【導讀】離散圍巖的巷道支護理論及應用研究。東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）。我國有著非常豐富的煤炭資源，但在煤礦地質條件復雜多變的情。于這些構造帶中的巷道，由于巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，尤其是層間錯動帶、以及受巖漿入侵而形成的擠壓破碎帶等，這些地帶圍巖通常比較離散。破碎，圍巖的松動范圍較大，巷道維護困難，此問題一直困擾著礦山。巷道的安全及使用。離散性破碎巖體是指分布有多組節(jié)理裂隙從而被。切割成大小不一的碎裂塊體的巖石。散破碎巖體的穩(wěn)定性及其失穩(wěn)后的移動變化規(guī)律，建立了離散破碎圍。巖巖體力學結構模型并對其穩(wěn)定性進行分析，最后結合國內外圍巖錨。護結構體變形破壞機理，采用巖體變形破壞的最大變形研究方法分析。確定了支護結構體的破壞警戒值;在理論分析計算的基礎上，通過數。道支護方案并應用于實踐工程，技術經濟效果顯著。性破碎圍巖穩(wěn)定性及其控制研究的基本框架和技術方法體系，對我國。巷道圍巖控制技術的不斷提高和完善具有一定的促進作用。

　　

【正文】 形警戒值。 GBJ10 一 89規(guī)范規(guī)定的冷拉控制應力及最大 冷拉率 見表 21。 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 23 表 2 一 1 冷拉控制應力及最大冷拉率 (GBJ10 一 89) 鋼筋級別 直徑（ mm） 冷拉控制應力（ MP） 最大冷拉率（ %） 備注 Ⅰ 6~12 280 10 直徑小不予考慮 Ⅱ 8~25 450 28~40 430 Ⅲ 8~40 500 5 錨桿長用材料 Ⅳ 10~28 700 4 一般目前所用錨桿材質有兩種。一種是 I類光圓鋼筋，一種是無縱筋螺紋鋼筋 (相當于 Ⅲ 類鋼筋 )。通過上表分析并考慮一定安全系數，可得出當采用無縱筋螺紋鋼錨桿時，所需變形警戒值對應的伸長率取 5%。 表達式為 : a=5% L 式中 :a— 變形警戒值 。 L— 錨桿桿體有效長度。此變形警戒值的意義在于 :當錨桿的變形量在 5%范圍以內時，錨桿受力處于良好狀態(tài)，能充分發(fā)揮錨桿與圍巖的共同支護作用，使支護 結構體保持在整體穩(wěn)定狀態(tài)。 小結 (1)錨桿支護結構體的破壞形式主要表現為錨固區(qū)內圍巖冒落、錨固結構體整體塌落和頂板表面局部危石冒落。 (2)支護結構體破壞的原因只有一個，就是錨桿支護結構體在地層 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 24 應力 (包括自重應力、變形應力和構造力 )作用下產生超出許用變形的大變形，從而破壞了錨桿支護結構體的整體穩(wěn)定性，導致結構體的局部破壞或者整體破壞。 (3)支護結構體的變形特征分三個階段，其變形特征受錨桿變形特征的影響，錨桿在支護結構體中的作用至關重要。 (4)支護結構體的穩(wěn)定性最終取決于其變形，當變形達到某一警戒變形值時，即產生破壞。 (5)支護結構體的破壞以錨桿破壞為前提，也就是說錨桿破壞是支護結構體破壞的前提條件和必要條件。 (6)錨桿破壞取決于錨桿的變形狀態(tài)，當錨桿變形值在 5%XL 范圍內，錨桿受力處于良好狀態(tài)，且發(fā)揮良好的支護作用效果，錨桿變形值小于或等于錨桿有效長度的 5%時，即安全可靠，否則結構體則處于臨界或破壞狀態(tài)。 (7)錨桿的變形狀態(tài)受支護結構體變形的影響和約束，兩者相互作用，最后達到協(xié)調一致，保持良好的錨桿受力狀態(tài)也就保持了支護結構體的穩(wěn)定性。 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 25 研究采場應力分布及控 制頂板巖層運動規(guī)律是確定采場控制方案的重要依據。相似模擬實驗由于測點布置的有限性及其費工需時的缺點，試驗結果具有一定的局限性，為進一步摸清 離散圍巖 的應力分布和巖層移動規(guī)律，并與相似模擬實驗相對比、映證，作為重要的研究手段之一，本文采用數值模擬方法予以研究。數值模擬就是用相關的計算機軟件（數值模擬軟件）來進行數值分析 。 有限單元法的基本原理 應用有限單元法求解任意的連續(xù)體時，應把連續(xù)的求解區(qū)域分割成有限個單元，并在每個單元上指定有限個節(jié)點，一般可以認為相鄰單元在節(jié)點上連結構成一組單元的集合體，用于模擬或 對逼近求解區(qū)域進行分析，同時選定場函數的節(jié)點值，例如取節(jié)點位移作為基本未知量，并對于每個單元根據分塊近似的思想，假設一個簡單的函數 (稱為插值函數 )，近似地表示其位移的分布規(guī)律 。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)點的力和位移之間的力學特性關系，得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數方程組，從而求解節(jié)點的位移分量。一經解出，就可以利用插值函數確定單元集合體上的場函數。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么，隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內單元的數目，解的近似程度將不斷改進，近似解最終將收斂于精確解 。 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 26 有限單元法具有許多優(yōu)點，其中主要有 : ()l概念淺顯，容易掌握，可以在不同水平上建立對該法的理解 。 (2)適用性強，應用范圍極為廣泛 。 (3)該法采用矩陣形式表達，便于編制計算機程序，可以充分利用高速電子計算計提供的方便。 ANSYS 軟件簡介 ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件可在大多數計 算機及操作系統(tǒng)中運行，從 CP 機到工作站直至巨型計算機， ANSYS 文件在所有的產品系列和工作平臺上均兼容。 ANSYS多物理場禍合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的藕合計算，如 :熱 — 結構禍合、磁 — 結構禍合以及電 — 磁 — 流體 — 熱藕合，在 CP機上生成的模型同樣可運行于巨型機上，這樣就確保了 ANSYS對多領域多變工程問題的求解。 巷道錨桿支護數值模擬分析 基本假設 數值模擬是一種評價支護效果的定性或準定量方法，為了實際操作，應該對巖體介質性質及計算模型等做必要的假定。巖石的力學性質是指它的彈性、塑 性、粘性及各向異性等，根據在應力作用下所表 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 27 現出來的變形特征即本構關系，可將巖石分為線彈性體、彈塑性體及粘彈性體等多種屬性。巖石的力學屬性是確定巖體性質的基礎，但巖體具有特定的結構，加之巖體性質各向異性及結構各向異性的影響而使其復雜化。大量的工程實踐表明，巖體結構特征在空間上的分布既具有一定的規(guī)律性，又有一定的隨機性。數值模擬時，將巖體看作是連續(xù)介質 。根據計算目的，將巖體視為彈塑性介質。 原始資料數據 成莊礦屬于離散破碎圍巖，以該礦的地質條件為背景 進行數值模擬 。 煤層頂底板巖石性質 (1)煤層頂 板 老頂 :細砂巖，厚 ，灰黑色，粘土質膠結為主，分選差 。 直接頂 :粉砂質泥巖，厚 米，灰黑色，層理較發(fā)育，且層理上有較多云母片。 (2)煤層底板 直接底 :泥巖，厚 米，灰黑色，泥質結構，水平層理發(fā)育 。 老底 :粉砂巖，厚 2 米，深灰色，夾細砂巖薄層，水平層狀，波狀層理。 煤及頂底板巖層力學特性 見 表 31 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 28 表 3 一 1 煤層及頂底板巖層力學特性表 序號 巖層厚度 （ m） 巖石名稱 RQD 指標 彈性模量 （ GPa） 泊松比 單軸抗壓 強度 （ MPa） 抗拉 強度 （ MPa） 內聚力（ MPa） 內摩擦角 容重 （ g/cm179。） 1 細砂巖 58 2 粉砂質泥巖 27 3 巷道 4 煤 0 5 泥巖 12 6 2 粉砂巖 44 錨桿支護重在設計，而設計的優(yōu)劣及合理性重在可靠真實全面的設計原始資料數據。主要包括兩個方面的內容 :一是圍巖力學特 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 29 性指標 。二是煤巖的錨固強度及錨固性能。主要資料數據見表 32。 表 32錨桿支護原始資料數據 序號 原始資料名稱 測試數據 1 頂板巖層層數與厚度 2() 2 各層節(jié)理裂隙間距 3 巖層的分層厚度 4 巖層單向抗壓強度 5 煤層厚度 6 煤層傾角 6176。 7 巷道埋深 8 煤層單向抗壓強度 298m 9 煤柱寬度度 25m 10 錨桿在頂板巖層中實際錨固力 120kN 11 錨桿在煤層中的實際錨固力 62kN 12 巷道兒何形狀與尺寸 矩形 (3100X2900) 數值模型建立 數值模擬的可靠性在一定程度上取決于所選取的計算模型。模型的選取應注意以下幾點 : (1)整個模型應該反映研究對象的實際力學行為，符合基本的力學規(guī)律 。 (2)模型要根據計算目的突出重點因素，可 以適當忽略一些次要因素 。 (3)模型范圍相對于研究區(qū)域盡可能保持對稱，以避免由于模型不對稱而對計算結果產生的影響 : (4)對于有限元計算的邊界效應要給以足夠重視，研究區(qū)域應遠離模 東北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 30 型邊界，整個模型范圍的選擇要符合圣維南原理。 建立數值分析模型如下