研究了煤巷锚索的滞后支持机制基于FLAC^{3 d}修改后的模型

文摘

针对破碎的失败在采矿巷道顶板锚索在采矿过程中,提出了锚索的滞后支持计划。基于室内锚索抗拔试验的结果,在FLAC电缆元素^{3 d}修改实现扩展打破锚索的计算过程。此外,最小主应力和体积应变率突变点作为锚索的失效准则。通过比较分析五锚索滞后支持6208在王庄煤矿煤炭运输隧道方案,结果表明,滞后的支持减少了初始阻力支撑结构的支持。随着时间的增加滞后,锚索适应变形的能力逐渐增加。当滞后时间达到巷道变形的温和的地区,其适应变形的能力保持稳定。最后,它是确定支持应该开始在10 - 15米的锚索滞后6208运输隧道。工业试验表明,滞后的支持方案确保锚索可以承受一定的变形,和支持身体没有破碎的失败,有效地控制了围岩的变形程度大。

1。介绍

煤炭开采技术的不断发展,巷道支架技术开发了从被动支持积极支持。大量的工程实践证明,合并后的螺栓和有线技术支持可以有效改善围岩的稳定性1- - - - - -4]。随着煤矿开采深度的增加,复杂的地质环境使岩体表现出明显的非线性大变形力学性能(5,6]。随着负载的增加作用于支护结构,加上动态载荷的叠加,如采矿、矿山地震的应力和变形和岩石破裂,支持身体很容易超过其限值。破碎的失败变得越来越突出,严重影响巷道围岩的稳定性(7- - - - - -12]。

根据巷道支架的许多野外观测结果,大部分的螺栓固定在2米内浅层围岩巷道,及其延伸率大。一般来说,他们不会打破由于拉伸变形。大多数群锚锚定在围岩内5∼8米的巷道。因为深和浅围岩之间的相对位移相对较大,但锚索的伸长小,锚索更容易破碎的失败(13,14]。

为了适应深部围岩的变形特征,耦合支持锚索和巷道围岩的关系应该满足,通常显示的耦合强度,刚度和力15]。(1)强度耦合:巷道的围岩大变形能量,所以很难防止围岩的变形由螺栓和锚索。因此,螺栓和锚索应该用于支持围岩围岩的承载强度造成任何伤害。(2)刚度耦合:针对变形,巷道的围岩主要是由于不协调变形。之间的耦合刚度的基础支持身体和围岩是确保围岩不会被摧毁。然而,锚杆和锚索支护结构的变形极限应考虑以确保其刚度,以便它不会打破,失败。(3)力耦合:螺栓和锚索在巷道支架的力量是相互关联的,和力的耦合效应将直接影响围岩的稳定性。

事实上,支持时间是非常重要的强度、刚度、和力耦合机制的螺栓和锚索的支持结构。支持时间的选择将影响整个轴承状态的支持系统,这决定了整体的支持效果。多年来,许多学者发现,合理的支持时间尤为重要,控制围岩的变形锚杆和锚索耦合研究的支持(16- - - - - -18]。根据修改后的非线性流变Nishihara模型,Yu et al。19)获得最好的辅助支持时间金川矿区通过逆向分析和提出了锚杆、锚索联合支护技术。孟在al。20.]分析了耦合支护结构和围岩的变形机理,揭示了塑性区扩展和应力释放率之间的关系,最后确定最佳的支持。根据兴东煤矿巷道的变形监测数据,刘和李21)获得最佳的支持时间每个支持元素的组合支持计划。Yu et al。22和吴et al。23)建立了一个分段线性应变软化模型来分析不同锚固方法的影响和不同的辅助支持时间在软岩石巷道的稳定性,最后提出一个合理的设计原则的支持计划。先前的研究已经不能很好地分析和验证了锚索的合理时间滞后的支持耦合的角度支持身体的力量和它的支持效果。为了适应围岩的大变形而不破坏,提高支撑螺栓和锚索之间的互补性,安装锚的计划滞后在一定距离隧道提出。

到目前为止,数值模拟研究做出了巨大的贡献在围岩变形和支持。在FLAC锚索结构元素^{3 d}在模拟螺栓的工作状态有明显的优势和锚索24,25]。然而,由于电缆的轴向力元素将保持极限载荷甚至达到其抗拉强度后,模型中的螺栓拉伸时不会失败(26]。目前,一些学者考虑螺栓的拉伸断裂和锚索的模拟计算,所以它是不准确的用它来进一步研究锚索的法律支持。

因此,基于固体锚索抗拔试验,鱼语言是用来修改在FLAC锚索结构元素^{3 d}实现的模拟锚索断裂作用下扩展变形。与此同时,基于修改的锚索结构元素,力的法律行动的锚索滞后支持支撑结构研究,围岩的影响规律的支持效果显示,合理的锚索滞后支持方案确定。

2。FLAC^{3 d}基于抗拔试验锚索元素修改

内置FLAC电缆元素^{3 d}可以模拟锚索的应力和变形,变形小,不能用于揭示了扩展失败锚索在大变形的过程。变形行为特征的基础上测量锚索在拉伸过程中,鱼语言是用来修改电缆的元素,使仿真结果更接近现实。

2.1。拉拔力试验锚索的机械性能

MZ-II锚索安装和lw - 1000卧式拉力试验机用于测试。结构特点和卧式拉力试验机的工作原理如图所示1。机主要由主机,控制柜,测量和控制系统,伺服油源和其他部分。

测试,实现钢链锚链直径17.8毫米被选为研究对象,这是固定在无缝钢管的内径26毫米和800毫米的锚固长度。汽车钢链锚定螺栓直径20毫米被选为研究对象,这是固定在无缝钢管的内径30毫米和600毫米的锚固长度。测试锚索的相关参数如表所示1,测试结果如表所示2,锚索的荷载位移曲线如图2。

试验结果表明,这种类型的锚索的抗拉强度1591 MPa,它能承受的最大拉伸力大约是400 kN,及其延伸率只有3.5% - -4%。螺栓可以承受的最大力量大约是180 kN,和延伸率大约是16% - -18%。基于力学参数和变形规律,这种锚索,在FLAC电缆结构元素^{3 d}将被修改。

2.2。鱼语言优化电缆元素

根据锚索的力学行为特征,电缆的状态元素分为三个类别:(1)弹性阶段:不能达到它能承受的最大负载,和变形和应力都小于最大值。结构元素将继续在弹性变形阶段,然后进入塑性阶段。(2)塑料阶段:在这个阶段,电缆元素的力量等于它能承受的最大负载,但变形不达到临界值,并将继续变形应力状态。(3)破坏阶段:结构元素的变形超过了可以承受的最大变形,它将打破和失败。电缆元素的优化力模型图所示3。

当锚索进入屈服状态及其轴向变形达到指定的破坏判据,锚索将进入破坏状态。打破后,锚索轴力的下降为零,和轴向约束围岩的变形。在FLAC^{3 d},除了安克雷奇节,有线电视元素和围岩之间的相互作用是通过连接节点之间实现其目的和固体元素,可以用来模拟角色的托盘和螺母在实际的支持。这种节点可以从修改删除电缆通过编程元素,和具体流程如图4。

2.3。修改后的结构元素的模拟试验

为了测试修改后的方案的有效性,地脚螺栓的拉伸模拟实验是在FLAC进行^{3 d}。实验对象是左手螺栓直径20毫米,理论破坏载荷是180 kN,断裂伸长是16%。螺栓的拉伸试验建立模型显示在图中5。螺栓模型的总长度是2米,和固定部分和固定部分都是0.5米。螺栓分为20个元素,有0.1米长。元素(CID)数量是1到20从右到左,和监控元素是元素10。

包括原始的模型试验和实验测试两个修改后的模型试验。在测试期间,1的速度e−5应用于左侧模型计算。的位移和力元素10不断监控,和实验结果如图所示6。

修改后的模型实现了拉伸断裂当电缆元素达到最大伸长的计算过程。随着位移的增加,载荷呈现波动下降的趋势,这显然是不同于垂直线的变化规律的负载抗拔试验结果。原因是数值实验监控中的小元素的力量改变电缆的结构元素,有一定的滞后和波动的监控力变化。修改方法是将锚索的失败行为的连接点(链接点)之间的电缆结构元素和固体元素。发布的结构元素不再与固体交互元素(围岩),所以这波动载荷下降不会影响仿真结果。与此同时,这个等效模拟方法可以实现连续动作的结构元素在安克雷奇部分,这是在良好的协议与实际情况。因此,认为这个修改方案是可行的,可以模拟锚索变形的法律行动失败的围岩巷道更加真实。

3所示。锚索的机械效应滞后支持时间开采动态压力

3.1。建立数值计算模型和参数确定

锚索的支持时间滞后的支持需要考虑很多因素,如巷道围岩特性,联合结构,支持参数。在这项研究中,以道路开车沿采空区在王庄煤矿6208工作面为例。因为上节6207交通参数沿巷道使用相同的支持,顶底板的相对运动的道路相对较大,和屋顶紧缩传送机出现。情况下,加上一定量的锚索断裂,严重影响安全、高效生产。修改后的数值分析模型用于研究锚索的时间滞后的支持。在王庄煤矿,6208交通隧道的一边是固体煤银行,另一边是毗邻6207工作面开采区域。护巷煤柱的宽度为7.6米。采矿工程的平面示意图如图7。长度、宽度和高度的数值模型是200米,130米,66米,分别。边界模型的底部固定在垂直方向,虽然双方和前后轴边界分配是固定在水平方向上。使用数值模型参数修正方法,Zhang et al。27,28)和基于实验室结果,各岩层的物理力学参数在模型中最终确定,如表所示3。锚索力学参数的实验参数的选择;即,锚的弹性模量是200 GPa,直径20毫米,长度是2.2米,破坏载荷180 kN,锚固长度是0.6米。锚索的直径是17.8毫米,长度是6.0米,破坏载荷400 kN,锚固长度是1.2米。屋顶是安排6锚杆距离800 mm,屋顶是安排2群锚的距离为1.8米。

3.2。仿真和监控程序

为了确定锚索的合理的时间支持,基于属性,围岩的变形量和变形速率的增加显著不同的距离隧道的脸,以隧道的脸的距离为指数,五种锚索滞后支持方案确定,如表所示4。这个方案可以用来模拟围岩的支护效果在不同的变形阶段,也就是说,严重变形,温和时期接近围岩变形,和温和的时期完全进入了围岩变形。螺栓/网/锚联合支护模型如图8。锚索在先进的机械行为支持矿业面临的压力及其对巷道稳定性的影响在五个方案模拟,分别。

没有支持的条件下,工作面支承压力分布和巷道顶板的变形法如图所示9。主要的工作面支承压力先增加然后减少。峰值是14 MPa,峰值点距工作面18米。峰值面积约12∼22米的工作面,并严重影响区域0-35 m。为了研究围岩的变形行为的影响时的支承结构锚索滞后的支持,3点的深度测量2 m在屋顶设置之前和之后的主要支承压力峰值区。测量的点是用于监控锚索的故障时间和支持效应的变化规律。3点15米,20毫米,25米距离序列的工作表面。

3.3。确定锚索失效的条件

为了准确反映的故障时间锚索和支持的变化效果之前和之后失败,最小主应力(σ_最小值)和体积应变率(VSR)围岩在2 m的浅的部分巷道锚索时失败的测定指标提出了失败。为了证明的有效性测定指标,进行了模型试验。数值模型如图10。高地应力是应用到模型巷道的围岩变形大,直到锚索扩展和失败。最小主应力和围岩的体积应变率在2米的巷道顶板在计算过程中连续监测。

数值模拟结果如图11。图显示的最小主应力和体积应变率在2米的巷道顶板监测之前和之后的失败锚索有明显的突然改变,这是一一对应的锚索的失败。当修改后的模型(图不采用(11日)),锚链不失败的过程中巷道变形和一直扮演着配角围岩。当修改后的模型(图不采用11 (b)),锚链不失败的过程中巷道变形和一直扮演着配角围岩。在后期的变形围岩是稳定的,在监控范围内的最小主应力的变化在1.55 MPa,虽然体积应变率保持在0,都是稳定的,没有大的波动。然而,在采用电缆模型(图修改11 (b)),巷道围岩的变形驱动器结构元素的扩展,以及锚索失败。锚索的失败也可以直观地显示验证了FLAC电缆元素的力量^{3 d}模型。锚索的失败,围岩的最小主应力监测区域会突然降低,体积应变率会突然增加。锚索的突然失败导致支护结构提供的支撑阻力突然消失,和围岩内部应力状态的变化,导致体积突然改变围岩的应变率。这种一对一的表征关系验证,两个失败的可行性确定指标,最小主应力和体积应变率,确定。

3.4。变化规律的故障判据的锚索采矿工作面

工作面回采期间,锚索失败的变化规则确定索引下五滞后支持方案如图12。发现几个锚索的失败时间滞后计划显然是由于不同的支持时间和耦合应力状态的早期阶段。随着锚索的滞后距离的增加支持,锚索适应变形的能力逐渐增加。方案3、4和5,锚索变形的适应性与方案1和2相比显著提高。当的滞后时间锚索是一个温柔的巷道变形(方案4和5)的能力增加锚索适应变形有所降低。

锚索的滞后支持显著提高了变形承载力,但不同的支持导致了不同耦合应力条件下的承载体。的初始阻力支撑结构明显不同,这反映在图中的力学现象,最小主应力增加而变形。方案3,没有失败锚索在20米测点的位置,但它也表明,最大工作阻力不能及时达到初始变形过程中先进的支持下的屋顶的压力。由于锚索的某些滞后,锚索的初始轴向力减少,和最小主应力的降低围岩的初始阶段的围岩变形引起的这不是强大。因此,方案3被认为是可行的。从方案4和图5可以看出,当锚索滞后支持完全位于温柔段巷道变形,围岩的初始最小主应力显著降低。支持身体需要一个漫长的过程的围岩变形阻力达到它的最大支持,支持结构的支持效果不能充分发挥在早期阶段,这不利于变形控制。

因此,考虑变形的提高锚索的承载力的承载能力不同的方案和锚索的早期阶段巷道变形、锚索的滞后支持时间是最好的,当它接近稳定段巷道的围岩变形。是确定锚索的支持滞后时间6208年交通隧道在王庄煤矿10 - 15 m在头后面。

4所示。工业测试

为了验证优化的支持方案的有效性在王庄煤矿6208隧道,三组表面位移和锚索应力测量站设置。在图所示的监测方案13。隧道和采矿过程中,螺栓测功器是用于监控的压力负荷测量螺栓和负荷测量电缆,然后计算应力状态根据螺栓的力学参数和电缆。1 #综合测量站的监测结果如图所示14。

提高预应力螺栓后,采用滞后对锚索的支持,屋顶地脚螺栓和有线电视显示良好的压力耦合和合作关系(图14)。后期的隧道,耦合力范围基本上是达到了。同时,合理的滞后的支持也确保了锚索可以承受一定的变形在矿业没有破碎的失败,这保证了巷道的安全使用。

围岩表面位移图所示15。采用优化的援助计划后,巷道的围岩变形已被控制。在采矿和停止阶段,最终的数量相对接近的屋顶和地板是37毫米和147毫米,分别和相应的数量相对接近的道路两边是149毫米和330毫米,分别在两个阶段。针对围岩的整体控制效果,巷道围岩处于相对稳定状态,及其变形是有效控制。

5。结论

在采矿工程中,锚索的失败的采矿巷道顶板诱导矿业非常严重;因此,解决锚索的失败是非常重要的维护巷道的稳定。因此,锚索滞后支持解决方案提出了研究。此外,基于FLAC中修改后的电缆的元素^{3 d},真正的破坏影响锚索在计算过程中实现。通过仿真分析的五个锚索滞后支持计划6208年交通隧道在王庄煤矿煤,工业进行检测,成功验证了方案的可行性。主要结论如下:(1)基于室内锚索抗拔试验的结果,锚索的变形行为。然后,在FLAC电缆的变形属性元素^{3 d}修改,以便扩展断裂的影响锚索计算过程中可以实现。(2)最小主应力和体积应变突变点被用作机械标准锚索的失败。证明与锚索支持滞后时间的增加,锚索适应变形的能力逐渐增加,增加率逐渐降低,和最初的支架阻力逐渐减小。(3)根据修改后的数值模型,确定锚索的滞后时间以及6208年王庄煤矿运输隧道落后10 - 15米的范围内。工业试验验证该方案的可行性,确保巷道的安全使用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是在经济上支持中国国家重点研究和发展项目通过合同编号。2020 yfb1314200。

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