锚固洞室端部参数对抗爆能力影响研究.pdf

第3 1 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．3 1N 。．1 2 0 1 4 年3 月B L A S T I N GM a r ．2 0 1 4 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 1 1 锚固洞室端部参数对抗爆能力影响研究术 王光勇l a , l b , 2 ，余永强l a , l b ，王超h ’岫 1 ．河南理工大学a ．深部矿井建设重点学科开放实验室；b ．土木工程学院，焦作4 5 4 0 0 0 ； 2 ．中国科学技术大学近代力学系，合肥2 3 0 0 2 6 摘要为了能给两种特殊锚杆支护形式提供施工参数，利用数值分析，研究了端部加密锚杆和端部消波 锚杆在顶爆作用下端部参数对抗爆能力影响。数值分析结果表明当加密部分弹性模量从7 ．5G P a 增加到 2 2 ．5G P a ，拱顶位移减小了2 1 ％，而当弹性模量从2 2 ．5G P a 增加到4 5G P a ，拱顶住移只减小了4 ％；锚杆端 部消波模型的弹性模量小于0 ．9G P a 时，拱顶位移从1 ．8 5 1 tm m 降到0 ．1 0 0 7 1m m ；两种支护形式的加密和消 波部分随着厚度的增大，位移越来越小，但变化越来越缓慢，尤其消波部分厚度变化对提高抗爆能力效果更小。 关键词防护工程；端部加密和消波锚固洞室；弹性模量；厚度；抗爆能力 中图分类号T U 4 5 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 4 0 1 0 0 5 1 0 4 I n f l u e n c eo fA n c h o rT o pP a r a m e t e r so fU n d e r g r o u n d C a v i t yo nE x p l o s i o nR e s i s t i n gC h a r a c t e r i s t i c W A N GG u a n g ．y o n 9 1 。，1 6 2 ，Y UY o n g ．q i a n 9 1 。，1 6 ，W A N GC h a 0 1 8 ，1 6 1 ．a ．O p e n i n gP r o j e c to fK e yL a b o r a t o r yo fD e e pM i n eC o n s t r u c t i o n ；b ．S c h o o lo f C i v i lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．D e p a r t m e n to f M o d e mM e c h a n i c s ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a ，A n h u i2 3 0 0 2 6 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt op r o v i d ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r so ft w ok i n d so fs p e c i a lb o l ts u p p o af o r m s ，t h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r so ft h ee n dw e a k e n e db yh o l e sa n da n c h o rt o pr e i n f o r c e db yd e n s er o c kb o l t so ne x p l o s i o nr e s i s t i n gc a p a c i t yw e r es t u d i e db yn u m e r i c a la n a l y s i su n d e rt o pe x p l o s i o n ．T h ed i s p l a c e m e n tw a sr e d u c e d2 1 ％w i t ht h ee l a s t i c m o d u l u so fa n c h o rt o pr e i n f o r c e db yd e n s er o c kb o l t sf r o m7 ．5G P at o2 2 ．5G P a ．w h i l ei tw a sr e d u c e4 ％w i t ht h ei n c r e a s i n go fe l a s t i cm o d u l u sf r o m2 2 ．5G P at o4 ．5G P a ．W h e n t h ee l a s t i cm o d u l u so ft h ee n dw e a k e n e db yh o l e sw a s l e s st h a n0 ．9G P a ，t h ed i s p l a c e m e n tr e d u c e df r o m1 ．8 511m mt o0 ．1 0 0 71m m ．T h ed i s p l a c e m e n to ft h ee n dw e a k - e n e db yh o l e sa n da n c h o rt o pr e i n f o r c e db yd e n s er o c kb o l t sw a sr e d u c e dw i t ht h et h i c k n e s si n c r e a s i n g ，w h i l et h er a t e b e c a m es m a l l e r ． K e yw o r d s p r o t e c t i v ep r o j e c t s ；u n d e r g r o u n dc a v i t y ；a n c h o rt o pr e i n f o r c e db yd e n s er o c k b o h s ；e l a s t i cm o d u l u s ； e x p l o s i o nr e s i s t i n gc a p a c i t y 近年来，随着国民经济的迅速发展，为了满足人 收稿日期2 0 1 3 0 9 1 1 作者简介王光勇 1 9 7 7 一 ，男，副教授、博士后，2 0 0 0 年毕业于河南 理工大学土木工程学院矿井建设专业，主要从事岩土工程 动载试验方面的教学与研究工作， E m a i l w g y 2 0 0 3 m a i l ．u s t c ．e d u ．c a 。 项目基金国家自然基金 4 1 0 7 2 2 2 5 ；深部矿井建设省级重点实验 室开放基金 2 0 1 1 K F 一0 5 ；河南理工大学青年骨干教师资 助项目 们不断扩展生存空间和开发地下资源的需求，越来 越多的地下巷道工程已成为国民经济、人民生活和 国防建设的重要组成部分。由于锚杆支护是一种结 构简单的支护形式，它能最大限度地保持围岩的完 整性、稳定性，有效地控制围岩变形、位移和裂缝的 发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，如今己被广泛 应用于煤矿、金属矿山、水利、隧道以及国防等岩土 万方数据 5 2爆破 工程中J 。巷道中锚杆支护结构在服务期间除了 受地压等静载外，还常受到爆破、采掘、地震以及国 防上受到敌人炸弹攻击等动载作用，因此研究锚杆 加固技术在动力作用下的效应具有重要的实用 意义。 目前，许多国内外学者已经对动载作用下地下 锚固巷道进行一定的研究旧。14 I ，但主要是集中在抗 爆性能、加固机理方面，然而对提高锚固巷道的抗爆 能力研究比较少，即使在支护形式作了一些研究，然 而具体施工参数没有参考。为了提高锚杆的抗爆能 力，文献[ 1 4 ] 提出两种特殊的支护形式端部加密 锚杆支护和锚杆端部钻孔的端部消波锚杆两种支护 形式。针对以上科学问题，利用数值分析对两种特 殊锚杆支护形式端部参数的影响规律进行研究，从 而为工程实践提供参考。 1 数值模型 计算模型选取总参工程兵科研三所岩土与结构 工程重点实验室的地质力学试验模型，取宽高X 厚 2 4 0 0m m 2 3 0 0m m 4 0m m ，见图1 ，即沿洞室 平面的水平方向2 4 0 0m m ，竖直方向2 3 0 0m m ，洞室 轴向4 0m m ，作近似二维的平面数值模拟。根据锚 固机理，把加密部分和消波部分等效为类似衬彻加 固带和消波带。 图1数值汁算模型 单位m m F i g ．1 T h ec a l c l l l a f i o nm o d e lo fn u m e r i c a la n a l y s i s u n i t m m 围岩介质采用压力增强的弹塑性本构模型 M A T S O I L C O N C R E T E ，锚杆材料选用弹性本构模 型M A T P L A S T I C K I N E M A T I C ；炸药使用L S D Y N A 3 D 程序提供的高性能炸药材料模型M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N ，T N T 炸药单元取试验炸药总 质量的1 ／2 ，5 0g ，高性能炸药爆轰产物压力一体积 关系采用J W L 状态方程，其_ p ．y 关系如公式 1 ，式 中参数见表1 。 表1T N T 炸药、J W L 方程、模型及锚杆材料参数 T a b l e1M a t e r i a lp a r a m e t e r so fT N T ，J W L ，m o d e la n db o l t p2 4 1 一剖e 呐” 曰 1 一剖e 也。 警 1 式中P ，E 。，V 分别表示爆轰产物单元压力、初始内 能密度和相对体积；相关模型材料计算参数见表1 ， 其中A 、B 、R ，、R 2 、∞为J w L 方程常数；J D 。、P 、P 3 分别 为炸药、围岩介质、锚杆的材料密度；P c ，为炸药爆轰 压力；％为炸药的爆速；E 。为爆轰初始内能；G 、K 为炸药材料的剪切模量、体积弹性模量；E 、肛为锚杆 材料的弹性模量、泊松比。 在数值分析中，岩体介质和炸药采用六面体实体 单元模拟，用梁单元代替锚杆单元。为了方便计算起 见，建立轴向取4c m 来近似模拟平面应变问题。为 了模拟出半无限体中的应力波的传播规律，模型左右 边界、前后边界以及百边界设置为透射边界，同时左 右边界、前后边界设置为水平位移为零边界，下边界 设置三个方向都固定。上表面为自由边界，忽略岩体 自重对应力波传播造成的影响。 2 锚杆端部参数对抗爆能力影响研究 通过作者以前的试验分析，端部加强锚杆和端 部消波锚杆支护洞室能够提高洞室的抗爆能力，但 是由于试验的人力、物力和财力有限，不能的对锚杆 端部加密和消波部分的影响因素进行全面的分析， 若能知道其影响规律，将对防护工程围岩加固以及 生产实践有很好的参考价值，因此，有必要借助于现 代电子计算机的强大运算能力，进行该项研究。 影响锚杆端部加密和消波部分的因素比较多， 但通过试验可以知道，锚杆端部的主要硬度参数 弹性模量 和厚度是两个重要影响因素，下面就这 两个因素影响规律进行分析。 ∞巾i怯旷iL㈦『～ 万方数据 第3 1 卷第1 期王光勇，余永强，王超锚固洞室端部参数对抗爆能力影响研究 5 3 2 ．1 锚杆端部弹性模量的影响 图2 和图3 分别是锚杆端部加密和锚杆端部消 波模型的弹性模量与位移的关系图，图中表明，随着 端部加密锚杆模型加密部分的弹性模量增加，位移 越来越小，并且变化率越来越小，当加密部分弹性模 量从7 ．5G P a 增加到2 2 ．5G P a ，拱顶位移减少了 0 ．5 3 3 8 ／／l ／l q ，减小了2 1 ％；而当弹性模量从2 2 ．5G P a 增加到4 5G P a ，拱顶位移只减少了0 ．0 8 0 3m m ，减小 了4 ％。这表明当弹性模量大于2 2 ．5G P a ，位移变 化微小j 增加其弹性模量意义不大，即随着锚杆端部 加密部分的锚杆越密，减少位移效果越不明显，结合 实际实施，建议在长锚杆中间加1 ～2 排效果较好。 端部消波锚杆模型是随着消波部分弹性模量的减小， 位移越来越小，并且变化很明显，尤其当弹性模量小 于0 ．9G P a ，变化非常大，拱顶位移从1 ．8 5 1 1m i l l 降到 0 ．1 0 0 7 1B i n ，减小十几倍，效果显著，这也说明在锚杆 端部钻孔面积越大，效果越明显。 图2 加密部分弹性模量与位移关系图 F i g ．2 T h er e l a t i o nb e t w e e ne l a s t i cm o d u l u so fa n c h o r t o pr e i n f o r c e db yd e n s er o c kb o l t sa n dv a u l td i s p l a c e m e n t 吕 吕 楼 趔 图3消波部分弹性模量与位移关系图 F i g ．3 T h er e l a t i o nb e t w e e ne l a s t i cm o d u l u so f t h ee n dw e a k e n e db yh o l e sa n dv a u l td i s p l a c e m e n t 2 ．2 锚杆端部厚度的影响 两种超常规锚杆支护洞室模型的锚杆端部加密 和消波厚度与位移的关系如图4 和图5 所示，从图 中可以得出，随着锚杆端部加密部分厚度的增加，位 移越来越小，但变化越来越缓慢，这说明厚度越大效 果越不明显。随着锚杆端部消波部分厚度的增加， 拱顶位移变化也不大，当厚度从6m m 增加到 1 2m m ，拱顶的位移只减小了0 ．1 7 9 3m m ，减小不到 1 0 ％，当厚度在1 2 ～1 8m m 之间，位移几乎没有发 生变化，只有当厚度加大到2 1m m 时，位移才有点 变化，这表明消波部分厚度的变化对提高抗爆能力 不大。 图4 加密部分厚度与位移关系图 F i g ．4 T h er e l a t i o nb e t w e e nt h i c k n e s so fa n c h o rt o p r e i n f o r c e db yd e n s er o c kb o l t sa n dv a u l td i s p l a c e m e n t 图5消波部分厚度与位移关系图 F i g ．5 T h er e l a t i o nb e t w e e nt h i c k n e s so ft h ee n d w e a k e n e db yh o l e sa n dv a u l td i s p l a c e m e n t 3结论 主要是利用数值模拟研究了两种超常规模型 加密和消波 端部弹性模量和厚度对洞室抗爆能 力影响。当加密部分弹性模量从7 ．5G P a 增加到 2 2 ．5G P a ，拱顶位移减小了2 1 ％；而当弹性模量从 2 2 ．5G P a 增加到4 5G P a ，拱顶位移只减小了4 ％。 当锚杆端部消波模型的弹性模量小于0 ．9G P a ，拱 顶位移从1 ．8 5 1 1m m 降到0 ．1 0 0 7 1m m ，减小十几 倍。两种模型随着端部厚度的增大，位移越来越小， 并且变化越来越缓慢，尤其消波部分厚度变化对提 高抗爆能力效果更小，当厚度从6 m m 增加到 1 2m m ，拱顶的位移减小不到1 0 ％，厚度在1 2 ～ 万方数据 爆破 2 0 1 4 年3 月 1 8m m 之间，位移几乎没有发生变化，只有当厚度加 大到2 1m m 时，位移才有点变化。 [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 单仁亮，周纪军，夏宇，等．爆炸荷载下锚杆动态响 应试验研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 1 ，3 0 8 1 5 4 0 ．1 5 4 6 ． S H A NR e n l i a n g ，Z H O UJ i - j u n ，X I AY u ，e ta 1 ．E x p e f i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f fd y n a m i cr e s p o n s eo fr o c k b o hu n d e rb l a s t i n gl o a d [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g ，2 0 1 1 ，3 0 8 1 5 4 0 1 5 4 6 ． i nC h i n e s e 李世民，韩省亮，曾宪明，等．锚固类结构抗爆性能研 究进展[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 8 ，2 7 S 2 3 5 5 3 3 5 6 2 ． L IS h i m i n ，H A NS h e n g l i a n g ，Z H E N GX i a n m i n g ，e ta 1 ． R e s e a r c hp r o g r e s so fe x p l o s i o n - r e s i s t a n c eb e h a v i o ro fa n - c h o r a g et y p eo fs t r u c t u r e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，2 7 S 2 3 5 5 3 - 3 5 6 2 ． i nC h i n e s e O R T L E P PWD ，S T A C E YTR ．P e r f o r m a n c eo ft u n n e ls u p p o r tu n d e rl a r g ed e f o r m a t i o ns t m i ca n dd y n a m i cl o a d i n g [ J ] ． T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，1 3 1 1 5 - 2 1 ． G I S L ES ，A R N EM ．T h ei n f l u e n c eo fb l a s t i n go ng r o u t e d r o c kb o l t s [ J ] ．T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，1 3 1 6 5 - 7 0 ． T A N N A N TDD ，B R U M M E RRK ，Y IX ．R o c k b o hb e h a v - i o u ru n d e rd y n a m i cl o a d i n gf i e l dt e s t sa n dm o d e l i n g [ J ] ． I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i - e n c ea n dG e o m e c h a n i c sA b s t r a c t s ，1 9 9 5 ，3 2 6 5 3 7 5 5 0 ． A N D E R SA ．D y n a m i ct e s t i n go fs t e e lf o ran e wt y p eo fe n - e r g ya b s o r b i n gr o c kb o l t [ J ] ．J o u r n a lo fC o n s t r u c t i o n a l S t e e lR e s e a r c h ，2 0 0 6 ，6 2 5 5 0 1 - 5 1 2 ． Z H A N GCS ，Z O UD H ，M A D E N G AV ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw a v ep r o p a g a t i o ni ng r o u t e dr o c kb o l t sa n dt h e e f f e c t s o fm e s hd e n s i t ya n dw a v ef r e q u e n c y [ J ] ．I n t e m a t i o n a lJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e s ， 2 0 0 6 ，4 3 4 6 3 4 - 6 3 9 ． 杨苏杭，梁斌，顾金才，等．锚固洞室抗爆模型试验 锚索预应力变化特性研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 6 ，2 5 S 2 3 7 4 9 - 3 7 5 6 ． Y A N GS u h a n g ，L I A N GB i n ，G UJ i n c a i ，e ta 1 ．R e s e a r c h o nc h a r a c t e r i s t i c so fp r e s t r e s sc h a n g eo fa n c h o r a g ec a b l e i na n t i e x p l o s i o nm o d e lt e s to fa n c h o r e dc a v e r n [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ， 2 5 S 2 3 7 4 9 - 3 7 5 6 ． i nC h i n e s e 杨自友，顾金才，陈安敏，等．爆炸波作用下锚杆间距 [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 4 ] 对围岩加固效果影响的模型试验研究[ J ] ．岩石力学 与工程学报，2 0 0 8 ，2 7 4 7 5 7 - 7 6 4 ． Y A N GZ i - y o u ，G UJ i n - c a i ，C H E NA n - m i n ，e ta 1 ．M o d e l e x p e r i m e n ts t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fr e i n f o r c e m e n te f f e c t s o fi n t e r v a l so fr o c kb o l t si nw a l lr o c ku n d e rt h ee f f e c t o f e x p l o s i v ew a v e s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，2 7 4 7 5 7 - 7 6 4 ． i nC h i n e s e 王光勇，顾金才，陈安敏，等．拱顶端部加密锚杆支护 洞室抗爆加固效果模型试验研究[ J ] ．岩土工程学 报，2 0 0 9 ，3 1 3 3 7 8 - 3 8 3 ． W A N GG u a n g y o n g ，G UJ i n - e a i ，C H E NA n - m i n ，e ta 1 ． M o d e lt e s t so na n t i e x p l o s i o na n c h o r i n ge f f e c to ft u n n e l s r e i n f o r c e db yd e n s eb o l t sa ta r c ht o p [ J ] ．C h i n e s eJ o u r - h a lo fG e o t e e h n i e a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 9 ，3 1 3 3 7 8 3 8 3 ． i nC h i n e s e 薛亚东，张世平，康天合．回采巷道锚杆动载响应的 数值分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 1 1 1 9 0 3 ．1 9 0 6 ． X U EY a d o n g ，Z H A N GS h i p i n g ，K A N GT i a n - h e ．N n - m e r i c a la n a l y s i so fd y n a m i cr e s p o n s eo fr o c kb o l t si n m i n i n gr o a d w a y s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 1 1 1 9 0 3 1 9 0 6 ． i nC h i n e s e 鞠杨，夏昌敬，谢和平，等．爆炸荷载作用下煤岩巷 道底板破坏的数值分析[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 4 ，2 3 2 1 3 6 6 4 3 6 6 8 ． J UY a n g ，X I AC h a n g - j i n g ，X I EH e p i n g ，e ta 1 ．N u m e r i c a l a n a l y s i so fr u p t u r eo fs u b f l o o ro fc o a lm i n et u n n e ls u b j e c t e dt ob l a s t i n gl o a d s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，2 3 2 1 3 6 6 4 3 6 6 8 ． i n C h i n e s e 单仁亮，周纪军，夏宇，等．粘结式锚杆在爆炸动载 下轴向应力分布研究[ J ] ．岩土力学，2 0 1 1 ，3 2 1 0 2 9 6 5 - 2 9 7 2 ． S H A NR e n l i a n g ，Z H O UJ i - j t m ，X I AY u ．e ta 1 ．A x i a ls t r e s s d i s t r i b u t i o no fg r o u t e dr o c k b o l t ss u b j e c t e dt ob l a s tl o a d i n g [ J ] ．R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ，2 0 1 1 ，3 2 1 0 2 9 6 5 2 9 7 2 ． i nC h i n e s e 王光勇，顾金才，陈安敏，等．端部消波和加密锚杆支 护洞室抗爆能力模型试验研究[ J ] ．岩石力学与工程 学报，2 0 1 0 ，2 9 1 5 1 - 5 8 ． W A N GG u a n g y o n g ，G UJ i n c a i ，C H E NA n - m i n ，e ta 1 ． M o d e lt e s tr e s e a r c ho na n t i e x p l o s i o nc a p a c i t yo fu n d e r - g r o u n do p e n i n g sw i t he n dw e a k e n e db yh o l e sa n da n c h o r t o pr e i n f o r c e db yd e n s er o c kb o l t s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 1 0 ，2 9 1 5 1 5 8 ． i nC h i n e s e 万方数据