MPa密度kg/m3泥岩33.2648.33373.471.902500砂质泥岩42.3550.72381.591.702400花斑泥岩43.5651.6537.21.841.682450砂岩43.1252.1138.61.891.892400煤26.3325.84302.230.891400图23②~③施工段巷道所处地层信息Fig.23Stratainformationofroadwayintheconstructionsection②~③图24巷道结构示意图Fig.24Diagramofroadwaystructure1.2.2几何尺寸依据潘三矿交岔巷道工程，建立对应的数值分析模型。为消除边界效应对巷道交岔点分析结果的影响ADDINNE.Ref.{7444BC7F-DFAE-47BC-BF35-74B362E08157}[84-86]，分析模型以巷道交岔点为中心，向X,Y,Z方向分别扩展25，计算模型如图25a所示，长、宽、高均为50m；依据工程实际中交岔巷道的夹角，考虑到数值模型计算的便捷性，交岔巷道的夹角设置为60°，如图25b所示。（a）计算模型尺寸（b）交岔巷道尺寸图25数值模型几何尺寸Fig.25Thegeometricdimensionsofthenumericalmodel1.2.3初始条件及边界约束在模型上边界施加来自上部641m厚的原岩应力Q（本文Q=11.1MPa），模型四周设置水平方向约束；模型底部设置水平方向和竖直方向约束。岩体材料采用摩尔-库伦本构模型。模型分析工况严格按照交岔巷道的施工工况，具体工况内容包括：①添加边界条件及初始条件，地层位移清零；②按照每次0.8m的开挖顺序施工主巷道，严格按照先开挖，后支护的施工模式，直至完成主巷道的开挖；③按照每次0.8m的施工顺序开挖次巷道，严格按照先开挖，后支护的施工模式，直至完成次巷道的开挖。1.2.4网格划分交岔巷道模型网格划分按照“先局部后整体”的划分顺序ADDINNE.Ref.{D38C9F97-6733-4907-9449-695AA6441CE9}[87,88]。首先采用网格细化的方式在控制交岔巷道分析模型中的网格尺寸，其中：巷道网格的控制尺寸为0.5m，较小的尺寸有利于保证计算结果的精确性；外侧岩体边界网格的尺寸控制为2m，较大的网格尺寸有利于减少计算单元数，提高分析效率；最终，数值模型中的网格划分总量为120577单元数，网格划分结果如图26a所示。通过数值分析软件中自带的网格质量检查工具，如纵横比、歪曲度及翘曲度角度对网格质量进行检查，检查结果表明，如图26b所示，巷道交岔点区域的网格划分质量较好。（a）网格划分结果（b）网格质量检测结果图26数值模型网格划分Fig.26Numericalmodelmeshing在数值模型中，锚杆、锚索单元通过植入式梁单元进行模拟，网格划分结果如图27所示，采用该单元可以较好的考虑锚杆单元与土体之间的相互作用；岩体单元采用摩尔-库伦属性；巷道的喷锚支护结构采用板单元进行模拟，计算厚度按照巷道真实的设计方案取值；岩层注浆通过属性置换的方式实现，通过将岩体属性调整为注浆后岩体的属性，以考虑注浆支护对交岔巷道变形控制的影响。图27支护单元网格划分Fig.27Supportunitmeshing1.3交岔巷道支护方案优化1.3.1交岔巷道支护方案按照煤矿支护技术相关规程，结合地层岩体的物理力学特性、巷道几何尺寸，设计交岔巷道支护方案，具体支护方案如表3所示。表3数值模拟锚杆锚索联合支护方案Table3Numericalsimulationofbolt-cablecombinedsupportscheme方案编号喷射混凝土厚度/(mm)注浆锚杆锚索浅层(2m)/深层(5m)直径(mm)长度(mm)根数间距(mm)直径(mm)长度(mm)根数间距(mm)1100无22250014800226300510002100浅层22250014800226300510003100浅层22250016700226300510004100浅层2225001480022630069005100深层22250014800226300510006100深层22250016700226300510007100深层222500148002263006900上述共7种支护方案，通过Midas/GTS有限元软件分别进行巷道施工模拟计算。1.3.2巷道变形计算结果（a）方案1（b）方案2（c）方案3（d）方案4（e）方案5（f）方案6（g）方案7图28支护结构竖向位移Fig.28Verticaldisplacementofsupportingstructure由图28可知，巷道开挖后，得到7种支护方案所产生地层位移场分布情况，巷道交岔点顶板沉降最大值发生在巷道顶板中部位置，而底板底臌最大值发生在巷道底板中部位置。方案1~7，巷道交岔点顶板最大沉降值分别为85.42mm、71.26mm、71.03mm、65.42mm、53.21mm、50.31mm、45.36mm；底板最大底臌量分别为102.51mm、89.112mm、85.37mm、78.11mm、62.85mm、59.87mm、51.74mm。7种方案最大沉降位移和最大隆起位移的柱状图如图29、图30所示。图29顶板最大变形量对比图Fig.29MaximumSettlementDisplacement图30底板最大底臌量对比图Fig.30MaximumUpliftDisplacement由图29、30可知，方案1~7，巷道交岔点顶板最大沉降位移依次减小，道交岔点底板最大底臌变形量依次减小。方案7，即“锚杆加密+锚索加密+深层注浆”的支护方案对地层位移的限制效果最明显。对比方案2~4和方案5~7，可以发现，锚杆加密和锚索加密可以提高限制巷道顶部沉降变形的能力，巷道围岩变形量分别降低3.23mm和8.84mm。对比方案1、方案2和方案5，可以发现，随着注浆深度的增加，巷道顶部沉降变形受到控制，巷道围岩浅层注浆（2m）和深层注浆（5m）其围岩顶部沉降量分别减少11.16mm和32.21mm。因此得出围岩注浆深度的增加有利于减少巷道顶部沉降量。对比注浆深度、锚杆加密及锚索加密对巷道变形的控制效果，得出采用锚杆+锚索+深层注浆联合支护技术能够更加有效控制深部高应力软岩巷道交岔点围岩变形。综上所述，上述7种支护方案对深部巷道变形均有一定的限制作用。从变形控制的角度而言，7种方案的支护效果分别为：方案7>方案6>方案5>方案4>方案3>方案2>方案1。因此方案7为最优支护方案。1.3.3锚杆轴力计算结果7种支护方案下，锚杆的最大轴力如图31所示。图31锚杆的轴力分布情况Fig.31Axialforcedistributionofanchorbolt由图31可知，方案1-7，锚杆的最大轴力值分别为128.156kN、77.589kN、69.145kN、66.257kN、50.658kN、45.258kN、43.145kN。对比7中支护方案下的锚杆最大轴力变化，可以发现：注浆层使得巷道围岩稳定性增加对锚杆轴力的影响较大。当巷道采用注浆支护的方案时，围岩的强度得到提高，形成了可以承压的壳体结构可以有效加固巷道浅部围岩力学强度，优化了巷道周边围岩的受力特性，分担了锚杆的承载力。1.3.4锚索轴力分析7种支护方案下，锚杆的最大轴力如图32所示。图32锚索的轴力分布情况Fig.32Distributionofaxialforceofanchorcable由图32可知，方案1~7，锚索的最大轴力值分别为219.654kN、178.548kN、169.658kN、153.687kN、121.669kN、118.578kN、110.523kN。对比7中支护方案下的锚索最大轴力变化，可以发现：注浆层对锚索最大轴力的影响较大，分析原因是当巷道采用注浆支护的方案时，围岩的强度得到提高，形成了可以承压的壳体结构，优化了巷道周边围岩的受力特性，分担了锚索的拉力。此外，方案7中，深层注浆(5m)极大程度上分担了锚索的压力，且注浆在围岩内部形成的拱形加固体极大程度上提高了围岩的稳定性，相较于方案2中的浅层注浆(2m)，锚索的最大轴力降低了56.879kN，表现出注浆深度越深，锚索所受轴力越小。综上所述，上述7种支护方案对锚杆、锚索受力特点均有影响，且通过多角度对比分析，可得各种方案下，对锚杆锚索受力的优化效果为：岩层注浆深度>锚索密度>锚杆密度；从锚杆、锚索受力的角度而言，可以发现，方案7为最优的施工方案，在该方案下锚杆、锚索的受力合理。1.4交岔巷道支护效果分析1.1.1交岔巷道模型建立为对比不同巷道交岔角度下，深层注浆对交岔巷道的变形控制效果（方案1和方案7），针对90°、60°和30°交岔角度下的巷道沉降规律进行研究，分析模型如下图所示。图3360°巷道交岔角图3430°巷道交岔角Fig.3360°crossoverAngleFig.3430°crossoverAngleofroadway1.1.2交岔角度对巷道变形的影响为对比在不同交岔角度下，分别建立交岔角度为30°、60°、90°情况下的交岔巷道计算模型，如图35、36所示。图35交岔巷道计算简图Figure35Schematicdiagramforcalculationofcrossingroadway(e)交岔角度30°-方案1(f)交岔角度30°-方案7(e)交岔角度60°-方案1(f)交岔角度60°-方案7(e)交岔角度90°-方案1(f)交岔角度90°-方案7图36支护结构在不同巷道交岔角度下的沉降变形Fig.36Settlementdeformationofsupportstructureatdifferentroadwayintersectionangles由图36可知，当巷道交岔角度为90°时，方案1的沉降计算值为79.45mm，方案7的顶板沉降量为49.21mm，两者差值为30.24mm；当巷道交岔角度为60°时，方案1的沉降计算值为85.42mm，方案7的顶板沉降量为53.21mm，两者差值为32.21mm；当巷道交岔角度为30°时，方案1的沉降计算值为91.38mm，方案7的顶板沉降量为57.44mm，两者差值为36.94mm。为方便不同交岔角度下，方案1与方案7对巷道变形的控制效果，将沉降计算结果绘制于图37中。图37不同巷道交岔角度下的巷道沉降值Fig.37Settlementvaluesofroadwayunderdifferentroadwayintersectionangles如图37所示，通过对比不同交岔角度下的巷道沉降值，可以发现，无论是方案1还是方案7，巷道的沉降值均随巷道交岔角度的减小而增大。分析原因，这主要与交叉点的应力集中效应有关。随着巷道交岔角度的减少，两条巷道之间的三角交岔区域锐角越来越小，应力集中现象明显，巷道支护结构的变形控制效果减弱，因此，巷道顶部的沉降值均随巷道交岔角度的减小而增大。对比相同巷道交岔角度下，方案1与方案7的巷道变形控制效果，可以发现，方案7对巷道变形的控制效果优于传统的支护方案，但其优化效果存在差异。随着巷道交岔角度的减小，方案7对巷道变形的优化效果由4mm的变形增加至1.24mm，说明方案7在巷道交岔角度较小时的优化效果较为明显。分析原因，这主要与注浆层对巷道交叉点区域的应力的优化效果有关，交岔点角度越小，应力集中效果越明显，注浆对巷道交岔区域的受力优化更加明显。因此，随着巷道交岔角度的减小，方案7对巷道的沉降控制效果更好。1.1.3交岔角度对巷道变形分布规律的影响为方便交岔巷道支护结构的施工，针对不同交岔角度下，巷道的主要变形区域进行研究，巷道沉降区域如图38所示。(a)90°(b)60°(c)30°图38不同交岔角度下的巷道沉降变形云图Fig.38Tunnelsettlementanddeformationcloudmapatdifferentintersectionangles图38显示了不同交岔角度下，巷道的沉降变形区域。由图38(a)可知，对于交岔角度为90°的交岔巷道，最大沉降位置出现在交岔巷道的交点处；由图38(b)可知，对于交岔角度为60°的交岔巷道，最大沉降位置出现在交岔巷长截面交点处；由图42(c)可知，对于交岔角度为30°的交岔巷道，最大沉降位置出现在交岔巷道长截面交点处的外侧。对比最大沉降出现的位置，可以发现，随着交岔角度的减小，最大沉降出现的位置有偏向外侧的趋势。分析原因，这主要与交岔巷道形成的三角区域应力集中现象和“减跨效应”有关。交岔巷道的交岔角度越小，交岔形成的三角形区域应力集中现象越明显，交岔巷道断面形成的组合结构跨度越