【正文】 模型的上表面施加均布的壓應(yīng)力 (按280m巖體自重應(yīng)力計算 )，并考慮 計算范圍內(nèi)巖體的自重。 (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(jié)果產(chǎn)生的影響 : (4)對于有限元計算的邊界效應(yīng)要給以足夠重視，研究區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)離模 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 型邊界，整個模型范圍的選擇要符合圣維南原理。模型的選取應(yīng)注意以下幾點 : (1)整個模型應(yīng)該反映研究對象的實際力學(xué)行為，符合基本的力學(xué)規(guī)律 。 表 32 錨桿支護原始資料數(shù)據(jù) 序號 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 巖層單向抗壓強度 5 煤層厚度 6 煤層傾角 6176。二是煤巖的錨固強度及錨固性能。） 1 細(xì)砂巖 58 2 粉砂質(zhì)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(shè)計，而設(shè)計的優(yōu)劣及合理性重在可靠真實全面的設(shè)計原始資料數(shù)據(jù)。 老底 :粉砂巖，厚 2 米，深灰色，夾細(xì)砂巖薄層，水平層狀，波狀層理。 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。 成莊礦屬于離散破碎圍巖，以該礦的地質(zhì)條件為背景 進行數(shù)值模擬 。數(shù)值模擬時，將巖體看作是連續(xù)介質(zhì) 。巖石的力學(xué)屬性是確定巖體性質(zhì)的基礎(chǔ)，但巖體具有特定的結(jié)構(gòu)，加之巖體性質(zhì)各向異性及結(jié)構(gòu)各向異性的影響而使其復(fù)雜化。 巷道錨桿支護數(shù)值模擬分析 數(shù)值模擬是一種評價支護效果的定性或準(zhǔn)定量方法，為了實際操作，應(yīng)該對巖體介質(zhì)性質(zhì)及計算模型等做必要的假定。該軟件可在大多數(shù)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(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。 (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。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)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 。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)。 有限單元法的基本原理 應(yīng)用有限單元法求解任意的連續(xù)體時，應(yīng)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(rèn)為相鄰單元在節(jié)點上連結(jié)構(gòu)成一組單元的集合體，用于模擬或?qū)Ρ平蠼鈪^(qū)域進行分析，同時選定場函數(shù)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(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù) (稱為插值函數(shù) )，近似地表示其位移的分布規(guī)律 。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(jié)果具有一定的局限性，為進一步摸清 離散圍巖 的應(yīng)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(shù)值模擬方法予以研究。 (7)錨桿的變形狀態(tài)受支護結(jié)構(gòu)體變形的影響和約束，兩者相互作用，最后達到協(xié)調(diào)一致，保持良好的錨桿受力狀態(tài)也就保持了支護結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性。 (5)支護結(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結(jié)構(gòu)體破壞的前提條件和必要條件。 (3)支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體中的作用至關(guān)重要。 小結(jié) (1)錨桿支護結(jié)構(gòu)體的 破壞形式主要表現(xiàn)為錨固區(qū)內(nèi)圍巖冒落、錨固結(jié)構(gòu)體整體塌落和頂板表面局部危石冒落。 L— 錨桿桿體有效長度。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，所需變形警戒值對應(yīng)的伸長率取 5%。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 表 2 一 1 冷拉控制應(yīng)力及最大冷拉率 (GBJ10 一 89) 鋼筋級別 直徑（ mm） 冷拉控制應(yīng)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(zhì)有兩種。我們可以就以許用變形值作為變形警戒值。在錨桿受力變形過程中一定存在著一個使錨桿受力狀態(tài)良好的變形值，且這個變形值即為所找的許用變形值，這個變形值一定在 10%伸長率之內(nèi)。 若以長度為 錨桿計 算，錨桿破壞變形量最大為 250mm，此時錨桿處于極限最大受力狀態(tài)隨時產(chǎn)生破壞，也就是說支護結(jié)構(gòu)體也將隨時產(chǎn)生破壞。 (2)錨桿處于塑性變形階段，達到極限破壞點時，錨桿變形量為 : △ L2=10% L(4 一 2) 式中 :△ L2— 錨桿破壞變形量 。L L— 錨桿長度。 支護結(jié)構(gòu)體的變形失穩(wěn)是以錨桿破壞為前提，當(dāng)錨桿在支護結(jié)構(gòu)體中與圍巖一起承受外部載荷，并處于良好的受力狀態(tài)時，支護結(jié)構(gòu)體是穩(wěn)定的，只有當(dāng)錨桿處于危險警戒狀態(tài)時，支護結(jié)構(gòu)才可能處于危險警戒狀態(tài)，那么如何來判定錨桿處于良好狀態(tài) 或危險警戒狀態(tài)呢 ?我們還是從錨桿應(yīng)力一應(yīng)變曲線來分析。 從上述錨桿、圍巖、支護結(jié)構(gòu)體變形特 性分析可知，支護結(jié)構(gòu)體為錨桿和圍巖構(gòu)成的復(fù)合承載體，支護結(jié)構(gòu)體圍巖為塊狀嚙合體，其強度為殘余強度，錨桿在支護結(jié)構(gòu)體中起主要的承載作用，支護結(jié)構(gòu)體的變形破壞受錨桿變形破壞的影響。被拉斷，支護結(jié)構(gòu)體破壞，這個階段稱為支護結(jié)構(gòu)體的破壞階段 。 (4)錨桿支護監(jiān)測技術(shù)完全能夠準(zhǔn)確地測出或描繪出支護結(jié)構(gòu)體的變形特征。 (2)支護結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性受地層壓力大小和結(jié)構(gòu)體本身強度影響，而地層壓力和支護結(jié)構(gòu)體強 度在現(xiàn)場監(jiān)測中很難或無法測定其準(zhǔn)確值。當(dāng)支護結(jié)構(gòu)體的變形達到某一警戒變形值時，支護結(jié)構(gòu)體即產(chǎn)生破壞。 在工程監(jiān)測實踐中很難或無法測定出支護結(jié)構(gòu)體的本身實際強度，故此在確定支護結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性指標(biāo)上無法給出一個實用的測定值，給錨桿支護監(jiān)測帶來了極大不便。最大拉應(yīng)力理論在于能夠形成足以抵抗外部荷載并引起圍巖結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生拉應(yīng)力的強 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 度結(jié)構(gòu)體，只有懸吊理論、圍巖松動圈理論是從圍巖失穩(wěn)和變形方面來考慮的。例如，擠壓加固理論在于定性描述支護結(jié)構(gòu)體形成具有足夠強度的能夠抵抗外部載荷的支護體 。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。如果支護結(jié)構(gòu)體圍巖塊體相對位移趨于穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)體不發(fā)生破壞，那么說明支護效果較好，支護結(jié)構(gòu)體處于穩(wěn)定階段。 第三階段為破壞階段或者穩(wěn)定階段。 第二階段為限制變形階段。這個階段變形量較小，一般不超過 10mm，此時錨桿受力較小，錨桿的支護作用在支護結(jié)構(gòu)體中起次 要作用。從實驗室模擬和計算機數(shù)值模擬來看，支護結(jié)構(gòu)體的變形主要分以下三個階段 : 第一階段為初期變形階段。若不對圍巖進行支護，隨著圍巖變形量的增大，其殘余強度必將不斷減小，最后失穩(wěn)冒落。 (2)圍巖變形特征 對于離散性破碎圍巖來講，巷道開挖后圍巖在地層應(yīng)力作用下由原來的彈性變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性變形狀態(tài)，而塑性變形在地層應(yīng)力繼續(xù)作用下轉(zhuǎn)化為離散破碎變形狀態(tài)，圍巖形成塊體嚙合結(jié)構(gòu)，其本身的殘余強度僅靠塊體 之間的嚙合摩擦形成。 (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螺紋鋼，錨桿處于彈性受力狀態(tài)時，伸長率較小，僅為 %左右。采用錨桿支護的主 要目的是提高圍巖的自身殘余強度，形成整體支護結(jié)構(gòu)體，從而有效控制圍巖的變形量，使圍巖支護結(jié)構(gòu)體的最大變形量控制在所允許的許用變形量范圍之內(nèi)，從而保證圍巖的整體穩(wěn)定性。錨桿支護結(jié)構(gòu)體是由錨桿和圍巖共同作用形成的支護結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體是一個復(fù)合結(jié)構(gòu)體，由錨桿和圍 巖共同承擔(dān)外部荷載。避免此類破壞產(chǎn) 生的方法主要是在支護后對頂板加網(wǎng)進行防護，對與極其破碎的頂板，有條件的礦可以采用內(nèi)注漿法加強巖塊之 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 間的粘結(jié)力和自身強度或者采用表面噴漿法來防止事故發(fā)生。這種破壞形式應(yīng)采用錨索補強的方式來避免，并且需要在支護后加強錨桿支護監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)問題及時補救。 破壞形式 (2):錨固結(jié)構(gòu)體整體塌落 這種現(xiàn)象近年來已造成多起事故，并且一般發(fā)生在錨桿支護后期。這種破壞形式主要是由于錨桿支護參數(shù)設(shè)計不合理造成。錨桿支護結(jié)構(gòu)體是由錨 桿及圍巖共同作用形成的一個結(jié)構(gòu)整體。 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。 錨桿支護結(jié)構(gòu)體破壞機理分析 錨桿支護已應(yīng)用于地下工程和采礦業(yè)多年，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者、工程技術(shù)人員的不懈努力，現(xiàn)己在錨桿支護理論、設(shè)計、施工、監(jiān)測等方面取得了較 成熟的經(jīng)驗，并已廣泛應(yīng)用于采礦業(yè)中，取得了顯著的支護效果和經(jīng)濟效果。 (7)錨桿的間 排距應(yīng)等于或小于塊體長度和寬度，但當(dāng)組合巖塊能形成自穩(wěn)多鉸拱結(jié)構(gòu)時，錨桿間排距可以放寬，但必須掛金屬網(wǎng)輔助支護。 (5)錨桿支護的作用在于改善塊體之間的鉸接特征，提高巖梁中巖塊之間鉸接面和接觸塊體的等級長度以及提高巖梁塊體的整體穩(wěn)定性和巖梁的彎曲變形能力。 (3)支護后所形成的巖梁是塊狀圍巖通過錨桿支護而構(gòu)成的鉸接梁，梁的支護力與塊體的鉸結(jié)形成、塊體強度、塊體運動方向、懸梁的厚度等參數(shù)有關(guān)。 小結(jié) (1)地下巷道工程開挖后，巖體被不連續(xù)面分割為巖塊，依靠本身形成的非連續(xù)殘余塊體或?qū)訝钽q結(jié)巖梁很難有效控制圍巖變形破壞。在小斷面巷道中，可在臨空面跨度的兩端，將錨桿穿過滑動棱柱體，使其與母巖相連，因為此處滑動棱柱體的高度較低，要求錨桿長度不大，只要兩端基本塊體穩(wěn)定不動，就相當(dāng)于減少臨空面跨度，或者說減小可動塊體的體積。如組合巖塊形成多鉸拱結(jié)構(gòu)能滿足平衡條件，則錨桿長度可以小于滑動棱柱體高度。 東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）