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全长膨胀塑料锚杆对围岩作用的数值模拟

时间:2019-12-21 18:49:20  来源:  作者:  浏览量: 0
简介:   ★科技大观★全长膨胀塑料锚杆对围岩作用的数值模拟张百胜D郜进海D常吉林2)(。太原理工大学矿业工程学院,山西太原,030024 2.轩岗矿务局焦家寨煤矿,山西轩岗市,034114)头能直

  ★科技大观★全长膨胀塑料锚杆对围岩作用的数值模拟张百胜D郜进海D常吉林2)(。太原理工大学矿业工程学院,山西太原,030024 2.轩岗矿务局焦家寨煤矿,山西轩岗市,034114)头能直接割煤减少了采煤工序。为使其能广泛应用于煤巷支护,本文采用有限单元法,分析了该锚杆对围岩的支护作用并在西山煤电集团公司屯兰矿现场试验中得到了验证。

  全长膨胀塑料锚杆是一种新型的巷帮支护材料,它有利于采煤机在工作面端头的割煤,减少了工作面的采煤工序,使工作面的综合经济效益得到提高。为使该锚杆能广泛应用于煤矿回采巷道支护,本文就其对围岩的支护作用机理进行了数值模拟分析。

  1有限元网格划分全长膨胀塑料锚杆对围岩的作用方式为:(1)沿锚杆径向的膨胀应力作用;(2)沿锚杆轴向的轴向拉应力作用。显然这是一个三维应力作用,对于目前普遍采用的平面有限元来说,不能满足要求。为此,将所分析的两个相互垂直的平面,即垂直于巷道轴线的平面和平行于巷道轴线的平面,分别进行有限元计算,然后进行应力迭加,平面划分见。

  1.1xoy平面的网格划分由于巷道较长,可认为在垂直于巷道轴线的平面(xoy)内模型为平面应变问题,单元划分为四边形八节点等参单元。模型范围取高20m,考虑巷道的对称性,按半平面计算,宽15m.巷道开挖尺寸取高3m,半宽2m.其有限元计算网格见如此划分网格后,在垂直方向上划分40个单元、41个节点,在水平方向上划分30个单元、31个节点。单元总数目为1200个,节点总数目为1271个(包括因巷道开挖而去掉的节点和单元)。由于煤系地层的岩石一般比较软弱,在受力后既有初始的弹性变形,又有一定的塑性变形,属于弹塑性体因此应选用Mohr一Coulomb准则来判别岩石的破坏形式。

  1.2yoz平面的网格划分在yoz平面内,考虑锚杆安设的对称性,取模型宽3.2m,高3m.纵向划分30个单元,横向划分33个单元,单元总数目为990个,节点数为(33+1)X(30+1)=1054个。其有限元计算网格见。按Mohr~Coulomb准则来判别岩石的破坏形式。

  21xoy平面模型模型的范围取值为高度20m,宽度15m(巷道位于其中),考虑对称性,只研究巷道宽度之半至其右侧15m的范围,底板取5m(煤层1m,灰白色砂质泥岩4m)顶板取12m(巷道高度3m),巷道距地表垂深为262m,左边界除巷道内的节点开挖掉以外,其余节点固定其水平位移,右边界由于距巷道较远,按水平位移为0,也即按右边界固定水平位移。模型底部边界按完全固定边界,水平位移、垂直位移均固定,位移为0.模型顶部为自由边界,按上覆岩层自重施加荷载,P=250m rese中国煤炭第卷第。年5月xoy平面有限元模型网格划分yoz平面有限元模型网格划分表1西山煤电集团屯兰矿岩石力学参数表岩层性质抗压强度/MPa抗剪强度/MPa抗拉强度/MPa /容。m重3弹性MX泊松比粘结力/MPa内摩擦角/(°石灰岩细砂岩砂质泥岩泥岩煤层炭质泥岩中粗砂岩表2xoy平面有限兀计算结果点号表3yoz平面有限兀计算结果点号22yoz平面模型间的应力是以它们之间的中心的平面对称的,在此锚杆的布置方式为方形布置,任意两排锚杆之对称平面上可认为无水平位移,即xd=0,以该边作全长膨胀塑)料锚杆对围岩乍用的的数值模malElecfronicPublishhg为模型边界,固定该边的水平位移(另外一侧相同)模型底部按固定边界考虑,即x,i=0,j,i =0.上覆岩层应力按深度262m计算,均匀加载于上边界的各个节点上,均布荷载q= 3煤系地层岩石物理力学性能参数的确定全长膨胀塑料锚杆的试验在西山煤电集团屯兰矿进行,本次有限元计算的模型以屯兰矿的地质条件为基础。从屯兰矿、邻近矿区和地质精查报告中收集了屯兰矿煤系地层岩石的物理力学性能参数见表1煤系地层柱状图见煤系地层综合柱状图地层岩性柱状标志层厚度岩性描述灰白色中砂岩,局部斜层埋,致密,坚硬山煤层,半亮性为主灰白色细砂岩,胶结坚硬涫TO黑色砂质泥岩,水平层埋,下部较泡:哌煤层,半亮性灰白色细砂岩,局部相变为粉砂岩,坚硬灰色粉砂质泥岩,性脆,节理发育,易冒落组阻2林灰白色砂质泥岩,致密坚硬。块状结构煤系地层综合柱状有限元计算及结果分析1xoy平面有限元计算锚杆纵向拉应力取锚杆的极限抗拉强度=59.2Mpa(拉断力为P=21.9kN)21.按前述网格划分进行有限元计算,计算结果见表2.表中(x+ffy),P按煤层的泊松比0. 35取定。

  2yoz平面有限元计算如前述划分网格,锚杆间排距为0.8m,锚杆的膨胀应力按实验室实测数据取值q=9. 6MPayoz平面有限元计算结果见表3,表中Cx=KA+)。

  3计算结果迭加由于在有限元计算时是按两个平面问题求解的,因而对于整个岩体的受力情况在平面有限元计算完成后,还需进行迭加,方法是:对应点的垂直应力由两个平面计算的垂直应力相加然后减去原岩应力,两个方向的水平应力分别为各个平面有限元计算结果(假定同一层岩层内岩石为各向同性)。由于无法对整个岩体内各点的应力进行迭加,表4列出了锚杆所在位置的点迭加后的结果。应力迭加节点编号见。表中负号表不压应力。

  应力迭加节点编号由于沿巷道走向方向上的应力的增加,巷道围岩的应力状态发生了变化,巷道表面的应力在锚杆周围平均提高了60.5%,阻止了巷道围岩的位移,与轴向方向上的作用力共同作用,使巷道周围的围岩中形成明显的应力升高区,在四根锚杆的中心处应力平均提高了5.15%,即在巷帮形成压缩岩墙,使比较软弱的煤体边墙的承载能力提高,转化为较稳定边墙,巷道围岩松动圈范围缩小,有效地控制了巷道围岩的变形,起到了支护的目的。

  表4应力迭加结果表点号

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