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摘要：通过ANSYS有限元软件模拟某煤矿运输大巷开拓支护全过程，对施工各步进行分析计算得到应力云图、应变云图、主应力云图、轴力云图、剪力云图、塑性区域等一系列图件，进而对这些图件和数据进行计算分析。同时，有效利用监控量测数据对分析表明：该煤矿巷道在该断面特定的围岩、施工工艺和支护工艺下是安全的。分析过程和结论对同类煤矿巷道开拓有一定的指导意义。
关键词：ANSYS 煤矿运输大巷安全性能
Abstract: By ANSYS finite element software simulated the coal mine transportation Daxiang pioneering support process, analyzed, calculated and achieved the stress drawing and strain drawing, main stress cloud images and axial force, shear convective cloud, plastic area and a series of drawings, and then analyzed for these maps. At the same time, the effective use of monitoring and surveying data to analysis shows that the coal mine roadway in this section of the surrounding rock, construction technology and support process is safe. Analysis and conclusions of similar coal mine roadway development has played an important role.
Keywords: ANSYS; coal mine transportation DaHxiang; safety performance
中图分类号： TU272 文獻标示码：A文章编号
煤矿生产中设计参数的选取至关重要，若设计时岩石参数和支护参数选择不当就会引起煤矿巷道受力过大或变形过大，从而导致煤矿冒顶、顶板掉渣、顶板支护垮倒、冲击地压、洞口边坡滑坡、坑槽垮塌等事故，造成生命财产严重损失。若建立ANSYS有限元分析模型，对煤矿岩石参数和支护设计参数下矿井开拓过程进行模拟，分析出煤矿运输大巷的安全性能，进而指导煤矿生产巷道开拓工作，减少煤矿开采时的安全事故。
有限元法是将所探讨的工程系统转化成一个有限元系统，该系统是由节点及单元组合而成。其基本思想是将问题的求解区域划分成为一系列的单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过一定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，所以易于通过平衡关系和能量关系建立单元或节点的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组计入边界条件后，即可对方程求解。
1巷道地层参数及模型参数
巷道的有限元计算采用巷道与围岩共同作用的受力模式，可以模拟分析施工方法和支护方式对围岩和巷道结构的受力与变形的影响。模拟煤矿巷道位于陕北山岭地区，巷道主体部分属于强风化、弱风化泥质砂岩，该地段埋深为25~113m。地质条件相对较差，围岩从洞口的Ⅳ级围岩到洞中的Ⅱ级围岩。本次模拟的是Ⅳ级围岩，巷道采用上下台阶法开拓。巷道设计单孔净宽度为10.8m，净高度为5.5m的四心圆断面，注浆锚杆加固范围为3m。
本文应用ANSYS二维平面应变法进行模拟。采用弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则。模型模拟的地层范围为横向宽90m，纵向高90m，隧洞中心即是模型中心。模型两侧边界施加X方向约束，模型下边界施加Y方向约束。建模时，围岩、巷道围岩加固区、初期支护都采用平面二维4节点等参单元（PLAN42）模拟；二次衬砌采用平面梁单元（BEAM3）模拟。材料参数如下表：
表1 模拟材料参数表
类别 弹性模量（Gpa） 泊松比 密度kg/m3 备注
围岩 10 0.30 2172 未处理的地表岩土材料
围岩加固区 20 0.25 2300 巷道开拓断面向外30m
二次衬砌 30 0.20 2500 巷道开拓断面向内50cm
图1 平面弹塑性有限元模型及网格划分 图2上台阶开拓后节点力
2开拓前的位移和应力分析
巷道开拓前，X方向上的位移很小，拱腰变形相对较大，最大值仅为0.440cm，而Y方向上的位移，在拱顶以上部分变化较大，拱顶处位移为3.200cm。
3上台阶开拓模拟分析
选择巷道模型中上台阶区域的地层单元,将其杀死，表示将这部分岩土材料开挖掉。将开拓区域周围的梁单元激活，也就是将相应支护部分的单元激活，即实现施做支护的模拟。上、下台阶围岩被开拓后，应力要释放，按照荷载释放分担比例原则，Ⅲ类围岩具体分担比例取初期支护时荷载释放60%，二次衬砌后，荷载释放40%。上台阶开拓后的节点力是将原节点力的乘以60%，并调整节点力的方向。
岩体由于巷道上台阶开拓后出现了临空面有了变形的空间，从而应力局部释放，使得岩体发生卸载而向内变形，原来平衡的初始应力状态发生了改变。表现为拱顶下沉、两侧边墙张开、仰拱向上鼓起、台阶下表面两侧拱脚处产生的水平位移相对较大，同时围岩的应力分布在拱顶形成一个“V”型槽。在巷道的上半洞室，水平向位移最大值处于拱脚部分，其位移趋势为向外侧扩张；竖向最大位移处于洞室的底部和顶部，底部有向上的位移，顶部有向下的位移。对巷道拱顶而言，上台阶开拓后拱顶下沉量为3.410cm。至于应力，可以看出水平方向上的应力在临时仰拱和拱角处比较大，竖直方向上拱顶和底部的较大。
4下台阶开拓模拟分析
用上面类似的操作流程模拟下台阶开拓，得到下台阶开拓后的云图，在巷道的上半洞室，水平向位移最大值在拱肩处；比较显著的竖向位移仍然位于巷道的底部和顶部。巷道拱顶在下台阶开拓后拱顶下沉量为3.640cm（如图3）。
5二次衬砌模拟分析
按照荷载释放分担比例，二次衬砌后，荷载承担40%的原则，将节点力的乘以40%，并调整节点力的方向。再求解，重复上述操作可得到和上面相似的水平方向上和竖直方向上位移等值线图，其中拱顶下沉量为5.440cm，除掉开拓之前模拟的下沉量就得出了施工引起的下沉量，为2.240cm。
图3下台阶开拓后节点力图4二次衬砌y方向位移等值线
6计算结果与量测数据的对比分析
将模拟的位移变形计算结果与实际观测值的比较。实测的巷道某断面拱顶最大下沉量为2.445cm，而ANSYS模拟的拱顶最大下沉量为2.340cm，这表明本次模拟的结果是可行的，该数据模拟在指导施工实践时，可以起到一定的参考作用。模拟计算值与实测拱顶下沉的量测值略有差别可能和以下几个因素有关：文中对巷道开拓过程的模拟其应力位移计算简化成了二维平面问题；由于岩石的力学参数在各个位置有差别，这就决定了本文的模拟计算只是一个近似的计算；实际的初始应力场除了考虑自重应力还应该考虑构造应力场；开拓过程时力学效应与时间有很大联系，在模拟计算时没有考虑时间因素。
7结论
查阅该巷道该断面设计允许最大变形量为15cm，ANSYS模拟计算最大下沉量是允许最大变形量的15%，实测累计下沉量是允许最大变形量的16%。ANSYS模拟计算计算可知变形速度也较小，同样在监控量测实测数据也验证了这一点。这表明：该煤矿巷道在该断面特定的围岩、施工工艺和支护工艺下是安全的。
［1］杨海军;张继忠．基于ANSYS的深部岩体巷道数值模拟的岩体力学参数研究(Ｊ)《现代矿业》2009年第02期
［2］杨海军,董长吉.基于ANSYS的深部巷道稳定性数值模拟(J)《煤炭技术》2009年04期
［3］赵静.基于ANSYS的巷道电磁波传播特性研究(J)《煤矿机电》2009年05期
［4］岳喜军.泥质砂岩的应力应变及强度特性研究（D）. 长安大学,2010
［5］田永军. 基于ANSYS优化的巷道断面设计研究（D）.天津大学,2007
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。2390
关键词：ANSYS 煤矿运输大巷安全性能
Abstract: By ANSYS finite element software simulated the coal mine transportation Daxiang pioneering support process, analyzed, calculated and achieved the stress drawing and strain drawing, main stress cloud images and axial force, shear convective cloud, plastic area and a series of drawings, and then analyzed for these maps. At the same time, the effective use of monitoring and surveying data to analysis shows that the coal mine roadway in this section of the surrounding rock, construction technology and support process is safe. Analysis and conclusions of similar coal mine roadway development has played an important role.
Keywords: ANSYS; coal mine transportation DaHxiang; safety performance
中图分类号： TU272 文獻标示码：A文章编号
煤矿生产中设计参数的选取至关重要，若设计时岩石参数和支护参数选择不当就会引起煤矿巷道受力过大或变形过大，从而导致煤矿冒顶、顶板掉渣、顶板支护垮倒、冲击地压、洞口边坡滑坡、坑槽垮塌等事故，造成生命财产严重损失。若建立ANSYS有限元分析模型，对煤矿岩石参数和支护设计参数下矿井开拓过程进行模拟，分析出煤矿运输大巷的安全性能，进而指导煤矿生产巷道开拓工作，减少煤矿开采时的安全事故。
有限元法是将所探讨的工程系统转化成一个有限元系统，该系统是由节点及单元组合而成。其基本思想是将问题的求解区域划分成为一系列的单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过一定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，所以易于通过平衡关系和能量关系建立单元或节点的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组计入边界条件后，即可对方程求解。
1巷道地层参数及模型参数
巷道的有限元计算采用巷道与围岩共同作用的受力模式，可以模拟分析施工方法和支护方式对围岩和巷道结构的受力与变形的影响。模拟煤矿巷道位于陕北山岭地区，巷道主体部分属于强风化、弱风化泥质砂岩，该地段埋深为25~113m。地质条件相对较差，围岩从洞口的Ⅳ级围岩到洞中的Ⅱ级围岩。本次模拟的是Ⅳ级围岩，巷道采用上下台阶法开拓。巷道设计单孔净宽度为10.8m，净高度为5.5m的四心圆断面，注浆锚杆加固范围为3m。
本文应用ANSYS二维平面应变法进行模拟。采用弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则。模型模拟的地层范围为横向宽90m，纵向高90m，隧洞中心即是模型中心。模型两侧边界施加X方向约束，模型下边界施加Y方向约束。建模时，围岩、巷道围岩加固区、初期支护都采用平面二维4节点等参单元（PLAN42）模拟；二次衬砌采用平面梁单元（BEAM3）模拟。材料参数如下表：
表1 模拟材料参数表
类别 弹性模量（Gpa） 泊松比 密度kg/m3 备注
围岩 10 0.30 2172 未处理的地表岩土材料
围岩加固区 20 0.25 2300 巷道开拓断面向外30m
二次衬砌 30 0.20 2500 巷道开拓断面向内50cm
图1 平面弹塑性有限元模型及网格划分 图2上台阶开拓后节点力
2开拓前的位移和应力分析
巷道开拓前，X方向上的位移很小，拱腰变形相对较大，最大值仅为0.440cm，而Y方向上的位移，在拱顶以上部分变化较大，拱顶处位移为3.200cm。
3上台阶开拓模拟分析
选择巷道模型中上台阶区域的地层单元,将其杀死，表示将这部分岩土材料开挖掉。将开拓区域周围的梁单元激活，也就是将相应支护部分的单元激活，即实现施做支护的模拟。上、下台阶围岩被开拓后，应力要释放，按照荷载释放分担比例原则，Ⅲ类围岩具体分担比例取初期支护时荷载释放60%，二次衬砌后，荷载释放40%。上台阶开拓后的节点力是将原节点力的乘以60%，并调整节点力的方向。
岩体由于巷道上台阶开拓后出现了临空面有了变形的空间，从而应力局部释放，使得岩体发生卸载而向内变形，原来平衡的初始应力状态发生了改变。表现为拱顶下沉、两侧边墙张开、仰拱向上鼓起、台阶下表面两侧拱脚处产生的水平位移相对较大，同时围岩的应力分布在拱顶形成一个“V”型槽。在巷道的上半洞室，水平向位移最大值处于拱脚部分，其位移趋势为向外侧扩张；竖向最大位移处于洞室的底部和顶部，底部有向上的位移，顶部有向下的位移。对巷道拱顶而言，上台阶开拓后拱顶下沉量为3.410cm。至于应力，可以看出水平方向上的应力在临时仰拱和拱角处比较大，竖直方向上拱顶和底部的较大。
4下台阶开拓模拟分析
用上面类似的操作流程模拟下台阶开拓，得到下台阶开拓后的云图，在巷道的上半洞室，水平向位移最大值在拱肩处；比较显著的竖向位移仍然位于巷道的底部和顶部。巷道拱顶在下台阶开拓后拱顶下沉量为3.640cm（如图3）。
5二次衬砌模拟分析
按照荷载释放分担比例，二次衬砌后，荷载承担40%的原则，将节点力的乘以40%，并调整节点力的方向。再求解，重复上述操作可得到和上面相似的水平方向上和竖直方向上位移等值线图，其中拱顶下沉量为5.440cm，除掉开拓之前模拟的下沉量就得出了施工引起的下沉量，为2.240cm。
图3下台阶开拓后节点力图4二次衬砌y方向位移等值线
6计算结果与量测数据的对比分析
将模拟的位移变形计算结果与实际观测值的比较。实测的巷道某断面拱顶最大下沉量为2.445cm，而ANSYS模拟的拱顶最大下沉量为2.340cm，这表明本次模拟的结果是可行的，该数据模拟在指导施工实践时，可以起到一定的参考作用。模拟计算值与实测拱顶下沉的量测值略有差别可能和以下几个因素有关：文中对巷道开拓过程的模拟其应力位移计算简化成了二维平面问题；由于岩石的力学参数在各个位置有差别，这就决定了本文的模拟计算只是一个近似的计算；实际的初始应力场除了考虑自重应力还应该考虑构造应力场；开拓过程时力学效应与时间有很大联系，在模拟计算时没有考虑时间因素。
7结论
查阅该巷道该断面设计允许最大变形量为15cm，ANSYS模拟计算最大下沉量是允许最大变形量的15%，实测累计下沉量是允许最大变形量的16%。ANSYS模拟计算计算可知变形速度也较小，同样在监控量测实测数据也验证了这一点。这表明：该煤矿巷道在该断面特定的围岩、施工工艺和支护工艺下是安全的。
［1］杨海军;张继忠．基于ANSYS的深部岩体巷道数值模拟的岩体力学参数研究(Ｊ)《现代矿业》2009年第02期
［2］杨海军,董长吉.基于ANSYS的深部巷道稳定性数值模拟(J)《煤炭技术》2009年04期
［3］赵静.基于ANSYS的巷道电磁波传播特性研究(J)《煤矿机电》2009年05期
［4］岳喜军.泥质砂岩的应力应变及强度特性研究（D）. 长安大学,2010
［5］田永军. 基于ANSYS优化的巷道断面设计研究（D）.天津大学,2007
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。2390