原矿输送隧道支护方案研究设计.docx

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原矿输送隧道支护方案研究设计

云南华联锌铟股份有限公司

8000t/d原矿胶带运输隧道支护方案研究

昆明理工大学

2012.9

目录

1概述1

23D-σ数值模拟研究2

2.1计算模型2

2.2计算结果分析4

2.3模拟结论9

3FLAC3D数值模拟研究10

3.1软件介绍10

3.2计算模型10

3.3支护方案研究11

3.4支护方案优化16

3.4.1支护厚度研究16

3.4.2支护强度研究19

4结论21

1概述

云南华联锌铟股份有限公司为了扩大生产规模，新建一8000t/d规模选厂，选厂厂址距离露天采矿场有一定距离，设计采用胶带运输原矿，为此，要新建一隧道，隧道处于大理岩和云母片岩中，大理岩较云母片岩稳定，巷道变形不严重，云母片岩稳定性较差，岩体破碎，巷道变形严重。

为此，课题组主要针对云母片岩，采用数值模拟的方法对巷道支护方案进行研究。

模拟净断面尺寸分别为宽×高=3300mm×3000mm和宽×高=4400mm×5100mm。

23D-σ数值模拟研究

2.1计算模型

（1）计算域：

计算域的大小对数值模拟结果有重要的影响，计算域取得太小容易影响计算精度和可靠性，而如果取得太大，则使单元划分太多，影响计算速度。

因此必须取一个适中的计算域。

根据弹塑性力学理论可知，在承受均匀载荷的无限大弹性体中开挖以圆孔后，孔边的应力状况将发生显著变化，但这种变化的影响范围实际上只限于附近的局部区域：

在3倍孔径的区域处，应力比开孔前的应力大11%；在5倍孔径的区域处，应力的相对差值已小于5%，这样的应力变化在工程上可以忽略不计。

应此，在有限元的计算中可以把3～5倍孔径的区域作为计算域。

根据原矿胶带运输隧道的规格和断面形式，结合力学相关理论，建立三维有限元模型。

其模型大小为：

35m×35m×40m，即沿巷道方向取35m（z方向），垂直巷道方向取35m（x方向），铅垂方向取40m（y方向），由于原矿胶带运输隧道距地表较近，所以模型直接建至地表，形成初始应力场。

巷道采用三心拱断面，净断面尺寸3.3m×3.0m，喷射混凝土厚度10cm，混凝土支护厚度30cm，锚杆网度1.0m×1.0m，锚杆长度2.5m。

本次巷道模型共计210480多个节点，48948个20节点三维等参元单元。

单元网格划分、计算机模拟巷道形态示意图分别见图2-1、图2-2。

图2-1三维有限元计算机模型网格划分图

图2-2计算机模拟巷道开挖形态图

（2）边界约束：

计算域边界采取位移约束。

由于采动影响范围有限，在离采场较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为零。

因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用x、y、z三个方向约束，xy所在平面采用z方向约束，yz所在平面采用x方向约束。

（3）计算方案（计算模型）：

方案一：

巷道开挖后不进行任何加固；

方案二：

顶板及两帮采用喷锚网支护，锚杆长2.5m，间排距1.0m×1.0m，喷射混凝土厚度10cm；

方案三：

巷道形成后顶板及两帮先挂钢丝网，然后整个断面（包含底板）用18#工字钢支护，再对整个断面（包含底板）进行锚杆支护，最后对底板进行浇灌，顶板及两帮采用喷浆方式处理，锚杆长2.5m，间排距1.0m×1.0m，整个支护层厚度30cm；

（4）计算采用力学模型:

在岩体破坏分析中，采用Drucker-Prager（D-P准则）塑性破坏准则。

此破坏准则考虑了静水压力对屈服与破坏的影响，特别适用于岩土类材料的本构模型。

其屈服函数为：

1

2

3

式中：

式中а、к为D－P准则材料常数，а、к的值取决于C、φ值，它们之间存在如下关系：

4

，分别是材料内聚力和内摩擦角，另外，材料在拉应力状态下，采用抗拉破坏强度准则。

其力学模型为

式中：

为材料所受拉应力，

为材料抗拉强度。

如果拉应力超过材料抗拉强度（F≥0），材料将发生抗拉破坏。

2.2计算结果分析

本次模拟采用巷道的实际形态进行模拟，巷道的边角形态在局部比较复杂，在巷道和围岩交界部位变化较大，因此在局部应引起足够的重视。

现根据本次模拟结果，对不同的方案分别叙述如下：

符号说明：

“+”表示应力为拉应力；表示位移为与坐标轴同向，如在采场底板表示底板位移鼓出。

“－”表示应力为压应力，表示位移为与坐标轴反向，顶板位移表示下沉。

图中无特别说明，应力单位为：

Mpa；位移单位为：

m。

1、原始巷道计算结果分析（开挖后的裸巷）

在模拟的第一步即对巷道进行开挖，从模拟结果可以看出，由于巷道处于风化、破碎的石英云母片岩中，开挖后整体破坏都比较严重，特别是巷道的顶、底板。

应力主要集中在底板与两帮接触部位，最大压应力为-11.783Mpa（图2-3），开挖后巷道四周有拉应力出现，数值为0.587Mpa，超出了云母石英片岩自生的抗拉强度值，此时巷道容易发生破坏；巷道的安全率最小为0.952（图2-4），低于临界状态；整体塑性区比较明显（图2-5中的红色区域），所以说巷道开挖后自稳能力是较差，对其进行加固处理是十分必要的。

图2-3巷道开挖后最大主应力分布图

图2-4巷道开挖后安全率分布图

图2-5不支护情况下巷道塑性区分布图

2、加固方案综合分析

通过对原矿胶带运输隧道开挖后裸巷的稳定性进行分析，可以清楚的看到，巷道在无支护、加固的前提下是不可能自稳的，所以必须对巷道进行支护、加固处理。

根据方案二的施工顺序，利用锚杆、钢丝网、喷射混凝土联合对顶板及两帮进行加固。

锚杆及喷射混凝土层示意图见图2-6、图2-7所示。

图2-6顶板、两帮锚杆间排距为1.0m×1.0m，长度为2.5m

图2-7顶板、两帮混凝土喷层厚度为10cm

从模拟结果来看，两种支护方案对巷道破坏都有明显的作用，从应力分布看，两种方案加固后巷道整体都没有拉应力出现，仅用喷锚网方案加固后的最小安全率值分别为1.028，处于临界状态，而加上工字钢和底板浇灌方案加固后的安全率为1.143，大于临界状态，此时巷道稳定性相对较好；从塑性区分布来看，两个方案与不支护时相比都有明显改善，由于方案二仅用喷锚网对巷道两帮及顶板加固，所以底部塑性区还是比较明显，而方案三在底部锚杆、工字钢及混凝土浇灌的作用下效果更好。

结合应力、安全率、塑性区模拟结果，针对华联锌铟股份有限公司8000t/d原矿胶带运输隧道的破坏形式，认为在岩石条件相对较好的地段，采用喷锚网的方式进行巷道加固能满足要求；而对于岩石条件较差的地段，需要采取工字钢、喷锚网、底部锚杆及底板浇灌的方式联合加固巷道。

图2-8方案二支护后巷道最大主应力分布

图2-9方案三支护后巷道最大主应力分布

图2-10方案二支护后巷道安全率分布

图2-11方案三支护后巷道安全率分布

图2-12方案二支护后巷道整体塑性区分布

图2-13方案三支护后巷道整体塑性区分布

2.3模拟结论

综合以上分析，可得到如下结论：

（1）采用三维有限元对华联锌铟股份有限公司8000t/d原矿胶带运输隧道支护方案进行了模拟，结果表明，巷道在无支护、加固的前提下是不能自稳的，所以必须对巷道进行支护、加固处理。

（2）从所采用的几种方案模拟结果来看，针对华联锌铟股份有限公司8000t/d原矿胶带运输隧道的破坏形式，认为在岩石条件相对较好的地段，采用喷锚网的方式进行巷道加固能满足要求；而对于岩石条件较差的地段，需要采取工字钢、喷锚网、底部锚杆及底板浇灌的方式联合加固巷道。

3FLAC3D数值模拟研究

3.1软件介绍

随着计算机技术的发展，数值模拟方法已广泛应用于岩土及地下工程的研究和设计中。

FLAC（FastLagrangianAnalysisofCotinuum）是一种显式有限差分程序；基于显式有限差分方法求解运动方程与动力方程过程中，基本方程组和边界条件（一般均为微分方程）近似地改用差分方程（代数方程）来表示，即由空间离散点处的场变量（应力、位移）的代数表达式代替（这些变量在单元内是不确定的），从而把求解微分方程的问题转换成求解代数方程的问题。

FLAC3D程序是由美国Itasca咨询集团公司在FLAC的基础上开发的三维数值分析软件。

由于其分析不局限于某一类特殊问题或分析类型，所以FLAC3D广泛应用于土木、交通、采矿、水利等行业，进行复杂的岩土工程数值分析与设计。

FLAC3D具有良好的后处理功能：

计算时，三维网格自动被剖分成四面体单元；在网格划分上没有太多的限制，可以准确地模拟工程实际；每个单元体都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力的作用下屈服流动，网格也随着材料的变形而改变（大变形模式）；有限差分法不需组合成大型整体刚度矩阵，通常采用“显式”、时间递步法解算代数方程，FLAC3D可以处理任意的本构模型而不需要对求解运算法则进行调整，在模拟材料的屈服过程中，采用了混合离散化方法模拟塑性破坏与塑性流动，比有限元更为有效；FLAC3D采用宏语言FLACish（简称Fish）时，用户可以定义自己的新变量、函数或本构模型。

3.2计算模型

计算域的大小对数值模拟结果有重要的影响，计算域取得太小容易影响计算精度和可靠性；而如果取得太大，则使单元划分太多，影响计算速度。

因此必须取一个适中的计算域。

根据弹塑性力学理论可知，在承受均匀载荷的无限大弹性体中开挖以圆孔后，孔边的应力状况将发生显著变化，但这种变化的影响范围实际上只限于附近的局部区域：

在3倍孔径的区域处，应力比开孔前的应力大11%；在5倍孔径的区域处，应力的相对差值已小于5%，这样的应力变化在工程上可以忽略不计。

应此，在计算中可以把3～5倍孔径的区域作为计算域。

为了满足计算需要和保证计算精度，本次计算采用的模型尺寸为开挖区域的5倍左右。

模型x方向垂直巷道轴向方向，长度30m；模型y方向为巷道轴向方向，长度30m；模型z方向为竖直方向，高36m，巷道采用三心拱断面，净断面尺寸3.3m×3.0m，喷射混凝土厚度10cm，混凝土支护厚度30cm，锚杆网度1.0m×1.0m，锚杆长度2.5m。

计算模型建好的模型如图3-1和3-2所示。

计算域边界采取位移约束。

由于采动影响范围有限，在离巷道较远处岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为零。

因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用x、y、z三个方向约束，模型x方向的两端采用x方向约束，模型y方向的两端采用y方向约束。

模型顶部为自由边界。

图3-1计算模型图3-2锚杆

3.3支护方案研究

本次模拟以净断面尺寸宽×高=3300mm×3000mm为研究背景，模拟计算了下面三个方案：

方案一：

无任何支护措施。

方案二：

喷锚网支护，锚杆网度1.0m×1.0m，锚杆长度2.5m。

方案三：

混凝土支护，为了模拟计算的方便，将混凝土简化成30cm厚的C30混凝土，混凝土力学参数见表3-1。

表3-1混凝土容许应力（MPa）*

容许应力种类

混凝土标号

C10

C15

C20

C25

C30

压应力

3.5

5.5

7.0

9.0

10.5

拉应力

0.25

0.33

0.40

0.48

0.53

剪应力

0.50

0.65

0.80

0.95

1.05

*注：

摘自陈忠达.公路挡土墙设计[M].北京：

人民交通出版社，1999

以上各方案均一次掘进2m，模拟计算开挖长度20m。

各方案计算结果见图3-3～图3-14。

图3-3开挖2m、不支护时最大位移图

图3-4开挖2m、喷锚支护时最大位移图

图3-5开挖2m、混凝土支护时最大位移图

不支护喷锚支护混凝土支护

图3-6开挖2m时各方案塑性区图（红色代表塑性