ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究.pdf

第 25 卷 增刊 岩 土 力 学 Vol.25 Supp.2 2004 年 11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2004 收稿日期2004-04-30 作者简介唐巨鹏男1976 年生辽宁锦州人博士研究生1999 年毕业于辽宁工程技术大学现主要从事矿山岩体力学理论和数值计算研究 文章编号100075982004 增032905 ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究 唐巨鹏, 潘一山 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系, 辽宁 阜新 123000 摘 要以典型矿井山东华丰矿阜新五龙矿和北京大台井为例利用 ANSYS 有限元软件对煤矿开采引起的地表沉陷 冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分析分别针对所处的地质条件和赋煤状况建立了二维或 三维有限元模型模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大 最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律 当开采 800 m 时出现最大下沉速度 3.5 mm/d 最大沉陷位移为3.7 m 五龙矿 311 面当开采 100m 和 400 m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板易断裂而极易发生冲击地压事故大台井俯伪斜采 煤法煤层倾角只有在 6067 时推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响且顶底板法向最大位移规律为上 部位移大于中部位移西中部位移又大于下部位移在煤层倾角 70时工作面超前支撑压力作用范围最小为 30 m而下 巷道支撑压力作用范围最大为 25 m巷道数为 3 时顶板下巷道超前支撑压力峰值位置为 5.3 mANSYS 计算结果表明 该数值模拟是合理的与实际情况基本吻合说明 ANSYS 在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具 关 键 词ANSYS煤矿开采数值模拟有限元分析 中图分类号TD 713.1 文献标识码A Application of ANSYS software to numerical simulation of coal mining TANG Ju-peng, PAN Yi-shan Department of Mechanics and Engineering Sciences, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China Abstract Taking the typical coal mines such as Huafeng of Shandong, Wulong of Fuxin and Datai of Beijing of examples, the surface subsidence induced by coal mining, the dangerous regions determination of rockburst and the parameters optimization of oblique sublevel concentration mining were numerically simulated by using ANSYS software. According to the geology and coal reserves, the two-dimensional and three-dimensional models were established. The surface subsidence curves and the max subsidence values position were calculated for Huafeng mine. The results show that the subsidence displacements and influenced scopes increase with coal mining. The position of the max subsidence displacements gradually moves toward the mining direction. When 800m were mined, the max subsidence velocity 3.5mm/d appeared. The max subsidence displacements are 3.7m. In the 311 working face of Wulong mine, when 100m were mined the rockburst was easy to happen as the igneous rock wall effect. When 400m were mined the rockburst was also easy to happen as the roof failure induced by the stress concentration regions breakthrough. In the oblique sublevel concentration mining, only coal seam obliquities are 60- 67, the mining distances have obvious effect on the max normal pressure stress of roof. The rules of normal displacements of roof and floor are that top displacements are greater than middle displacements, and middle displacements are greater than lower displacements. When the coal seam obliquity was 70 , the influenced scope of the advanced support pressure in the working face was 30m, and the scope of lower laneway was 25m. When three laneways are mined the peak position of advanced support pressure is 5.3m. The simulation results show the numerical analysis is reasonable with the practice. The ANSYS software is an effective way to coal mining. Key words ANSYS; coal mining; numerical simulation; finite element analysis 1 引 言 目前用于岩土工程方面的计算软件主要有 FLAC ABAQUS PLAXIS SAPASKA ANSYS 等它们各有优势ANSYS 通用有限元软件以网 格划分自由单元节点数多前处理简便后处理 完备等诸多优点而开始应用于煤矿开采中的灾害预 测防治及开采方法优化2001 年袁灯平[1]利用 万方数据 岩 土 力 学 2004 年 ANSYS 对煤矿开采沉陷进行了模拟2002 年刘卫 群[2]进行了软岩冲击矿压及广义应力应变率准则的 ANSYS 程序分析2003 年王忠昶[3]对软岩矿层条 带开采合理采留宽度进行了 ANSYS 三维流变模 拟 本文基于 ANSYS 软件以山东华丰矿[4,5]阜 新五龙矿[6]和北京大台井[7,8]等典型矿井为例详细 地阐述了其在煤矿开采中的应用包括确定冲击地 压发生危险区域开采引起地表下沉规律曲线俯 伪斜大倾角开采中超前支撑压力大小及作用范围 顶底板应力场 位移场规律及煤层倾角 推采距离 巷道数与开采关系等据此得到了与实际开采相一 致的数值结果从数值模拟角度给出了一些新的规 律认识即建立了山东华丰矿上覆砾岩运动与冲 击地压发生的关系指出地表下沉速度与冲击地压 发生具有基本相关性得到了北京大台井俯伪斜大 倾角采煤法中采场应力分布特征工作面超前支撑 压力作用范围和大小提出了阜新五龙矿在模拟开 采 100 m 和 400 m时为重点防范区段以上数值结 果为实际开采提供了可靠科学依据保证了煤矿生 产正常进行说明利用 ANSYS 应用于煤矿开采研 究领域是完全可行的 2 ANSYS 模拟开采后地表沉陷 煤矿开采引起的地表沉陷问题是资源枯竭城市 面临的一大难题它直接关系到人民生活和社会稳 定因此搞清开采沉陷规律在此基础上从源头 加以控制是解决问题的关键以下以山东华丰矿为 例利用 ANSYS 模拟开采引起的地表沉陷得到 了不同开采阶段地表下沉曲线规律 2.1 华丰矿特殊性地质条件 华丰井田东西走向长 7 km南北倾斜宽 2.2 km地层倾角 26 38井田面积 16.9 km2可采 煤层共 7 层 其中 4 层煤是主采煤层 平均厚 6.5 m 开采水平为-750 m 采区走向长 1 100 m 区段斜长 为 150 m采煤方法为走向长壁式自然垮落法顶 板管理其第四纪表土层较薄04 m而第三 系砾岩层厚 550 余米整体性好硬度大故其地 表沉陷规律反映了上覆砾岩层移动规律 2.2 有限元模型建立 利用 ANSYS 有限元软件[9-11]以平面应变模型 建立模拟工作面推进过程中东 23 号站监测的地表 下沉情况计其算模型见图 1取工作面长度为 1100 m两端各留煤柱 200 m4 煤层底端距地表 800 m 图1 华丰矿东23号站测点与煤层开采沿走向剖面示意图 Fig,1 Section model of Huafeng coal mine East No.23 measaring spot 图2 模拟不同推采距离时地表沉陷曲线变化 Fig.2 Curves of surface subsiding based on different mining distance using numerical simulation 2.3 结果分析 ANSYS 模拟开采 100 m 500 m 800 m和 1 100 m 时地表沉陷曲线如图 2 所示由此得到随着工 作面推进测点开始缓慢下沉当开采 500 m时临 近工作面推进方向一侧下沉明显 下沉位移为 1.0 m 左右地表最大下沉位移点靠近采空区上端一侧 当开采 800 m时地表最大下沉位置向推采方向移 动且出现 3.5 mm/d最大下沉速度的但此后地表 下沉速度逐渐减缓开采 1 100 m时最大下沉位 置在推采 750 m处上方下沉位移达 3.7 m此模 拟结果与实际地表沉陷观测数据基本吻合利用 ANSYS 模拟开采得到的地表沉陷曲线形象地给出 了动态的地表变化过程这为开采造成的地表环境 和人居建筑物破坏提供了崭新的预测手段 3 ANSYS 预测冲击地压 冲击地压是人工采矿活动引起的破坏性地震 近年来我国已经成为受冲击地压危害最严重的国 家之一 开采深度不断增加使得冲击地压频繁发生 严重阻碍了煤矿生产因此如何有效地对冲击地 压进行预测一直为国内外学者所关注以下以阜新 330 万方数据 增刊 唐巨鹏等ANSYS 在煤矿开采数值模拟中应用研究 五龙矿为例阐述其在冲击地压预测方面的应用 3.1 五龙矿地质条件与赋煤状况 五龙矿位于阜新西南 10 km 处东起 F6 断层 西至 F2 断层 北起-90 m-100 m 标高 南至-780 m 标高和各煤层可采边界线平均走向 3.2 km倾斜 长 4.5 km面积 14.4 km2煤层呈北厚南薄西厚 东薄趋势呈单斜构造走向 NE35 78倾向 SE1255倾角 524平均为 12可采储 量 1.4 亿吨开拓方式为中央并列与对角混合式 3.2 模型建立 以 311 面实际情况建立的 ANSYS 平面应变模 型如图 3 所示水泉层为已采煤层孙五孙六煤层 为待采煤层模型尺寸 X 向 1000 mY 向 200 m 顶面距地表 350 m且加载 8.4 MPa 作为模拟上覆 岩层自重 图3 沿开采走向剖面的颊应变模型示意图 Fig.3 Plane strain modehlongthe tunneslirection 图4 开采400 m时模型Y向应力等值线图 Fig.4 Contour of Y stress in y-direction when 400 meters mined 3.3 模拟结果分析 模拟开采孙五和孙六煤层得到如下结论当开 采100 m和400 m时易发生冲击地压危险 开采100 m 时工作面临近火成岩墙受构造应力影响极 易产生应力软化区从而引发冲击地压发生开采 400 m 时见图 4水泉层和孙五孙六煤层采空区 两侧应力集中区贯通顶板下沉严重极易发生顶板 断裂型冲击地压故在实际开采中应该提前采取 防范措施并加大支护密度和强度防范冲击地压发 生 4 ANSYS 优化俯伪斜采煤法 俯伪斜大倾角采煤法在我国煤炭开采实践中还 不是很成熟利用 ANSYS 进行采面布置伪倾角 合理选择采场支护推进巷道数超前支撑压力 等的数值优化研究以保证生产顺利实施以下以 北京大台井为例进行分析 4.1 大台井地质条件与赋煤状况 大台井煤层属侏罗纪煤层 倾角 5588 现开 采煤层位于-110 m-210 m水平顶底板为粉砂岩 煤平均真厚 1.5 m 工作面长 100 m 煤层倾角 70 优化选用伪斜倾角 26沿煤层开采工作面与煤层 水平倾角 26分段密集支柱支撑工作面三巷道 同时开采的采煤方式 4.2 建立模型 由于大台井特殊的地质条件和赋煤状况 因此 只有建立三维立体有限元模型才能准确反映实际开 采情况模型尺寸取为 X 向 120 mY 向 100 mZ 向 250 m顶面加载H26709.839010.2 MPa如图 5 所示 图5 大台井俯伪斜采煤法有限元模型 Fig.5 Oblique 3 D ifnite elenent modedf Datai mine MPa H 331 万方数据 岩 土 力 学 2004 年 4.3 数值结果分析 数值模拟煤层倾角为 607080推采距离 50 m 和 100 m巷道数分别为 2 个和 3 个时三维有 限元弹塑性模型所得应力场和位移场结果与初始状 态进行比较得到 3 者间关系如图 6 所示推采距 离对煤层顶板法向最大压应力的影响只在煤层倾角 6067之间变化明显底板法向最大压应力变化 规律与顶板相同顶底板法向最大位移分布规律为 上部位移大于中部位移中部位移大于下部位移 此结果与前人分析一致如图 7 所示 图6 煤层倾角工作面推采距离和煤层顶板法向 最大压应力间关系曲线图 Fig.6 Relation between max normal stress of roof 图7 三巷道开采100 m时顶板Y向位移场图 Fig.7 Y displacement field of roof when three laneways. 100 meters mined 模拟结果得到工作面超前支撑压力作用范围 和峰值位置规律与顶板下巷道超前支撑压力恰恰相 反如图 8 所示煤层倾角 70时工作面超前 支撑压力作用范围最小 且随着推采距离不断深入 其作用范围均减少 10 m 左右而此时下巷道支撑 压力作用范围最大同时下端头位置和中巷道与工 作面的拐角处是应力集中区此处最易发生破坏 开采时应提前采取措施 加大支柱的数量和承载力 图8 煤层倾角与工作面顶板下巷道超前支撑压力 作用范围间关系 Fig.8 Relation between advanced support pressure scope of working face roof down laneway and coal seam obliquity 5 结 论 本文利用 A N S Y S 有限元软件 以典型矿井为例 详细阐述了该软件在煤矿开采领域的应用研究包 括开采引起的地表沉陷冲击地压危险区域预测及 俯伪斜采煤法参数优化等通过根据实际情况建立 的二维和三维立体有限元模型计算得到了如下结 论开采中引起的地表沉陷曲线动态地演示了沉 陷过程和沉陷区范围变化随开采推进沉陷位移和 影响范围将逐渐扩大最大沉陷位移逐步向开采方 向前移五龙矿 3 1 1 面, 当开采 1 0 0 m 和 4 0 0 m 时, 由于应力集中区出现, 而极易发生冲击地压事故 大 台井俯伪斜采煤法煤层倾角 6 06 7时, 推采距离 才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响且顶 底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移 中部位移又大于下部位移煤层倾角 7 0 时工作 面超前支撑压力作用范围最小而下巷道支撑压力 作用范围最大以上数值计算结果与现场实践基本 吻合说明 A N S Y S 是一种可应用于煤矿开采领域的 有效的数值模拟分析软件 参 考 文 献 [1] 袁灯平马金荣董正筑. 利用 ANSYS 进行开采沉陷 模拟分析[J].济南大学学报2001, 154336-338. [2] 刘卫群缪协兴王爱文. 利用 ANSYS 程序分析软岩 冲击矿压及广义应力应变率准则[J],岩石力学与工程 学报, 2002, 21129-33. [3] 王忠昶张文泉. 软岩矿层条带开采合理采留宽度的 ANSYS 三维流变模拟[J] 矿山压力与顶板管理2003, 20 2110-112. 下转第342页 / MPa 332 万方数据 岩 土 力 学 2004 年 部分的围岩拱顶部分围岩未出现塑性区上台阶 步开挖完毕开挖下台阶部分后塑性区范围由上 台阶步的拱脚处扩展到下台阶步拱脚部分塑性区 范围得到进一步的扩大 扩大墙腰上部拱顶位置 处 4 隧道开挖锚喷支护完成后的喷射混凝土层 均处于受压状态并与围岩共同变形充分发挥了 围岩的约束抗力作用锚杆的应力处于弹性受拉状 态锚喷支护结构未出现裂纹均处于弹性工作状 态表明该锚喷支护结构是安全的该支护结构使 用至今完全满足使用要求 参 考 文 献 [1] TB10032001 铁路隧道设计规范[S]. [2] 徐干成白洪才郑颖人, 地下工程支护结构 [M]. 北 京中国水利水电出版社2 0 0 2 . [3] 朱百里 沈珠江计算土力学 [M]. 上海上海科学 技术出版社 1990. [4] Hua Y, Oi, H B, Jiang Z Q, et al. Study on the bending fatigue damage of the carbon and the polypropylene hybrid fiber reinforced concrete [J]. Key Engineering Materials, 2000, 183571–576. 上接第332页 [4] 唐巨鹏潘一山徐方军. 根据地表下沉预测冲击地压 的研究[J]. 矿山压力与顶板管理, 2002, 193107-108. [5] 唐巨鹏潘一山徐方军. 上覆砾岩运动与冲击矿压关 系研究[J]. 煤矿开采, 2002, 7249-51. [6] 潘一山唐巨鹏. 阜新矿区深部冲击地压研究[A].见 朱旺喜王来贵王建国等编.资源枯竭城市灾害形成 机理与控制战略研讨[C]. 北京地质出版社, 2003, 48-55 [7] 唐巨鹏潘一山李忠华等. 大台井俯伪斜分段密集采 煤法数值模拟研究[J].煤炭学报, 2003, 285496-499. [8] 唐巨鹏潘一山李忠华陈德怀. 俯伪斜分段密集采 煤法三维有限元数值模拟研究[J].岩土力学, 2003, 24S2103-107. [9] 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实 践[M]. 西安 西北工业大学出版社, 2000. [10] ANSYS, Inc. ANSYS Advanced FLOTRAN[M]. Swan sonAnalysis System, IP Inc.北京 美国ANSYS公司北京 办事处, 1997. [11] ANSYS, Inc. ANSYS Elements Reference[M]. Ninth Edition. SAS, IP Inc.北京美国ANSYS公司北京办事处, 1997. 342 万方数据 ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究 作者唐巨鹏， 潘一山 作者单位辽宁工程技术大学,力学与工程科学系,辽宁,阜新,123000 刊名 岩土力学 英文刊名ROCK AND SOIL MECHANICS 年，卷期2004，25z2 被引用次数7次 参考文献11条参考文献11条 1.袁灯平.马金荣.董正筑 利用ANSYS进行开采沉陷模拟分析[期刊论文]-济南大学学报自然科学版 200104 2.刘卫群.缪协兴.王爱文 利用ANSYS程序分析软岩冲击矿压及广义应力应变率准则[期刊论文]-岩石力学与工程学报 200201 3.王忠昶.张文泉 软岩矿层条带开采合理采留宽度的ANSYS三维流变模拟[期刊论文]-矿山压力与顶板管理 200302 4.唐巨鹏.潘一山.徐方军 根据地表下沉预测冲击地压的研究[期刊论文]-矿山压力与顶板管理 200203 5.唐巨鹏.潘一山.徐方军 上覆砾岩运动与冲击矿压关系研究[期刊论文]-煤矿开采 200202 6.潘一山.唐巨鹏 阜新矿区深部冲击地压研究 2003 7.唐巨鹏.潘一山.李忠华 大台井俯伪斜分段密集采煤法数值模拟研究[期刊论文]-煤炭学报 200305 8.唐巨鹏.潘一山.李忠华.陈德怀 俯伪斜分段密集采煤法三维有限元数值模拟研究 200302 9.王国强 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 2000 10.Ansys Inc ANSYS Advanced FLOTRAN 1997 11.ANSYS Inc.ANSYS Elements Reference 1997 相似文献10条相似文献10条 1.学位论文 赵庆民 亭南煤矿煤巷锚杆索支护技术研究 2009 近几年来，我国的煤巷锚网支护技术得到飞速发展，普遍认识到锚杆支护是巷道支护的先进技术，是巷道支护技术的一个重要发展方向。锚杆支护作为一种新的回采巷道支护技 术，以其优越性越来越受到煤炭企业的重视，现已在各大煤矿中广泛应用。 但是，到目前为止，还没有形成一个公认的煤巷锚杆支护设计的理论与方法，因此，本文介绍了国内外煤巷锚杆支护技术的发展概况及其成功经验并介绍了几种经典的煤巷锚杆 支护设计理论，如悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论等，以及对锚杆（索）的支护作用机理进行了深入的研究。根据我国煤巷锚杆（索）的支护的实际情况，介绍了国内常用的几 种锚杆支护设计方法，如经验类比法，理论计算法，数值模拟法等，在总结传统设计方法的基础上，提出了基于巷道围岩松动范围的锚杆（索）设计方法。最后以亭南煤矿111回风 巷锚杆（索）支护为工程背景，详细介绍了锚杆受力、顶板离层和巷道位移的监测方法、仪器，并应用ANSYS软件对锚杆（索）支护进行了稳定性分析；通过现场应用，并对支护效 果进行同步多项监测，利用数据处理软件分析了监测数据，评价支护效果，反馈信息优化设计，实现了“工程地质资料分析-初始设计-现场监测-信息反馈-修改设计”的动态信息设 计方法。 2.学位论文 江小军 沙曲矿大采高采场矿压和瓦斯尾巷的支护优化研究 2005 本文从研究沙曲矿综采工作面巷道围岩稳定性角度出发，通过对其超前工作面巷道的矿山压力显现的现场实测，对现场资料进行了理论分析，并运用有限元软件ANSYS进行了三 维数值模拟，得出了工作面后方采空区留巷的矿压显现规律。 论文主要研究成果1对沙曲矿24101工作面巷道现场实测规律分析，发现巷道顶极位移大，移近速度也比较伙，顶板离层现象严重，围岩变形比较严重，应该加强其工作面顺 槽的支护强度。2通过ANSYS三维数值模拟工作面后方采空区留巷的矿压显现规律，对其距工作面煤壁前方30米和后方30米的应力分布规律，位移分布规律进行分析，采后留巷可以 保证其巷道的稳定性，采用木垛支护可以加强巷道的支护效果。3通过沙曲矿矿压观测，掌握其综采工作而的顶板来压规律；对其综采顺槽超前支护范围和支护技术参数进行理论分 析；对沙曲矿工作面液压支架与综采而的适应性以及最佳工作阻力参数进行选择。 本文的研究成果对巷道围岩稳定性评价，支护设计及矿山压力及岩层控制理论具有重要的工程实用意义和理论意义。 3.会议论文 唐巨鹏.潘一山 ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究 2004 以典型矿井山东华丰矿、阜新五龙矿和北京大台井为例,利用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的地表沉陷、冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分 析.分别针对所处的地质条件和赋煤状况,建立了二维或三维有限元模型,模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置,指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大,最大 沉陷位移逐步向开采方向前移的规律,当开采800m时出现最大下沉速度3.5mm/d,最大沉陷位移为3.7m.五龙矿311面当开采100m和400m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板 易断裂而极易发生冲击地压事故;大台井俯伪斜采煤法煤层倾角只有在6067时,推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响,且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于 中部位移,西中部位移又大于下部位移,在煤层倾角70时,工作面超前支撑压力作用范围最小为30m,而下巷道支撑压力作用范围最大为25m,巷道数为3时,顶板下巷道超前支撑压力峰 值位置为5.3m.ANSYS计算结果表明,该数值模拟是合理的,与实际情况基本吻合,说明ANSYS在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具. 4.学位论文 汲方林 横轴式掘进机截割头仿真及优化设计 2006 本文概述了煤岩截割机理、截割性能的主要评价指标及横轴式掘进机截齿的空间位置，并对其进行了负荷模拟；建立了横轴式掘进机截齿空间数学模型，利用仿真软件MATLAB对 截齿的运动轨迹、速度和加速度进行了仿真分析，并对掘进机截齿运动速度和加速度的影响进行了分析；为确定横轴式掘进机截齿在截割煤岩过程中最大受力位置和截割臂与截割头 整体在截割过程中的振动频率，利用有限元分析软件ANSYS对截齿进行静力有限元分析，得出了截齿在截割煤岩过程中的最大受力位置，并利用ANSYS对截割臂与截割头整体进行了动 力有限元分析，得出其固有频率及各阶振型；在分析截齿截割煤岩受力的基础上，利用MATLAB中的优化工具箱对截割头的相关参数及性能指标进行了优化分析。 5.学位论文 连传杰 深埋巷道预应力让压锚杆支护技术及应用研究 2007 随着煤矿开采深度的不断增加，巷道稳定支护日益成为深部开采的一大难题。目前在众多煤矿的深埋巷道支护中，锚杆破断甚至支护体系失效等问题日渐突出。本文通过大量深 埋巷道支护实例调查与分析，认为高地应力、大变形以及冲击矿震作用强烈是影响深埋巷道支护的关键科学问题。为此，本文提出了一种适用于深埋巷道支护的新型预应力让压锚杆 支护技术，分别就预应力让压锚杆的结构特点和力学特性、预应力让压锚杆支护下围岩应力和变形规律以及锚杆支护机理、预应力让压锚杆的锚固性能及其主要影响因素、动载作用 下预应力让压锚杆的适应性等问题进行了深入探讨，并将预应力让压锚杆成功应用于一实际深埋巷道支护，主要研究工作如下 1将一种具有特殊结构的让压管与高强锚杆组合，研发出一种新型预应力让压锚杆。让压管具有恒阻变形特性，其让压变形功能可通过让压点、最大让压距离以及让压管稳定 系数等特征参数予以控制。与普通锚杆相比，让压锚杆的性能得到大大改善。将拉拔试验得到的让压锚杆轴向力一轴向变形关系予以适当简化，给出了分段式轴向力一轴向变形本构 方程。 2开展了预应力让压锚杆支护机理的理论研究，其支护作用可从三个方面解释一是具有调整围岩应力分布的作用二是对锚杆起到保护作用；三是让压管发挥作用后，围岩 的变形能主要转化为锚杆系统的弹性应变能，让压锚杆具有显著的让压耗能作用。 3提出一种让压锚杆预应力施加方法，基于ANSYS有限元软件建立了预应力让压锚杆围岩共同作用体系的数值模型，建立了新型高预应力让压锚杆支护数值模拟分析方法，开 展了预应力让压锚杆支护数值试验；深入探讨了让压锚杆设计参数、安装应力以及让压管特征参数对预应力让压锚杆锚固效果的影响，得到一些规律性认识，指出让压锚杆应用于深 埋巷道支护具有较普通锚杆更为显著的稳定性。 4针对深埋巷道矿震显现强烈的特点，开展了动载作用下预应力让压锚杆锚固性能分析；深入探讨了矿震类型、矿震频率和强度特性对巷道不同部位处锚杆动力响应的影响 ，指出让压锚杆的塑性让压功能使其较普通锚杆具有更强的动载适应性。动载作用可能显著增大角部斜锚杆的轴力并导致其稳定性大大降低。 5以一实际深埋高地应力巷道为例，提出适合于高地应力、大变形、冲击矿压显现强烈的巷道支护设计方案。通过对预应力让压锚杆支护下的围岩及巷道变形、锚杆受力状态 等进行连续观测及分析，验证了设计方案的可靠性和合理性。 6.会议论文 梁庆华.杨金虎.李大洪.何刚.陈庆 厚冲积层采动覆岩沉陷数值模拟研究 2007 在采用ANSYS进行开采沉陷模拟时,由于计算力学参数选取的不当,经常遇到所模拟的地表沉陷偏小的情况。对于像冲积层这样采动下沉系数比较大的覆岩来说,直接采用ANSYS模 拟难以解释开采沉陷情况。为了更加精确地计算厚冲积层矿区的覆岩沉陷问题,减小采动损害与环境破坏,结合葛亭煤矿实际开采情况,以概率积分法对厚冲积层开采沉陷的预计为基 础,基于大型有限元软件ANSYS数值模拟,对模拟采用岩石力学参数进行了反分析,合理地对厚冲积层覆岩沉陷进行了数值模拟,探讨了厚冲积层覆岩沉陷问题。研究结果表明厚冲积 层煤层开采顶板覆岩破坏的范围大,导水裂缝带最大发育高度高,对厚冲积层地表沉陷产生较大影响。 7.学位论文 李宝健 长沟峪煤矿围岩稳定性分类及支护技术研究 2009 巷道作为煤矿井下生产的脉络，每年其掘进和维护量可达千万米，保持其畅通和完好状态对改善井下的劳动条件和作业环境、防止巷道各类事故，进而保证矿井正常安全生产具 有重要意义。与一般的地下工程相比，影响煤矿回采巷道围岩稳定的因素更为复杂，突出的问题是采掘活动所产生的矿山压力的危害，由此造成煤层巷道围岩变形，以致发生冒顶、 片帮及底鼓等事故每年都有数起。因此，对巷道围岩稳定性准确分类及设计合理的支护措施方案显得尤为关键和必要。从巷道支护方面发展看，较传统的维护效果差、材料消耗量大 、工人劳动强度高、通风阻力大、安全隐患多等矿工钢、木棚等支护形式来说，煤巷锚杆支护技术是我国煤炭行业继推广机械化采煤以后的第二次重大支护改革，是煤炭行业实现高 产高效的关键技术之一。新型锚杆属主动支护方式，其在巷道围岩中可以改变岩体的受力状态，不仅增加了岩石本身的稳定程度，而且使被支护岩体由荷载变为承载体，提高了岩体 承载能力，强化了围岩的强度，可显著提高围岩稳定性。加之锚杆具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度小、巷道断面利用率高、作业环境和安全生产条件得到明显改善等优点 ，可提高矿井的经济效益，因而成为世界各国矿井巷道围岩的一种主要支护形式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。 长沟峪煤矿地处比较复杂的褶皱、断层等构造带上，在矿井巷道建设中，发现围岩多数为层状且较破碎，褶皱、裂隙比较发育，而且随着开采深度的增加和赋存条件的变化，及受 到多种因素影响，已经存在着不同程度的矿压问题，巷道围岩稳定性问题变得突出起来。围岩复杂程度愈来愈大，致使巷道支护困难，片帮、冒项、底鼓现象严重，巷道维修率居高 不下。这一问题严重影响了矿井的正常生产，存在着发生安全事故的潜在危险，给巷道围岩的支护等提出了更高的要求。本课题针对长沟峪煤矿此特有的复杂地质条件情况，以“长 沟峪煤矿矿压监测与控制技术研究”项目为依托，选择矿区两具有代表性的、不同类型条件下的煤槽回采巷道作为主要研究对象，侧重于煤槽回采巷道围岩稳定性分类方法及其合理 的锚杆支护技术设计方案的研究，即在回采巷道围岩分类方法及结果探讨研究的基础上，本文又进行了回采巷道围岩变形控制方法的研究，把回采巷道围岩分类与围岩变形控制结合 起来。 论文主要从以下几个方面及方法对研究内容进行了阐述和分析论证 1在研究分析长沟峪煤矿回采巷道围岩压力显现规律和变形破坏机理基础上，分析影响巷道围岩稳定性的因素，确定影响矿区巷道围岩稳定性分类的七个主要指标。再通过对非定 量的巷道围岩稳定条件进行定量分析，并确定出各因素对目标的影响程度。进而基于人工智能方法中的模糊聚类这一方法对本文所选取的两采区煤巷围岩相关指标数据进行定量化处 理，实现其围岩稳定性分类的目的。通过准确分类结果，来合理地评价巷道围岩在所处的复杂地质条件下支护的难易程度，为支护参数设计提供可靠依据。 2根据现场地质资料及工程技术资料，对巷道断面进行简化处理，结合相关锚杆支护理论计算方法，计算得出两典型性煤层巷道围岩锚杆索支护初始设计参数，并辅以工程类比 法分析出了围岩锚杆索支护的几种方案。也随着锚杆支护理论及支护技术的逐步成熟和完善，以及数值模拟技术和专家系统的发展，煤巷锚杆支护综合优化方法也不断得到改进。 因此，再以国内外广泛采用的有限元数值模拟分析软件ANSYS为主要手段，通过煤岩层物理力学参数的实验获取、巷道支护数值计算分析模型的建立，模拟分析并比较得出在各种支 护方案条件下的巷道围岩应力分布、位移变化规律和破坏状况。进而优选出了煤巷围岩合理的锚杆索支护方案并应用于工程实践。 3为评判锚杆支护设计的合理性和锚杆支护质量，在锚杆支护实施后，对围岩变形、锚杆受力等进行了较全方位监测，以获得支护体和围岩的位移和应力信息，从而判断巷道围岩 的稳定程度和安全性。论文通过对两试验巷道工程监测数据结果的整理、分析后，对优选出的锚杆索设计方案进行了分析评价、修改和调整，最终完善了试验煤巷合理的支护设计 方案。 本课题将人工智能技术、数值模拟方法和现场实测方法同时应用到长沟峪煤矿复杂条件下的巷道围岩稳定性分类及锚杆支护设计研究过程中，具有较高的可靠性应用价值。即借助 计算机手段，把各种方法有效地集成于一体，充分发挥各自方法的优越性，互相补充，基于动态设计思想进行最终目的的巷道支护决策设计，从而克服以往设计方法的不足，显著提 高了巷道围岩控制方法技术的合理性、可靠性和可视化程度。从而可指导长沟峪煤矿工程设计人员进行回采巷道围岩稳定性分类及锚杆支护设计，实现了巷道锚杆支护设计的规范化 、科学化。 通过本文的研究过程，探讨出了长沟峪煤矿两代表性回采巷道围岩稳定性分类方法及合理的锚杆支护技术参数和方案，较好地控制了巷道围岩的变形，维护了巷道在生产运行期间 的安全。既解决研究对象的工程实际问题，又在复杂地质条件下围岩控制技术研究