巷道锚杆支护有限元分析

2022-09-11

采矿活动中巷道的掘进或回采影响引起围岩的应力状态发生变化, 这种变化总的趋势是围岩向巷道内产生位移。强烈的变形不仅导致大量的维修工作, 增加了维修费用, 而且还影响了矿井的安全。因此, 很多矿区采用锚杆对巷道进行支护, 并取得了很好的效果。本文通过采用弹塑性非线性有限元理论对回采巷道围岩的稳定性及支护机理进行分析, 验证了对回采巷道进行锚喷支护的有效性。

1 基本理论

计算采用等效节点力法, 未开挖时先求解方程:

求出方程{δ0}后, 再计算各单元的应力, 通常认为开挖前位移已经完成, 与开挖无关, 故可以取{δ0}=0, 而初始应力场为{δ0}。

开挖后求解方程:

开挖后的总位移、总应力分别为:

总位移:{δ0}={δ0}+{∆δ0} (3)

总应力:{σ}={σ0}+{∆σ} (4)

通过上述方程即可求解出煤巷开挖及支护结束后的各项参数[1]。

2 数值模拟

ANSYS是目前最为成熟的有限元商业化软件之一, ANSYS软件在结构非线性分析中具有明显的优势, 可以模拟材料非线性和接触非线性。

2.1 支护方案

计算中, 考虑到实际的经济效益, 巷道支护使用管缝锚杆。管缝锚杆在安装后能立即对围岩提供支护能力, 适合在松散岩体中作为临时支护使用, 并且有很好的经济效益。管缝锚杆的外径一般比软弱围岩钻孔直径大2 m m~3 m m, 比硬质围岩钻孔直径大1 m m~3 m m, 当管缝式锚杆被强行推入围岩钻孔后, 管体受到挤压, 对围岩钻孔壁产生弹性抗力, 从而使钻孔岩壁与锚杆杆体之间产生静摩擦力, 阻止围岩的松动、变形, 围岩增加稳定性, 提高围岩自承能力[4]。在数值模拟中, 将其支护按照系统锚杆进行分析。

2.2 模型的建立

该模型基于某矿区的实例, 由于该矿区巷道断面为矩形, 故取其水平方向的1/2计算, 建立2D模型。支护过程模拟为四步: (1) 煤巷开挖; (2) 使用管缝锚杆进行初期支护; (3) 使用锚索对个别应力集中区进行加固; (4) 进行喷射混凝土支护。

2.3 模型加载

2.3.1 地应力模拟

由于计算采用的是轴对称模型, 因此在其内侧加对称约束, 外侧加水平力模拟水平地应力。

2.3.2 加固区围岩特性计算

煤巷开挖之后, 先采用管缝锚杆进行初期支护, 根据管缝锚杆的作用机理, 可以考虑使用系统锚杆进行模拟。

2.3.3 开挖及支护过程模拟

巷道的开挖是以单元的生死来实现的。支护的过程则分为三个部分来实现, 锚杆单元是从上至下依次激活, 以模拟真实的支护过程。锚索单元在进行计算时考虑锚索和岩体之间的摩擦, 并用在锚索两端加10MPa的集中力模拟加在锚索上的预应力。

3 数值计算及分析

3.1 模型计算

依照表1的岩性数据建立模型并进行计算, 在底板、顶板和两帮选取数个观测and support点, 对巷道的变形进行监测

计算中主要考虑煤巷周边的塑性区范围, 因为锚杆支护区的范围主要是塑性区, 开挖及支护中的塑性区变化如图同时也要考虑围岩周边的应力区, 水平及垂直位移的变化。开挖支护结束后单元模型如图1。

3.2 数据处理

在巷道周边选取一些观测点进行监测, 经过计算得出的结果按总位移公式进行处理, 从而得出底板两帮和顶板的应变, 将支护结束时的值与开挖后的值分别和最初的位移作比较, 观察位移变化的情况, 从而对支护作出评估。以ΔUy1, ΔUx1分别表示开挖结束后的垂直和水平位移, 以ΔUy2, ΔUx1分别表示锚喷支护结束后的垂直位移和水平位移, 经过对巷道围岩各个位置位移数据的处理所得结果如表2, 3, 43.3结果分析

通过计算所得出的结果, 可以很直观的反映锚喷支护在煤巷支护中的作用与效果。在煤巷开挖初期, 巷道周边的塑性区主要集中在两帮位置, 而顶板与底板则没有塑性区出现。由于两帮的塑性区很大, 因此两帮的水平位移相对其他位置较大, 并在两帮有应力集中现象, 有发生偏帮的可能, 这基本符合煤巷开挖的实际情况。

初期支护考虑使用造价低廉的管缝锚杆, 这与实际的工程相符。支护计算后, 得出此时巷道的塑性区。通过与开挖后的塑性图相对比, 发现塑性区明显减少。在两帮的位置塑性区已完全消失, 巷道的变形得到控制。

支护结束后的塑性区主要集中在矩形巷道的拐角处, 这符合实际的巷道开挖理论与实际, 因为地下硐室开挖, 拐角处一般都是应力集中区域。这时巷道的变形已得到很好的控制, 位移已经减小, 基本可以满足生产需要。但是由于在拐角处仍有塑性区出现, 考虑在应力集中区使用锚索加固, 并在巷道表面铺设钢筋网并喷射20cm的混凝土进行支护。

锚索安装设计在四个拐角, 每个拐角一根, 共四根。锚索安装后, 计算得出巷道的塑性区、水平垂直位移和锚喷支护全部结束后的巷道位移。经过分析结果及图示发现在锚喷支护结束后, 塑性区得到完全控制, 巷道周边的塑性区完全消失, 仅在锚索上有塑性现象, 说明锚索已产生效果, 开始发挥作用。同时, 巷道周边的位移完全恢复为初始时的状态, 并且在巷道周围的煤层完全位移, 仅在支护区的周边有一些微小的位移。

通过模拟计算, 发现初期的管缝锚杆支护已可以满足巷道的安全生产使用, 但是考虑到巷道的安全使用, 建议使用锚索对局部进行加强。

4 结语

巷道在开挖之后, 应力状态发生改变, 在多个薄弱部位发生应力集中并产生塑性区, 影响到巷道的长期安全使用。为了使煤巷可以达到安全生产使用的目的, 使用锚喷支护是一种行之有效的方法。为了使用的安全性, 也可采用锚索对关键部位进行加强。在本算例中, 经过支护后的煤层, 其应力状态基本恢复为未开挖时的状态, 达到了支护的目的, 煤巷达到稳定状态, 可以安全的使用。

计算结果表明, 锚喷网联合支护可以形成一种联合柔性支护[8], 它利用了锚杆在巷道支护中所起到的支撑围岩、加固围岩、提高层间摩阻力, 形成“组合梁”、“悬吊”作用等效果, 加强煤巷的支护, 并且造价低廉。因此, 锚喷支护是一种经济有效的回采巷道支护技术。

摘要：煤矿巷道的变形问题影响了正常的开采工作, 危及矿区的生产安全。本文通过使用有限元计算软件ANSYS针对巷道的变形问题, 使用管缝锚杆、锚索进行锚喷支护的过程及效果进行数值模拟。模拟了锚喷支护后的围岩变形情况, 并对观测点的位移进行对比。得出结论:使用锚喷支护可以有效的缓解煤巷的变形, 提高煤巷的稳定性。

关键词：开挖,巷道变形,锚喷支护,有限元分析