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用数值分析的方法对比全断面锚喷网支护方法与锚喷网加混凝土支护方法的优缺点

2017-07-04郝连学

建材发展导向 2017年3期

郝连学

摘 要:通过一系列流变特性研究获得了泥岩的流变变形特性,将泥岩的变形特性应用到高家梁煤矿斜井的支护中,根据悬吊理论采用锚喷网支护,利用ADINA软件对拟采用的支护方式与实际采用的支护方式进行了对比,为软岩工程的长期稳定和安全性提供合理评价和建议。

关键词:流变特性;锚喷支护;悬吊理论

1 工程概况

1.1 工程概况

高家梁井田位于鄂尔多斯万利矿区南部,鄂尔多斯市东南约8km处,设计年产量600万吨,是一个新开发的矿区。正在建设中的高家梁煤矿主井口底板标高1398.506m,坡度-14度,净断面积17.3m2、毛断面积19.2m2;副井筒井口底板标高1398.702m,坡度-5.5度,净断面积 17.8m2、毛断面积20.5m2;风井井口底板标高1398.318m,坡度-20度,净断面积 17.3m2、毛断面积18.9m2。顶设计成圆拱形,净断面半径为2500mm。

1.2 软岩斜井锚喷网支护数值模拟对比分析

高家梁煤矿斜井分主、副、风井,文章以副井为研究对象进行数值模拟的对比。高家梁副井的實际支护为两帮及拱顶为锚喷网支护,底板每施工10m将泥化的砂岩清除,清除泥化砂岩的厚度为300mm,换为300mm厚片石砂浆基层,其上再浇300mm 厚C30混凝土面层。本节先拟用全断面锚喷网支护(底板拟喷射300mm混凝土,并设置4根锚杆)进行数值模拟,与实际采用的支护方式进行对比,分析两者的优缺点。

1.3 全断面锚喷网支护数值模拟

采用ADINA中的Native建模方式,计算区域左右两侧和上下两侧分别向外延伸斜井高度和跨度5倍,取50m×50m。支护结构包括喷射混凝土及锚杆。岩石以及喷射混凝土采用平面四节点等参单元,锚杆采用rebar单元。

在有限元计算中,边界条件分为应力边界条件和位移边界条件,应力边界条件在ADINA中由设置外载荷来实现,位移边界条件由设置模型边界约束来实现。本模型只有位移边界条件。在水平方向上,Y向的边界上关闭Y-Translation自由度(图中字母C表示),以模拟远离斜井左右的土体边界没有位移,垂直方向上,模型下表面边界关闭Z-Translation自由度(图中字母B表示),以模拟远离斜井的深层土体没有竖直方向的位移。

开挖分两次开挖,第一次挖去上半部分,然后加载支护。第二次挖去下半部分,然后加载支护;喷射混凝土厚度:0.2m,底板喷射混凝土厚度为0.3m。围岩、混凝土以及锚杆计算参数根据前文试验测定结果,整理如表1.1所示。

将制作好的试样放在10KN拉力材料试验机上进行加载,并绘制拉力—变形曲线;然后根据试验结果设计正交试验,确定最佳配比;得出结果后,重新制作试件;然后再将试样放在拉力材料试验机上进行加载并分析结果。

1.4 试验结果全断面锚喷网支护模拟后处理分析

利用ADINA里的云图,可以清楚的看到斜井位移及应力的变化情况,进而对支护前后斜井的变化情况进行分析。

开挖完成后会出现一定的应力集中现象,在锚杆支护完成后应力集中现象更加明显,通过ADINA后处理导出各点的应力数值,可知支护完成后最大有效应力为6.4×106Pa左右,最大剪应力为3.5×106Pa左右,两者均在合理变化范围之内。

通过支护前后对比分析可知,支护结构对围岩应变有显著的控制作用,尤其是底板4根锚杆对竖向应变的控制非常明显,斜井横向应变以井口为中心,左右对称,应变值相近,支护后横向最大应变为3.5×10-4,竖向最大应变5.4×10-4。

锚喷网支护对斜井围岩变形有显著的控制作用,尤其是竖向位移,开挖完成为打锚杆前,底鼓现象比较明显,底板进行锚喷网支护后有效的控制了底鼓,但顶板下沉控制不是很明显,横向位移两帮收敛值相近,以井口为中心左右对称。

2 数值模拟对比结果分析

软岩斜井采用锚喷网联合支护结构,改变了围岩内部应力,变被动支护为主动承载,原来需要一定强度支架支撑的岩体变成了支护结构的主体,充分利用了岩体的自身强度。锚喷网是一种主动支护形式,可以有效地保证斜井的使用断面。锚喷网支护形式具有机械化程度高、施工速度快、综合效益好、工人劳动强度低、能充分发挥围岩自承能力等优点。

通过全断面锚喷网支护与实际采用的锚喷网+混凝土支护的数值模拟对比分析可知,全断面锚喷网支护能有效控制围岩变形,且底板底鼓明显减小,斜井最大位移也明显减小,但通过现场实际检测,锚喷网+混凝土支护能够有效控制围岩变形,且此支护方式要比全断面锚喷网支护施工简单,且节约成本。综合考虑,采用锚喷网+混凝土的支护方法是比较理想的选择。

3 结语

文章通过数值模拟分析对比,可知拟采用的支护措施与实际采用的支护措施各有优缺点,拟采用的支护措施在控制围岩的变形上比较理想,这也是实施支护的目的所在;实际采用的支护措施会造成一定的底鼓现象,但经济效益和可推广性较强,在能够保证围岩变形在控制范围之内的基础上,实际采用的支护方法有较大的优势。

参考文献

[1] 华心祝,吕凡任,谢广祥.锚注软岩巷道流变研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(02):297-303.

[2] 杨建平,陈卫忠,郑希红.含软弱夹层深部软岩巷道稳定性分析[J].岩土力学,2008,29(10):2864-2870.