平顶巷道锚杆支护机理的数值模拟.pdf

1 2 矿 业 工 程 M i ni ng Eng i ne e r i ng 第 3卷第 3期 2 0 0 5年 6月 平顶巷道锚杆支护机理的数值模拟 谭 小宁 王连 国 秦 昊 中国矿业大学 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 利用 ANS Y S软件．通过模拟锚杆支护对顶板离层的影响和锚杆支护对巷道周边 围岩强度的影 响．揭示了巷道锚杆支护作用的力学机理 ．证 明锚杆支护可 以有效地减小和限制直接顶的下沉和离层并能 够阻止巷道周边围岩的变形 ．并使得锚固体的弹性模量有较大的提高，从而提高巷道周边的围岩强度 ，达 到支 护 的 目的 。 关键词 顶板离层 ；巷道应力 ；锚杆支护 中图分类号 TD 3 5 3 ． 6 文献标识码 A 文章编号 l 6 7 l 一8 5 5 0 2 0 0 5 0 3 0 0 1 2 0 3 0 引言 锚杆支护以其技术 和经济上的优越性而广泛应用于煤 矿、 金属与非金属矿 、 铁路 、 交通、 水利以及土模工程等部 门。 锚杆在煤矿的应用范围不断扩大， 除了在稳定性好的围岩条 件下使用外 ． 在稳定性较差的煤层巷道 、 软岩 巷道 和深井巷 道中也逐步使用[ 】 ’ 。大量巷道围岩- 支护关 系研究结果表 明口 ] ， 支护强度对巷道围岩变形有 明显控制作用。对 于回 采巷道经常遇到的层状岩体 ． 当巷道开挖后， 直接顶 因弯曲 变形与老顶分离 ． 两帮相对移近 ， 随着时间的推移． 若不采取 有 效 的支 护措施 ， 巷道 会变 形 ． 易 引起 事故 。 1 锚杆锚固机理力学模型[ 5 1。 ] 煤矿覆岩属 于沉积 岩层 ，实 际作 用在某 一岩 层上 的 力“ 可由下式判断和计算 Ei h } ∑ ，f h f q _ ， 1 一 了 兰L 一 1 ∑E h 式 中E i 、 h 、 分别为第 i 层岩梁 的弹性模量 、 厚度和 重力密度 ； 作用在岩梁上的岩层数 由下向上排列 。 锚杆将各个岩层夹紧组合起来成为一个较厚 的 “ 组合 梁” ．则该梁的最大弯曲应变可表示为 e ⋯ 一 2 ⋯ 一 z J 式中 Ⅳ组 合梁 自重；L 组合 梁跨度 ；￡ 组合 梁高度 ；卜岩石的弹性模量 。 式 2 表明．梁 的厚度越大．固端梁的最大应变值越 小。如果记锚固顶板的最 大应变为 e ， ．没有锚 固顶板 的最 大应变为 e ， _ ．则锚固作用所引起的应变减小 A ， e ， 一 e ， _ 3 锚杆支护不仅影响巷道顶板的变形，而且影响 围岩的 应力 。锚杆支护一般在巷道开挖完成后实施．此时 围岩的 弹塑性变形已经完成 ．使锚杆产生锚 固力是 围岩峰后的剪 胀变形 ．随着剪账变形 的渐进发展 ．锚杆从径 向和切 向两 个方向上 产生限制剪胀变形 的力 、 ．剪胀变 形越大 ， 锚杆的径向和切向的锚固力越高 。锚杆 的锚 固作用使得围 岩在较高的应力状态下获得稳定平衡。 收稿 日期；2 0 0 5 0 1 一o 4 作者简介；谭小宁 1 9 8 0 一 ．女 汉族 ，山东烟台人 ，中国矿业 大 学理 学 院矿 山工 程力 学研 究所 ，硕士 研究生 。 如图 l所示 的锚 固机理力学模型l_ 6 j 。该模型将锚杆锚 固作用均化到围岩 中，在锚固范围内．每一单元体都有一 根 “ 单位锚杆”通过 ．若锚杆 间、排距分 别为 i 、s ．锚杆 一 2 直径为 d ，则单元体上通过 的 “ 单位锚杆”为 。单位锚 杆从径向和切 向两个方向上对单元体的剪胀错动产生限制 力 ．体现锚杆对围岩的锚固作用 径 向锚 固力 f E a ≤ [ ] b -- 一 0 [ ] 式中 E 锚杆杆材的弹性模量 ；[ ]锚杆杆材的抗 拉 强度 。 P ＼ ＼ ／ ／ ＼ ～一 ／ 图 1 锚 固围岩体 峰 后剪 胀变 形分 析 切向锚固力 f e ≤ [ r ] 一 2 I 0 [ r ] l 式中 G 、 [ r ] 锚杆的抗剪摸量和抗剪强度 ； e 单元体 错动程度 ． 对于某一类岩石 e 与 a有函数关系 ． e a ． 反映岩石本身的属性。 2 锚杆支护巷道围岩的数值模拟 2 ． 1 模 型 的建立 一 般情况下．巷道支护方 面的问题 ．可简化为平面应 变问题 e 一O 。根据上面的分析 ．建立相应 的分析模型。 计算模型为5 3 m5 3 m；巷道为3 m2 ． 5 m。计算 中考虑 地应力 的作用 。模型的几何及力学特性参数在表 l中给出。 在图 2 所示的模型基础上 ，在直接顶 上施加锚杆．其 中锚 杆 的 长 是 2 ． 5 m，直 径 0 ． 0 1 8 m，弹 性 模 量 E 2 0 0 G P a ，泊松 比 o ． 2 。 、 、 、 、 一 ， ， ／ ／ 维普资讯 2 0 0 5年第 3期 谭小宁等 平顶巷道锚杆支护机理的数值模拟 1 3 表 1 模型的几何及力学特性参数 2 ． 2 锚杆支护巷道围岩的应力 如图 3所 示，通过 ANS YS进行数值模拟 ，得 到锚杆 支护作用时巷道 围岩的等效应力云图，以及巷道顶板 的应 力变化情况。 q Y X X X X X X ～ 砂岩 页岩 煤 图 2巷 道 围岩的 数值计 算 模型 图3 a n 0 时的等效应力云图 图3 b n 1 时的等效应力云图 图3 c n 2 时的等效应力云图 图3 d n 3 时的等效应力云图 顶板处 出现离层主要原因是受到临近岩石约束的直接 顶在重力作用下下沉所产生 的侧 向反力所确定 的。两 帮相 对鼓 出；应力分析 表 明，4个 角 点处有 明显 的应 力集 中； 相 比与其它岩层等效应力 ，巷道上方最近的一层 软岩 的等 效应力 明显较大 ，容易遭到破坏。从 图 3还可 以看出顶板 岩层 ．在拱座处的应力变化不连续 ，因此在该处易发生剪 切破坏 ．使得层状岩层呈整体 冒落。而两帮均为煤体 ．较 松软 ．角点处的应力集 中，会使角点处岩石受到破坏 以及 发生煤壁出现片帮．综上分析得出 ．巷道开挖后 ．受到破 坏 的部 位 是顶板 和 两帮 。 2 3 锚 杆支 护巷 道 围岩 的变 形 离层最大量与锚杆 密度 的相互关系。巷道开挖后 ．应 力发生变化。巷道边缘 的径 向应力在无支 护时下 降为零 ． 使 口 。 ／ a 。 趋于无穷大 。所以巷道的破坏主要是张性破坏。 O 1 1 O ， 1 0 , 0 9 0．08 詈 0．07 0 , 06 O ， O5 Ll／m 图 4 a u 一 Y关 系曲线 0 0 ．1 5 0 3 0 ．4 5 n 6 0 ．B o 9 1 1 2 1 3 5 1 5 L 2 ／ m 图 4 b u 。 一 X 关 系 曲线 图 4给出了两帮移近量 U 。 、顶板与底板 的移近量 变 化 曲线．U。 随着锚杆支护密度的增大而减小；巷道两帮边 中部的移近量高于帮边的两端移近量 ，与实际情况相符 。 虽然在顶板进行锚杆支护．使两帮移近量 U。 有所减小，总 体上两帮的变形影响不大，因此在实际工程中 ，为阻止两 帮产生较大的变形 ．不仅在顶板上进行锚杆支护，而且对 两帮也进行支护。数值计算表明，锚杆长在 1 6 ～2 0 m 变化 时 ，对 巷道 围岩 的 控制 效 果 基本 相 同 ，因此 没 有 必 要 加 大 锚杆长度 ，但密度变化时对控制效果影响较大。 3 巷道周边围岩强度数值模拟 通过 ANS Y S后处理 分析，得到如图 5给 出的在锚杆 支护和等效作用下巷道两 帮移近量 u 。 及顶底板移 近量 L ， 的相互关系曲线 代表巷道顶板施加的锚杆密度 。 分析上述结果可知 ，顶板进行锚杆支护后 ，巷道周边 围岩的弹性模量 、屈服极限均得到 了不 同程度的提高 ，即 锚杆对巷道围岩起到一定 的锚固作用。并有效地控制 了巷 道围岩的变形，减小了巷道两帮和顶、底板的相对移近量 ， 尤其对巷道上覆岩层 的离层现象起到 了很好 的控制作用。 巷道开挖后 ，应力发生变化。巷道边缘的径 向应力在无支 护时下降为零 ．使 z ／ a 趋于无穷大 ，所以巷道的破坏主要 3 5 2 5●5●5 9 5 8 ● 2 ● ● ● O 9 0 8 川 n ㈣ 暑 ＼ 日 维普资讯 l 4 矿 业 工 程 第3 卷 第3 期 是张 性破 坏 。锚杆 支 护 实 施后 ，锚 杆 从 径 向 和切 向两 个 方 向上 产生 限 制 围岩变 形 的力 、 ，相 当 于减 小 了 z ／ a 的 值，围岩的承载能力得到提 高。锚杆 的锚 固作用就是使得 围岩在较高的应力状态下获得稳定平衡 。因此在实际工程 中 ，两帮进行锚杆支护 ，可 以使 巷道周边围岩 的强度得到 提高，从而提高围岩的抗破坏能力 。 4 结语 对巷道顶板离层 的分析可知 ， 巷道顶板的离层量 0 O ．2 5 O 5 O ．7 5 I 1 ．2 5 1 ． 5 1 ．7 5 2 2 2 5 L1 ／ m 图 5 a n1时的 U 。 一 y关 系 曲线 0 0 ． 1 5 0 ．3 0 ．4 5 0 ． 6 0 7 5 0 ．9 1 ．0 5 1 ． 2 1 ．3 5 1 ．5 I J m 图 5 b n1时的 u 一关系曲线 0． 0 85 0 ． 08 0． 0 7 5 0 ． 0 7 0 ． 0 6 5 0 ． 0 6 0 ． 0 5 5 0 ． 0 5 0 ． 0 4 5 0． 0 4 Ll／m 图 5 c n2时的 U D y关 系 曲线 0 ． 0 5 3 0 ． 0 5 2 0 ． 0 5 1 0 ． 0 5 专0 ．0 4 9 0 ．04 8 0 ． 04 7 0 ． 04 6 L 1 ／m 图 5 e n3时的 u 一 y关 系 曲线 0 O ． 1 5 0 ． 3 O 4 5 0 ． 6 O 7 5 0 ．9 1 0 5 1 ．2 1 3 5 1 5 L ／m 图 5 f n3时的 U m X关 系 曲线 两帮的鼓 出量，顶 、底板的移 近量均随着顶板锚杆支护密 度的增加而减小 ；其中巷道两帮的鼓 出量虽然随顶板锚杆 支护密度的增大而有一定程度的减小 ，但所受顶板锚杆支 护 的影 响较 小 。因此 ，为 了使 两 帮 不 产 生 较 大 的 变 形 ，在 顶板用锚杆支护的同时 ，也应用锚杆支护。对各个力学量 分析可知 ，在顶板用锚杆支护时对顶板离层量的减小影响 最大，因此在直接顶上用锚杆支护有效地阻止 了顶板过大 的变 形 。 分析顶板的锚杆支护对巷道周边 围岩强度变化的 影响可知 ，在顶板进行锚杆支护可以有效地提高巷道周边 围岩的弹性模量和屈服极限，从而提高 了巷道周边 围岩的 强度 ，减小了巷道 的变形，并且巷道周边 围岩的弹性模量 和 屈服极 限随着 锚杆 支 护密度 的增 加 而增 大 。 参 考文 献 [ 1 ] 陈光炎，钱鸣高 ．中国煤矿采场围岩控制 [ M]． 徐州，中 国矿 业大学 出版 社 ，1 9 9 4 ． [ 2 ] 陆俊岭 ． 锚杆支护巷道顶板离层机理与监测 [ J ]． 煤炭学 报 ，2 0 0 0 2 5 5 8 ～5 9 ． [ 3 ] 段振西 ．岩石锚固技术在我国煤矿的应用与发展 [ J ]． 煤 矿设 计 ，1 9 8 9 4 6 ～ 1 0 ． [ 4 3 胡省三 ．发展煤巷锚杆技术 [ J ]． 世界煤 炭技术 ，1 9 9 4 1 24～ 7 ． E s ] 陆士 良，汤雷 ，杨新安 ．锚杆锚固力与锚固技术 [ M]．北 京 ，煤 炭工业 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 6 ] 候朝炯，郭励生，勾攀峰 ． 煤巷锚杆支护 [ M]．中国矿业 大学 出版 社 ，1 9 9 9 ． [ 7 ] 钱鸣高，缪协兴 ． 岩层控制中的关键层理论 E J 7]． 煤炭学 报 ，1 9 9 6 2 3 2 2 5 ～2 3 0 ． [ 8 ] 钱鸣高 ，缪协兴，许家林 ，茅献彪 ．岩层控制的关键层理论 [ M]．中国矿业大学出版社，2 0 0 0 ，1 8 ～3 4 ． [ 9 ] 钱鸣高，缪协兴 ． 采场上覆岩层结构形态与受力 E J ]． 岩 石力 学 与工程 学报 ，1 9 9 5 2 9 7 ～1 0 6 ． [ 1 0 ]Hu r t K ．N e w d e v e l o p me n t i n r o c k b o l t i n g[ J ] ．C o l l o e r y Gu a r dian， 1 9 9 4 7 1 3 3 ～ 1 3 4． 维普资讯 第 3卷第 3期 2 0 0 5年 6月 矿 业 工 程 M i ni n g Eng i ne e r i ng 1 5 0 引言 鞍钢铁矿石资源现状及可持续发展 李 蓉 金文杰 于宝新 1 ．鞍 山科技 大学 ；2 ．鞍钢集 团齐大山铁矿 ，辽 宁 鞍山 1 1 4 0 4 4 摘要 介绍 了鞍钢铁矿石资源的状况 ， 提出了现有资源利用中存在的问题及提高铁矿资源利用率的措施 。 关 键 词 铁 矿 石 ；资源 ；措施 中 图分类 号 P 6 l 8 ． 3 l ／ TD 2 l 2 文献 标识 码 A 文章编 号 l 6 7 l 一8 5 5 0 2 0 0 5 0 3 0 0 l 5 一O 2 我 国自 l 9 9 6年粗钢产量突破 l 亿 t ，超过 日本成为世 界第一产钢大国后 ，钢铁工业的发展速度进一步加快，特 别是 2 0 0 1年 以来 ，我 国的生 铁 、钢 、钢材 产量 持 续保 持 高 增 长 ，其 中 2 0 0 2年生 铁 1 ． 7 l亿 t ，同 比增长 l 9 ． 5 ；2 0 0 3 年生铁 2 ． O 2亿 t ，同比增长 l 8 ． 1 ；2 0 0 4年生铁 2 ． 7 3亿 t ，同 比增 长 2 O ． 1 。 在钢铁产量快速增长的同时，我国铁矿生产也随之发 展 ，但远低于钢铁产量 的增速 。我 国铁矿石资源不足、贫 矿多、开采条件差、成本较高．制约了铁矿石产量的提高 所以，钢铁工业的发展越来越多地依靠进 口铁矿石，2 0 0 2 年使用进 口铁矿石冶铁的生铁约 占总产量 的 3 7 ，2 0 0 3年 提高至 4 4 ，2 0 0 4年达到 5 2 ． 5 。依赖铁矿 石进 口只是 一 种被动形式 ，解决 自身铁矿的利用率方是根本。 鞍钢是国内铁料 自给率最高的大型钢铁联合企业 ，与 国内其它钢铁企业相 比，在铁矿资源上有很大 的优势。在 国 内外钢铁 业 高速 增 长 的形 势 下 ，也 面 临着 铁 矿 石需 求 量 逐年增加的问题。而影响铁矿石产量的主要 因素是资 源赋 存状况、合理开采的技术经济条件 和铁矿石生产成本。鞍 钢所需铁矿石的来源 1 自有矿 ；2 进 口矿。 1 进 口铁矿石资源 近几年 ，鞍钢进 口铁 矿 石 呈逐 年 上 升 趋 势 ，2 0 0 3年 进 口铁矿 石 1 l 8万 t ；2 0 0 4年 为 2 6 5万 t ；2 0 0 5年 为 4 8 0万 t ， 进 口矿 石 占鞍 钢铁 矿 石需求 量 的 l 0 左 右 。进 口矿 价格 两 收稿 日期 2 0 0 5 0 3 3 0 作 者简介 李蓉 1 9 7 3 一 ，女 汉 族 ，安徽 蒙城人 ，鞍 山科技 大学助理研究员。 年 内上涨 了 2 8 ，海 运费一 年 内上涨 了 3倍 ，从 而 导致 进 口矿的到岸价大幅度上涨。2 0 0 4年 l ～l 1月进 口矿的平均 到岸价为 6 1 ． 2美元／ t ，同比上涨了 3 O ． 5 8美元／ t 。2 0 0 5年 4月进 口矿 的价 格 又上涨 7 1 ． 5 。 2 自有铁矿石资源 鞍钢 所 属的鞍 山矿 业 公 司 、 弓长 岭 矿 业 公 司 和 齐 大 山 铁矿是提供鞍钢铁料 的原料基地。鞍钢 自产铁精 矿占需求 量的 9 O 左右。铁矿石资源是不可再生资源 ，能否充分有 效并合理利用铁矿石资源对鞍钢公司钢铁产业的可持续发 展将起重要作用。 2 ． 1 鞍 山矿业 公司 矿石 资源 鞍 山矿业 公 司现有 3座 矿 山 眼 前 山 、大 孤 山 和 东鞍 山铁 矿 眼前 山铁矿矿体属于典型 的鞍 山式沉积变质 铁矿床。 矿石的主要 自然类型有磁铁 、绿泥磁铁和闪长类磁铁 石英 岩。矿石品位 2 9 左右。该矿设 计境界内剩余矿石2 7 9 2 万 t ，保 有 地质储 量 为2 2 3 7 5 万 t 。 大孤 山铁矿矿体为前震旦纪沉积变质铁矿床。矿石类 型 为磁铁 矿 、赤铁 矿 和假 象赤 铁 矿 ，磁 铁 矿 约 占 9 O ，假 象赤铁矿和赤铁矿合计 占 l 0 左右 矿石地质平均铁品位 3 3 ． 4 5 ，该 矿设 计境 界 内剩余 矿石 8 7 8 O 万 t ，保有 地 质储 量 为l 9 8 0 8 万 t 。 东鞍 山铁矿为鞍山式沉积变质铁矿床 ， 矿石类型除了以 假象赤铁和磁铁石英岩为主外， 在断裂带和层间破碎带附近 有褐铁矿化型 ， 全矿体平均铁 品位 3 2 ． 4 6 。到 2 0 0 2年末 设计境界 内剩余矿石8 l 5 7 万 t ， 保有地质储量9 7 5 0 3 万 t 。 2 ． 2 弓长 岭矿 业公 司矿 石资 源 弓长岭铁矿属前震旦纪鞍山群茨沟组地层 ，内含鞍山 式沉积变质铁矿床。截止 2 0 0 2年末，已采出矿石4 8 9 7 ． 1 万 t ，已探 明保 有 地 质 储 量 1 7 2 6 l 5 万 t 磁 铁 矿 l 2 5 2 0 2 万 Da t a s i mu l a t i o n o f me c h a n i s m o f a n c h o r s u p p o r t i n f l a t r o o f r o a d wa y T A N Xi a o - n i n g ，WAN G L i a n g u o ，QI N Ha o Chi n a M i n i n g Te c h n o l o g i e s Un i v e r s i t y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8， Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e t h e o r y o f t h e f i n i t e e l e me n t a n d b o l t i n g， i n t h e t h e m e ， t h e me c h a n i c s p r i n c i p l e o f t u n n e l b o l t i n g wi t h t h e wa y o f s i mu l a t i n g t h e i n f l u e n c e o f t he s e p a r a t i o n l a y e r O f r o o f c a u s e d b y b o l t i n g i s d e s c r i b e d b y u s i n g ANS YS ． Th r o u gh t h e a n a l y s e s ， t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e b o l t i n g c o u l d d e c r e a s e t h e s u b s i d e n c e a n d s e p a r a t i o n l a y e r o f r o o f e f f i c i e n t l y ， a n d p r e v e n t f r o m t h e d e f o r ma t i o n o f t h e r o c ks n e a r b y c a n b e d r a wn ． At t h e s a m e t i m e ， t h e e l a s t i c mo d u l u s o f t h e g r ou t m e d i u m f o r g r o u t e d b o l t s wi l l b e i mp r o v e d g r e a t l y ， t h e n t h e s t r e n g t h o f t h e n e a r r o c ks o f t he t u n n e l i s e n h a n c e d ． Al l o f t h e s e wo u l d s u p p o r t t he r o c k s we l 1 ． Ke y wo r d s r o o f d i v e r ge n c e ； l a n e wa y s t r e s s ； b o l t i n g s u p p o r t 维普资讯