[转帖]锚拉支护预拉力的有限元分析

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<strong>锚拉支护预拉力的有限元分析</strong> <hr noshade="true" size="1"/><table cellspacing="8" cellpadding="0" width="500" border="0"><tbody><tr><td class="da"><p>作者：刘吉波 李建刚 陈连诚<br/><br/>预应力锚拉支护技术是集“作业理念，作业方法，加固手段和锚杆支护调控理论和方法”于一体的一套完整技术。在锚固结构条件下，覆岩可以由载荷体转化为承载体，使围岩载体系的结构特征、承载体系承受的载荷大小，以及承载体系及围岩的变形和稳定性状况等得到良好的改善。预拉力则是锚拉技术实现主动支护的基础，是“组合梁”、“刚性梁”形成的关键，不同的岩层应有不同的预拉力与之相适应，无预拉力或低预拉力支护系统不仅使锚杆在不经济的条件下工作，而且是造成巷道失稳的主要原因之一。锚拉支护系统可以通过调整安装预紧力，减少或消除顶板的拉应力区，弥补岩体抗拉强度低的弱点；并增强裂隙体间的挤压作用，促进顶板裂隙体“拱梁”的形成，使锚杆支护系统能够有效地控制锚固范围内的顶板离层；而且预紧力引起的主动作用将拱座处的水平力叠加，增大了危险部位煤岩石或不连续面的摩擦阻力，提高了顶板裂隙体梁拱座处抗剪的强度与抗滑动的能力，使每一根安装的锚杆都发挥最大作用。而怎样的安装预拉力才能保证锚固系统对顶板的控制能力，保证锚固系统的支护有效而又经济合理是本次实验研究的主题之一。<br/><br/>1 有限元模型的建立<br/><br/>1.1 围岩地质条件与计算煤岩体的力学参数<br/><br/>为了描述开采巷道开掘后的受力状态，以朔州鲁能兴陶矿的围岩地质条件为基础，构建了三维（3－D）有限元分析模型，采用目前国际上最为流行的连续介质快速拉格郎日有限差分法（三维FLAC）进行计算分析，假设屈服面在主应力空间中是线性的，把垮落的破裂煤岩视为符合莫尔－库仑屈服准则，材料的C、φ值是常数。兴陶煤矿现采煤层4^-1、4^-2的围岩地质条件如表1所示，3－D有限元分析计算中所采用的岩石（体）力学参数见表2。<br/><br/>表1 兴陶煤矿围岩地质条件<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-1401.htm">见表</a><br/><br/>表2 计算用煤岩体力学参数<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-1402.htm">见表</a><br/><br/>1.2 建立模型<br/><br/>锚拉支护的回采巷道断面为矩形，连采机组掘进巷道宽度为5.5m；巷道高度为3m；模型巷道宽度考虑实际应用连续采煤机掘进情况，采用5.5m的大断面巷道宽度。井田范围内煤层倾角较小，开采深度为200～300m，考虑到井田范围受山区地形的影响，模型是以最深－300m采深进行计算的。模型计算的巷道条数是以连采掘进时的3条顺槽和1条联络巷道为基础的，该模型涵盖了顺槽、交叉点和顺槽的联络巷道。图1即为根据兴陶煤矿的煤层地质条件所建立的三维数值分析力学模型；图2是根据兴陶煤矿的情况建立的棋盘网络状有限元计算模型，它表征的煤岩介质更为接近实际。<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-1501.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>图1 锚杆安装应力计算三维有限元模型<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-1502.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>图2 垂直剖面上棋盘式网格状应力计算有限元模型<br/><br/>2 锚杆安装应力分析<br/><br/>岩石的破坏机理分拉伸和剪切两大类。由于岩石的抗拉强度很低，故拉伸破坏的准则是只要有拉应力就认为岩石在拉应力区发生破坏。根据采用不同的安装应力时，巷道上方顶板的拉应力状况和位移情况，可以判断顶板岩层的拉伸破坏和离层状况。<br/><br/>图3显示的是在2t安装应力下顶板拉应力的分布情况。可以看出，顶板上方的应力分布自上而下是呈递减式的拱形分布，其应力的分布范围较宽（拱跨度）和应力值较大，图中灰色的拱型拉应力区域较宽，拱形较普氏拱扁平，不同于普氏拱而又接近于普氏拱，易于受拉应力破坏而形成松散体。显然2t的预应力所形成的拉应力区宽度较大，还不能很好地控制拉应力区。模型的变形状况经计算机放大显示，在此预应力作用下没有出现顶板的离层现象。<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-1503.gif" align="center" alt=""/> <br/><br/>图3 2t安装应力下拉应力在顶板的分布<br/><br/>图4表示安装应力为4t时顶板拉应力的分布情况。图中的灰色区域为拉应力区。通过对比可以看出，在4t安装应力下，拉应力区域断分成几个小拱，拉应力的分布范围和大小明显减少，然而拉应力分布区仍然存在，故还不符合锚杆支护的准则，不能将此确定为锚杆安装预拉力的合理数值。放大后的变形显示，在4t安装应力下没有离层出现。<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-1504.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>图4 4t安装应力下拉应力在顶板的分布<br/><br/>图5表示安装应力为6.5t时拉应力在顶板中的分布情况。从图5中可以看出，在6.5t安装应力下，拱下方断分的几个红色小拱也成为压应力区，上述中的灰色拉应力区域已完全消失，而拉应力消失是锚杆支护设计的原则，故6.5t的锚杆安装预拉力最为合理；从图中顶板位移放大后的变形情况显示，顶板没有出现离层。因此，最终确定锚杆的初始安装预应力设计为6.5t。按锚杆安装载荷不应该超过锚杆强度的60％考虑，则锚杆的最大允许安装载荷为10.8t。<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-1505.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>图5 6.5t安装应力下拉应力在顶板内的分布<br/><br/>3 锚杆支护参数确定<br/><br/>锚杆支护强度应该根据承载顶板岩体的静载荷外加1.5倍的安全系数。根据巷道顶板垂直剖面上的拉应力分布等值线图分析，拉应力区达到了巷道上方1.8m处，故合理的锚杆长度确定为1.8m。因此，在埋深0～400m的范围内，当巷道宽度5.5m，锚杆长度为1.8m，锚杆排距1.2m的情况下，锚杆锚固范围内的静载荷为32.0t，则锚杆支护强度＝32×1.5＝48t。按照每根锚杆强度为12.25t计算，则每排锚杆可确定为4根，锚杆排距为1.2m×1.2m。锚杆支护方案和支护参数见图6及表3。<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-2206.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>图6 顶板支护方案<br/><br/>表3 锚杆支护的技术参数<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-2203.htm">见表</a><br/><br/>基于上述计算分析，确定选择螺纹钢屈服强度500MPa，锚杆直径20mm，锚杆长度1800mm；该错杆单体的屈服载荷12.73t，破断载荷16.8t。<br/><br/>4 结语<br/><br/>预拉力是锚拉技术实现主动支护的基础，是形成“组合梁”、“钢性梁”的关键。通过调整锚拉支护系统安装预紧力，可减少或消除顶板的拉应力区，促进顶板裂隙体“拱梁”的形成，使锚杆支护系统能够有效地控制锚固范围内的顶板离层，提高顶板裂隙体梁拱座处抗剪力的强度与抗滑动的能力，使安装的每一根锚杆都能发挥最大作用。<br/><br/>信息来源：《矿业安全与环保》</p></td></tr></tbody></table>