原矿输送隧道支护方案研究Word文件下载.docx

1、计算域的大小对数值模拟结果有重要的影响，计算域取得太小容易影响计算精度和可靠性，而如果取得太大，则使单元划分太多，影响计算速度。因此必须取一个适中的计算域。根据弹塑性力学理论可知，在承受均匀载荷的无限大弹性体中开挖以圆孔后，孔边的应力状况将发生显著变化，但这种变化的影响范围实际上只限于附近的局部区域：在3倍孔径的区域处，应力比开孔前的应力大11%；在5倍孔径的区域处，应力的相对差值已小于5%，这样的应力变化在工程上可以忽略不计。应此，在有限元的计算中可以把35倍孔径的区域作为计算域。根据原矿胶带运输隧道的规格和断面形式，结合力学相关理论，建立三维有限元模型。其模型大小为：35m40m，即沿巷道

2、方向取35m （z方向），垂直巷道方向取35m（x方向），铅垂方向取40m （y方向），由于原矿胶带运输隧道距地表较近，所以模型直接建至地表，形成初始应力场。巷道采用三心拱断面，净断面尺寸3.3m3.0m，喷射混凝土厚度10cm，混凝土支护厚度30cm，锚杆网度1.0m1.0m，锚杆长度2.5m。本次巷道模型共计210480多个节点，48948个20节点三维等参元单元。单元网格划分、计算机模拟巷道形态示意图分别见图2-1、图2-2。图2-1 三维有限元计算机模型网格划分图图2-2 计算机模拟巷道开挖形态图（2）边界约束：计算域边界采取位移约束。由于采动影响范围有限，在离采场较远处岩体位移值将很

3、小，可将计算模型边界处位移视为零。因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用x、y、z三个方向约束，xy所在平面采用z方向约束，yz所在平面采用x方向约束。（3）计算方案（计算模型）： 方案一：巷道开挖后不进行任何加固；方案二：顶板及两帮采用喷锚网支护，锚杆长2.5m，间排距1.0m1.0m，喷射混凝土厚度10cm；方案三：巷道形成后顶板及两帮先挂钢丝网，然后整个断面（包含底板）用18#工字钢支护，再对整个断面（包含底板）进行锚杆支护，最后对底板进行浇灌，顶板及两帮采用喷浆方式处理，锚杆长2.5m，间排距1.0m1.0m，整个支护层厚度30cm；（4） 计算采用力学模型:在岩体破坏分

4、析中，采用Drucker-Prager（D-P 准则）塑性破坏准则。此破坏准则考虑了静水压力对屈服与破坏的影响，特别适用于岩土类材料的本构模型。其屈服函数为： 1 2 3 式中：式中、为DP准则材料常数， 、的值取决于C、值，它们之间存在如下关系： 4 ，分别是材料内聚力和内摩擦角，另外，材料在拉应力状态下，采用抗拉破坏强度准则。其力学模型为为材料所受拉应力，为材料抗拉强度。如果拉应力超过材料抗拉强度（F0），材料将发生抗拉破坏。2.2 计算结果分析本次模拟采用巷道的实际形态进行模拟，巷道的边角形态在局部比较复杂，在巷道和围岩交界部位变化较大，因此在局部应引起足够的重视。现根据本次模拟结果，对

5、不同的方案分别叙述如下：符号说明：“+”表示应力为拉应力；表示位移为与坐标轴同向，如在采场底板表示底板位移鼓出。 “”表示应力为压应力，表示位移为与坐标轴反向，顶板位移表示下沉。图中无特别说明，应力单位为：Mpa；位移单位为：m。1、原始巷道计算结果分析（开挖后的裸巷）在模拟的第一步即对巷道进行开挖，从模拟结果可以看出，由于巷道处于风化、破碎的石英云母片岩中，开挖后整体破坏都比较严重，特别是巷道的顶、底板。应力主要集中在底板与两帮接触部位，最大压应力为-11.783Mpa（图2-3），开挖后巷道四周有拉应力出现，数值为0.587 Mpa，超出了云母石英片岩自生的抗拉强度值，此时巷道容易发生破坏

6、；巷道的安全率最小为0.952（图2-4），低于临界状态；整体塑性区比较明显（图2-5中的红色区域），所以说巷道开挖后自稳能力是较差，对其进行加固处理是十分必要的。图2-3 巷道开挖后最大主应力分布图图2-4 巷道开挖后安全率分布图图2-5 不支护情况下巷道塑性区分布图2、加固方案综合分析通过对原矿胶带运输隧道开挖后裸巷的稳定性进行分析，可以清楚的看到，巷道在无支护、加固的前提下是不可能自稳的，所以必须对巷道进行支护、加固处理。根据方案二的施工顺序，利用锚杆、钢丝网、喷射混凝土联合对顶板及两帮进行加固。锚杆及喷射混凝土层示意图见图2-6、图2-7所示。图2-6 顶板、两帮锚杆间排距为1.0m1

7、.0m，长度为2.5m图2-7 顶板、两帮混凝土喷层厚度为10cm从模拟结果来看，两种支护方案对巷道破坏都有明显的作用，从应力分布看，两种方案加固后巷道整体都没有拉应力出现，仅用喷锚网方案加固后的最小安全率值分别为1.028，处于临界状态，而加上工字钢和底板浇灌方案加固后的安全率为1.143，大于临界状态，此时巷道稳定性相对较好；从塑性区分布来看，两个方案与不支护时相比都有明显改善，由于方案二仅用喷锚网对巷道两帮及顶板加固，所以底部塑性区还是比较明显，而方案三在底部锚杆、工字钢及混凝土浇灌的作用下效果更好。结合应力、安全率、塑性区模拟结果，针对华联锌铟股份有限公司8000t/d原矿胶带运输隧道

8、的破坏形式，认为在岩石条件相对较好的地段，采用喷锚网的方式进行巷道加固能满足要求；而对于岩石条件较差的地段，需要采取工字钢、喷锚网、底部锚杆及底板浇灌的方式联合加固巷道。图2-8 方案二支护后巷道最大主应力分布图2-9 方案三支护后巷道最大主应力分布图2-10 方案二支护后巷道安全率分布图2-11 方案三支护后巷道安全率分布图2-12 方案二支护后巷道整体塑性区分布图2-13 方案三支护后巷道整体塑性区分布2.3 模拟结论综合以上分析，可得到如下结论：（1）采用三维有限元对华联锌铟股份有限公司8000t/d原矿胶带运输隧道支护方案进行了模拟，结果表明，巷道在无支护、加固的前提下是不能自稳的，所

9、以必须对巷道进行支护、加固处理。（2）从所采用的几种方案模拟结果来看，针对华联锌铟股份有限公司8000t/d原矿胶带运输隧道的破坏形式，认为在岩石条件相对较好的地段，采用喷锚网的方式进行巷道加固能满足要求；3 FLAC3D数值模拟研究3.1 软件介绍随着计算机技术的发展，数值模拟方法已广泛应用于岩土及地下工程的研究和设计中。 FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Cotinuum）是一种显式有限差分程序；基于显式有限差分方法求解运动方程与动力方程过程中，基本方程组和边界条件（一般均为微分方程）近似地改用差分方程 （代数方程） 来表示，即由空间离散点处的场变量（应力、

10、位移）的代数表达式代替（这些变量在单元内是不确定的），从而把求解微分方程的问题转换成求解代数方程的问题。FLAC3D 程序是由美国 Itasca咨询集团公司在 FLAC的基础上开发的三维数值分析软件。由于其分析不局限于某一类特殊问题或分析类型，所以 FLAC3D 广泛应用于土木、交通、采矿、水利等行业，进行复杂的岩土工程数值分析与设计。FLAC 3D具有良好的后处理功能：计算时，三维网格自动被剖分成四面体单元；在网格划分上没有太多的限制，可以准确地模拟工程实际；每个单元体都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力的作用下屈服流动，网格也随着材料的变形而改变（大变形模式）；有限差分法不需组合成

11、大型整体刚度矩阵，通常采用“显式”、时间递步法解算代数方程，FLAC3D可以处理任意的本构模型而不需要对求解运算法则进行调整，在模拟材料的屈服过程中，采用了混合离散化方法模拟塑性破坏与塑性流动，比有限元更为有效；FLAC3D 采用宏语言 FLACish（简称 Fish）时，用户可以定义自己的新变量、函数或本构模型。3.2计算模型计算域的大小对数值模拟结果有重要的影响，计算域取得太小容易影响计算精度和可靠性；而如果取得太大，则使单元划分太多，影响计算速度。应此，在计算中可以把35倍孔径的区域作为计算域。为了满足计算需要和保证计算精度，本次计算采用的模型尺寸为开挖区域的5倍左右。模型x方向垂直巷道

12、轴向方向，长度30m；模型y方向为巷道轴向方向，长度30m；模型z方向为竖直方向，高36m，巷道采用三心拱断面，净断面尺寸3.3m计算模型建好的模型如图3-1和3-2所示。由于采动影响范围有限，在离巷道较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为零。因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用x、y、z三个方向约束，模型x方向的两端采用x方向约束，模型y方向的两端采用y方向约束。模型顶部为自由边界。图3-1 计算模型 图3-2 锚杆3.3 支护方案研究本次模拟以净断面尺寸宽3000mm为研究背景，模拟计算了下面三个方案：无任何支护措施。喷锚网支护，锚杆网度1.0m混凝土支护，为了

13、模拟计算的方便，将混凝土简化成30cm厚的C30混凝土，混凝土力学参数见表3-1。表3-1 混凝土容许应力（MPa）*容许应力种类混 凝 土 标 号C10C15C20C25C30压应力3.55.57.09.010.5拉应力0.250.330.400.480.53剪应力0.500.650.800.951.05*注：摘自陈忠达.公路挡土墙设计M.北京：人民交通出版社，1999以上各方案均一次掘进2m，模拟计算开挖长度20m。各方案计算结果见图3-3图3-14。图3-3 开挖2m、不支护时最大位移图图3-4 开挖2m、喷锚支护时最大位移图图3-5 开挖2m、混凝土支护时最大位移图 不支护 喷锚支护 混凝土支护图3-6 开挖2m时各方案塑性区图（红色代表塑性区）图3-7 开挖10m、不支护时最大位移图图3-8 开挖10m、喷锚支护时最大位移图图3-9 开挖10m、混凝土支护时最大位移图图3-10 开挖10m时各方案塑性区图（红色代表塑性区）图3-11 开挖20m、不支护时最大位移图图3-12 开挖20m、喷锚支护时最大位移图图3-13 开挖20