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冲击地压下煤巷锚杆支护机理数值模拟研究
2011-07-27
应用FLAC 程序, 模拟冲击地压下煤巷开挖过程中锚杆支护的作用, 分析了煤巷围岩在锚 杆支护下的受力及变形情况, 重点分析了巷道变形、破坏机制、锚杆的加固效果, 为确定合理的锚杆加 固方案提供依据。
冲 击 地 压 下 煤 巷 锚 杆 支 护 机 理 数 值 模 拟 研 究 赵 兴 东杨 天 鸿唐 春 安王 述 红 东 北 大 学 岩 石 破 裂 与 失 稳 研 究 中 心 分沈 阳 110004) (   摘 要 应 用 FLAC 程 序 , 模 拟 冲 击 地 压 下 煤 巷 开 挖 过 程 中 锚 杆 支 护 的 作 用 , 分 析 了 煤 巷 围 岩 在 锚 杆 支 护 下 的 受 力 及 变 形 情 况 , 重 点 分 析 了 巷 道 变 形 、 破 坏 机 制 、 锚 杆 的 加 固 效 果 , 为 确 定 合 理 的 锚 杆 加 固 方 案 提 供 依 据 。 关 键 词 FLAC   锚 杆 支 护 冲 击 地 压 + 中 图 分 类 号 TD82314 7 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1004 - 4051 (2004) 03 - 0058 - 02 NUMERICAL SIMULATION ON THE MECHANIISM OF BOLT SUPPORT UNDER ROCK BURST Zhao Xingdong Yang Tianhong Tang Chunπan Wang Shuhong ( CRISR , Northeastern University分Shenyang 110004)   Abstract : According to using FLAC , which simulates the role of bolt support under the rock burst during excavation of tunnel , and analyzes the stress and distortion of tunnel under bolt support , mainly analyzes distortion of tunnel、 the mechanism of destruction、 the effect of bolt support , in order to get a good reinforcing parameter for the bolt support of tunnel. Keywords : FLAC , Bolt support , Rock burst   随 着 计 算 机 技 术 的 快 速 发 展 , 计 算 机 软 件 在 工 15m 厚 的 泥 岩 及 砂 质 泥 岩 , 其 水 平 节 理 发 育 , 顶 板 较 为 破 碎 。 冲 击 地 压 频 繁 发 生 , 给 矿 井 的 正 常 生 产 带 来 了 困 难 , 如 何 控 制 冲 击 地 压 的 发 生 成 为 了 重 中 之 重 。 程 实 际 中 的 应 用 也 越 来 越 多 。 数 值 模 拟 方 法 正 是 计 算 机 与 工 程 实 际 问 题 相 结 合 的 结 果 。 近 年 来 , 数 值 模 拟 方 法 已 经 在 采 矿 工 程 和 岩 土 工 程 中 得 到 了 快 速 发 展 和 广 泛 的 应 用 。 FLAC (快 速 拉 格 朗 日 有 限 元 程 序 ) 软 件 同 样 如 此 。 该 区 巷 道 破 坏 的 主 要 表 现 在 顶 、 底 板 的 变 形 。 为 了 阻 止 顶 板 破 坏 , 防 止 冲 击 地 压 的 发 生 , 采 取 了 锚 网 支 护 方 案 , 锚 杆 长 度 为 218m , 并 在 两 个 肩 角 布 置 了 斜 拉 锚 索 , 锚 索 的 长 度 为 5m , 并 在 两 帮 形 成 支 承 点 , 打 在 稳 定 的 煤 体 里 。 金 属 网 的 全 封 闭 使 煤 层 不 能 脱 落 , 使 组 合 梁 和 支 承 点 不 被 破 坏 。 其 典 型 的 巷 道 断 面 及 支 护 结 构 见 图 1 所 示 。 1 FLAC 程 序 介 绍 FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) 程 序 是 一 种 用 于 工 程 力 学 计 算 的 显 式 有 限 差 分 程 序 , 该 程 序 可 以 模 拟 土 、 岩 石 等 材 料 的 力 学 行 为 。 该 程 序 应 用 了 节 点 位 移 连 续 的 条 件 , 可 以 对 连 续 介 质 进 行 大 变 形 分 析 , 特 别 适 合 研 究 软 岩 的 大 变 形 问 题 。 程 序 将 计 算 区 域 内 的 介 质 划 分 为 若 干 个 二 维 单 元 , 单 元 之 间 用 节 点 相 互 连 接 。 FLAC 程 序 可 以 模 拟 多 种 模 型 的 材 料 , 可 以 模 拟 地 应 力 场 的 生 成 、 边 坡 或 地 下 峒 室 开 挖 、 混 凝 土 衬 碹 、 锚 杆 或 锚 索 设 置 、 地 下 渗 流 等 。 能 够 计 算 出 锚 杆 或 锚 索 沿 杆 长 的 位 移 和 应 力 分 布 , 并 且 能 分 析 锚 杆 或 锚 索 加 固 效 果 。 图 1 典 型 的 巷 道 断 面 及 支 护 结 构 示 意 图 2 工 程 概 况 老 虎 台 煤 矿 开 采 方 式 是 沿 煤 层 顶 板 掘 进 进 行 开 采 , 煤 层 特 厚 (平 均 厚 度 为 55m) , 直 接 顶 为 10~ 3 计 算 模 型 及 方 案 老 虎 台 煤 矿 煤 层 赋 存 状 态 复 杂 , 而 且 有 构 造 应 5 8 中 国 矿 业 2004 年 第 13 卷 第 3 期 力 的 影 响 , 目 前 研 究 分 析 的 巷 道 埋 深 200m , 通 过 模 型 简 化 , 取 其 横 断 面 作 为 研 究 对 象 建 模 , 模 型 宽 水 平 应 力 从 上 到 下 按 梯 形 载 荷 分 别 取 值 为 715MPa , 8MPa。 模 型 计 算 网 格 的 划 分 为 21 作 35 (见 图 2 所 示 ) , 其 参 数 表 1 所 示 。 3 5m , 高 22m , 其 中 开 挖 的 矩 形 段 断 面 巷 道 宽 5m , 高 3m。 考 虑 上 覆 自 重 应 力 , 取 垂 直 应 力 5MPa , 表 1 巷 道 围 岩 及 支 护 材 料 计 算 参 数 参 数 弹 性 模 量 (MPa) 凝 聚 力 (MPa) 内 摩 擦 角 (安) 自 重 (kg/ m3) 泊 松 比 备 注 岩 层 煤 、 页 岩 30 013 2 38 2500 20m 截 面 积 粘 结 度 10MPa 屈 服 强 度 10MPa 粘 结 刚 度 1000MPa 锚 杆 及 砂 浆 1000 2 5 e - 3m 虎 台 矿 特 厚 煤 层 冲 击 地 压 下 巷 道 开 挖 过 程 中 锚 杆 或 锚 索 支 护 状 况 下 洞 室 围 岩 的 受 力 及 变 形 情 况 。 结 果 表 明 : ( 1) 该 区 存 在 较 大 的 水 平 构 造 应 力 场 , 巷 道 围 岩 进 入 塑 性 区 , 破 坏 的 主 要 表 现 在 顶 底 板 的 变 形 , 破 坏 ; 图 2 网 格 划 分 及 边 界 受 力 条 件 ( 2) 锚 杆 (索 ) 支 护 后 , 效 果 十 分 明 显 , 两 个 肩 部 剪 应 力 集 中 程 度 降 低 , 巷 道 两 侧 没 有 进 入 塑 性 区 , 位 移 减 小 了 50 %左 右 ; 计 算 方 案 包 括 以 下 几 个 内 容 : ① 模 拟 巷 道 开 挖 过 程 巷 道 变 形 、 破 坏 机 制 ; ② 分 析 锚 杆 的 受 力 分 布 ; ③ 分 析 锚 杆 对 巷 道 的 加 固 效 果 。 ( 3) 锚 杆 支 护 较 棚 架 支 护 控 制 顶 板 效 果 好 , 大 大 减 低 冲 击 地 压 的 发 生 , 从 模 拟 情 况 来 看 , 锚 杆 支 护 是 特 厚 煤 层 冲 击 地 压 频 频 发 生 煤 巷 支 护 较 为 理 想 的 一 种 支 护 方 法 ; 4 计 算 结 果 分 析 锚 杆 支 护 后 , 把 围 岩 连 成 一 个 整 体 结 构 , 围 岩 的 稳 定 性 明 显 好 转 。 开 挖 引 起 的 围 岩 应 力 集 中 程 度 比 照 没 有 锚 杆 时 有 所 减 弱 , 尤 其 是 在 巷 道 的 上 部 两 个 肩 部 , 最 大 剪 应 力 215MPa , 所 以 围 岩 周 围 的 塑 性 区 明 显 少 于 没 有 锚 杆 时 的 情 况 , 只 是 在 巷 道 下 部 和 洞 顶 上 面 局 部 进 入 塑 性 区 。 其 中 洞 顶 下 沉 ( 4) 从 施 工 情 况 及 矿 压 观 测 到 的 构 建 受 力 情 况 看 , 此 次 模 拟 的 锚 杆 支 护 结 构 基 本 合 理 , 能 主 动 及 时 地 支 护 顶 板 , 锚 杆 支 护 起 到 了 应 有 的 支 护 作 用 , 进 一 步 提 高 了 顶 板 围 岩 的 整 体 性 和 稳 定 性 。 参 考 文 献 〔 1〕 王 泳 嘉 , 邢 纪 波 , 离 散 单 元 法 同 拉 格 朗 日 元 法 及 其 在 岩 土 力 学 中 的 应 用 , [J ] 岩 土 力 学 , Vol16 , No12 , 1995. 6 , 1~ 14 0 0 0 158cm , 洞 侧 向 水 平 位 移 015cm , 洞 底 鼓 起 185cm , 洞 肩 部 位 水 平 和 下 沉 位 移 分 别 为 122cm , 011cm。 〔 2〕 康 红 普 , 回 采 巷 道 锚 杆 支 护 影 响 因 素 的 FLAC 分 析 , [J ] 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 18 (5) : 497~ 502 , 1999. 10 由 于 数 值 模 型 都 是 基 于 连 续 介 质 和 小 变 形 的 假 〔 3〕 朱 建 明 , 徐 秉 业 , 朱 峰 , 任 天 贵 , FLAC 有 限 差 分 程 序 及 其 在 矿 山 工 程 中 的 应 用 , [J ] 中 国 矿 业 , 2000. Vol. 9 , No14 设 , 所 以 不 能 定 量 的 去 和 实 际 观 测 到 的 位 移 比 较 , 到 仍 可 以 定 性 的 看 出 , 锚 杆 支 护 后 位 移 减 小 了 5 5 0 %左 右 。 (收 稿 日 期 : 2003 - 11 - 24) 小 结 〔 作 者 简 介 〕 赵 兴 东 (1975 — ) 东 北 大 学 用 FLAC (快 速 拉 格 朗 日 有 限 元 程 序 ) 模 拟 老 资 源 与 土 木 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 《 中 国 矿 业 》 编 辑 部 欢 迎 矿 业 专 家 、学 者 赐 稿 ,欢 迎 企 业 家 利 用 本 刊 ! 冲 击 地 压 下 煤 巷 锚 杆 支 护 机 理 数 值 模 拟 研 究 59
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