【正文】 集合體，用于模擬或?qū)Ρ平蠼鈪^(qū)域進(jìn)行分析，同時(shí)選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，例如取節(jié)點(diǎn)位移 作為基本未知量，并對(duì)于每個(gè)單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡單的函數(shù) (稱為插值函數(shù) )，近似地表示其位移的分布規(guī)律 。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從 CP 機(jī)到工作站直至巨型計(jì)算機(jī)， ANSYS 文件在所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。 成莊礦屬于離散破碎圍巖，以該礦的地質(zhì)條件為背景 進(jìn)行數(shù)值模擬 。二是煤巖的錨固強(qiáng)度及錨固性能。模型的上表面施加均布的壓應(yīng)力 (按280m巖體自重應(yīng)力計(jì)算 )，并考慮 計(jì)算范圍內(nèi)巖體的自重。 表 32 錨桿支護(hù)原始資料數(shù)據(jù) 序號(hào) 原始資料名稱 測試數(shù)據(jù) 1 頂板巖層層數(shù)與厚度 2() 2 各層節(jié)理裂隙間距 3 巖層的分層厚度 4 巖層單向抗壓強(qiáng)度 5 煤層厚度 6 煤層傾角 6176。 直接頂 :粉砂質(zhì)泥巖，厚 米，灰黑色，層理較發(fā)育，且層理上有較多云母片。 巷道錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析 數(shù)值模擬是一種評(píng)價(jià)支護(hù)效果的定性或準(zhǔn)定量方法，為了實(shí)際操作，應(yīng)該對(duì)巖體介質(zhì)性質(zhì)及計(jì)算模型等做必要的假定。一經(jīng)解出，就可以利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。 (5)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的破壞以錨桿破壞為前提 ，也就是說錨桿破壞是支護(hù)結(jié)構(gòu)體破壞的前提條件和必要條件。通過上表分析并考慮一定安全系數(shù)，可得出當(dāng)采用無縱筋螺紋鋼錨桿時(shí)，所需變形警戒值對(duì)應(yīng)的伸長率取 5%。 若以長度為 錨桿計(jì) 算，錨桿破壞變形量最大為 250mm，此時(shí)錨桿處于極限最大受力狀態(tài)隨時(shí)產(chǎn)生破壞，也就是說支護(hù)結(jié)構(gòu)體也將隨時(shí)產(chǎn)生破壞。 從上述錨桿、圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)體變形特 性分析可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)體為錨桿和圍巖構(gòu)成的復(fù)合承載體，支護(hù)結(jié)構(gòu)體圍巖為塊狀嚙合體，其強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度，錨桿在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中起主要的承載作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形破壞受錨桿變形破壞的影響。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形達(dá)到某一警戒變形值時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)體即產(chǎn)生破壞。而錨桿的最終破壞原因可總結(jié)為錨桿本身的變形量超出了許用變 形值而產(chǎn)生拉斷失效。這個(gè)階段變形量較小，一般不超過 10mm，此時(shí)錨桿受力較小，錨桿的支護(hù)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中起次 要作用。 (1)錨桿桿體變形特征 現(xiàn)在常用金 屬錨桿桿體一般為低碳高強(qiáng)螺紋鋼，錨桿處于彈性受力狀態(tài)時(shí)，伸長率較小，僅為 %左右。這種破壞形式應(yīng)采用錨索補(bǔ)強(qiáng)的方式來避免，并且需要在支護(hù)后加強(qiáng)錨桿支護(hù)監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)補(bǔ)救。 錨桿錨固失效的原因主要是有以下幾種 :錨固劑破裂失效、錨桿與錨固劑的粘結(jié)面破裂失效、錨固劑與巖石的粘結(jié)面破裂失效、錨桿拉斷等。 (3)支護(hù)后所形成的巖梁是塊狀圍巖通過錨桿支護(hù)而構(gòu)成的鉸接梁，梁的支護(hù)力與塊體的鉸結(jié)形成、塊體強(qiáng)度、塊體運(yùn)動(dòng)方向、懸梁的厚度等參數(shù)有關(guān)。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 15懸吊式錨桿 (3)L3a 假如巷道跨度或臨空面跨度 L大于基本塊體長度 a的三倍時(shí)，依靠塊體本身很難形成多鉸拱結(jié)構(gòu)。 (1)L=2a 假如巷道跨度或臨空面跨度 L接近基本塊體長度 a的兩倍時(shí)，臨空面上將有 3個(gè)基本塊體脫離母巖向孔洞移動(dòng)，如圖 1一 3。很多工程中臨空面在某一方向上幾乎是無限延長的，于是可動(dòng)塊體也將隨之延伸，形成一個(gè)棱柱體。 2 2 2c o s c o s c o s s i n s i n ( )t tc o tc k ca a a?? ? ? ? ? c os( ) c ot c ot ( )t c t t ca? ? ? ?? ? ? 式中 c o s()c o s s intck o tca arctg ? ?? ? ta — 臺(tái)階面傾角 ca — 層理面傾角 tca — 臺(tái)階面與層理面傾角 t? — 臺(tái)階面傾向方位角 c? — 層理面傾向方位角 o? — 臺(tái)階面與層理面最初傾向方位角，分別為： 542??? 。 c o s c o s s i n c o s ( )tc o tc t cA B R N A B a?? ? ? ? ? ? 2 2 239。39。342??? 。不過臺(tái)階面的走向就是節(jié)理面的走向，可以通過節(jié)理面的走向確定臺(tái)階面的傾向。從結(jié)構(gòu)學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，可以把沉積巖看作為平行六面體的砌體。層理面是巖層沉積過程中不同物質(zhì)的界面，最初呈近水平狀態(tài)，在地質(zhì)構(gòu)造力 作用下，巖層將產(chǎn)生褶曲或傾斜，同時(shí)巖層將沿層理面剪切滑移，使層理面成為貫 向相平行 。 本文不僅探討研究出一套適離散性破碎圍巖控制的技術(shù)方案和設(shè)計(jì)參數(shù) ， 解決了研究對(duì)象的工程實(shí)際問題，還在離散性破碎圍巖控制技術(shù) 研究的基礎(chǔ)理論和方法方面取得一些進(jìn)展，并初步建立了離散 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 性破碎圍巖穩(wěn)定性及其控制研究的基本框架和技術(shù)方法體系，對(duì)我國巷道圍巖控制技術(shù)的不斷提高和完善具有一定的促進(jìn)作用。在理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過 數(shù)值模擬 對(duì)不同的錨桿支護(hù)方案進(jìn)行了模擬比較，最終確定了合理的巷道支護(hù)方案并應(yīng)用于實(shí)踐工程，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 破碎 塊狀 巖體破碎機(jī)理 塊狀巖體共有三組弱面，一組為層理面，兩組為節(jié)理面。不同的巖體中該平行六面體大小不同，但形狀類似。 層理面產(chǎn)狀在一般地質(zhì)報(bào)告中都能提供，臺(tái)階面的產(chǎn)狀比較難于測定。 圖 1一 2為半個(gè)參考球，設(shè)圖中 AOC是水平面，當(dāng)層理面傾角 ac=O時(shí)， CON 為層理面法線， TON 為某一臺(tái)階面法線， R為參考球半徑，則 : CTON ON R?? 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 32 半個(gè)參考球示意圖 2AOC ??? 2OAB ??? 2NtBO ??? 2NtBA ??? COB o??? β o為層理面傾角 ,ac=0時(shí)臺(tái)階面與層理面傾向方位角之差，分別為 : 542??? 。 2tN B A ??? 39。 2ttB N O a?? ? ? 2 2 239。t t cO B A B???? 2 2 2s i n c o s ( ) c o s c o s s i n ( )t t c tc o tc t ca N A B a? ? ?? ? ? ? ? ? ? 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 si n c os( ) c os c ot ( )t t c t t ca a N AB a??? ? ? ? 令 tkN AB a??，則已知層理面 產(chǎn)狀 c? 、 c? 和臺(tái)階面與層理面得夾角 tca ，便可按下式求得臺(tái)階面的產(chǎn)狀。其中最大可動(dòng)塊體的底寬等于 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 臨空面底寬。設(shè)巷道跨 度或臨空面跨度為 L，基本塊體長度為 a，平衡條件可按下列情況計(jì)算。如圖 1一 5所示。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 (2)對(duì)于破碎 塊狀 圍巖，開挖后的巖體強(qiáng)度等于殘余強(qiáng)度，殘 余強(qiáng)度取決于巖塊嚙合程度，巖體變形主要取決于巖塊移動(dòng)，而不是塊體本身變形。但在實(shí)際施工過程中，總有錨桿支護(hù)失敗造成錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)現(xiàn)象產(chǎn)生，造成安全事故。目前錨桿性能一般較好，其本身強(qiáng)度較大，能 有效控制錨固范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性，錨桿支護(hù)后，巷道圍巖變形開始并不明顯，好像支護(hù)效果較好，但隨時(shí)間推移，圍巖作用力轉(zhuǎn)移于錨固范圍以外使錨固區(qū)界面產(chǎn)生離層，最終導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)體整體塌落。錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)體是由錨桿和圍巖共同組成的一個(gè)整體，支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形要受到錨桿的變形和圍巖變形的約束和影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)體在巷道開挖后，在地層應(yīng)力作用下產(chǎn)生有限變形。從上述錨桿、圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)體變形特性分析可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)體為錨桿和圍巖構(gòu)成的復(fù)合承載體，支護(hù)結(jié)構(gòu)體圍巖為塊狀嚙合體，其強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度，錨桿在支護(hù)結(jié)構(gòu)體中起主要的承載作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形破壞受錨桿變形破壞的影響。巖體變形破壞的最大變形研究方法的指導(dǎo)思想就是以支護(hù)結(jié)構(gòu)體的變形作為評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的依據(jù)。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)體圍巖塊體相對(duì)位移 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 趨于穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)體不發(fā)生破壞，那么說明支護(hù)效果較好，支護(hù)結(jié)構(gòu)體處于穩(wěn)定階段。L L— 錨桿長度。一種是 I類光圓鋼筋，一種是無縱筋螺紋鋼筋 (相當(dāng)于 Ⅲ 類鋼筋 )。 (4)支護(hù)結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性最終取決于其變形，當(dāng)變形達(dá)到某一警戒變形值時(shí)，即產(chǎn)生破壞。再利用彈塑性理論中的變分原理或其它方法，建立單元節(jié)點(diǎn)的力和位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，從而求解節(jié)點(diǎn)的位移分量。 ANSYS多物理場禍合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的藕合計(jì)算，如 :熱 — 結(jié)構(gòu)禍合、磁 — 結(jié)構(gòu)禍合以及電 — 磁 — 流體 — 熱藕合，在 CP機(jī)上生成的模型同樣可運(yùn)行于巨型機(jī)上，這樣就確保了 ANSYS 對(duì)多領(lǐng)域多變工程問題的求解。 煤層頂?shù)装鍘r石性質(zhì) (1)煤層頂板 老頂 :細(xì)砂巖，厚 ，灰黑色，粘土質(zhì)膠結(jié)為主，分選差 。主要資料數(shù)據(jù)見表 32。 模擬巷