膨胀性围岩中巷道地压的模拟

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.06.001 第16卷第6期 北京科技大学学报 Vol.16 No.6 1994年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1994 膨胀性围岩中巷道地压的模拟 杨庆吴顺川 廖国华 北京科技大学采矿系，北京100083 摘要本文研究了膨胀性围岩中巷道地压显现规律和支护的模拟方法，这些方法包括有限元法和 模型试验方法，并利用这些方法分析和讨论了膨胀性围岩中巷道地压的显现规律和几种支护方案 的作用原理. 关健词围岩，巷道支护，有限元法，模型试验/膨胀岩，地压 中图分类号TU457,TD350.1 Simulating Study of Tunnel Grounds in Swelling Rock Masses Yang Qing Wu Shunchuan Liao Guohua Department of Mining and Mineral Engineering USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRACT The methods simulating the grounds and support system of the tunnel located in swelling rock masses,which includes FEM and model test,is studied.By using the methods. the law of tunnel grounds and the theory of supports are analysed and discussed. KEY WORDS surrounding rocks,roadway supports.finite element methods,model tests/swellling rocks,underground pressure 近20年来，有限元方法得已开发了许多通用程序，如SAP5、ADINA和NOLM83程序，这 些程序大多得到了广泛应用，但这些程序都不能处理围岩吸水膨胀问题.关于膨胀问题的有 限单元法的研究尚属刚刚起步，Wittke川、Richards因采用了不同的思路编制了这方面的程序， 笔者根据试验所得的膨胀本构关系，以刘怀恒调的二维非线性有限元程序为基础，编制了一个 适用于模拟膨胀问题的有限单元法程序SNFP(Nonliner FEM Program for Swelling Problem), 并开展了模型试验的研究工作， 1有限元程序的编制 1.1基本方程推导 一般弹塑性问题的有限元分析方法，是采用将载荷增量分段线性化来处理的·下面首先 1993-08-14收稿 第一作者男30岁博士

第 ￾ 卷 第 ￾期 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾州年 ￾￾月 ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾月 ￾￾￾ ￾心 ￾ ￾ ￾￾七 ￾望￾ 膨胀性 围岩 中巷道地压 的模拟 杨 庆 吴顺川 廖 国华 北京科技大 学 采矿 系 ， 北京 ￾仪刃￾￾ 摘要 本 文研究 了 膨胀性 围 岩 中巷道地压 显现规律和 支护 的模拟方法 ， 这些方法包括有 限元法和 模 型试验方法 ， 并利用这些方法分析和讨论 了膨胀性 围岩 中巷道地压 的显现规律和几种支护方案 的作 用 原理 ￾ 关健词 围岩 ， 巷道 支护 ， 有 限元法 ， 模型 试验￾膨胀岩 ， 地压 中图分类号 ￾￾￾￾￾￾ ， ￾￾￾印 ￾ ￾ ￾￾匡￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾ 翻￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾币￾ ￾￾ ￾￾￾￾份】￾￾￾￾￾巧￾￾ ￾￾￾￾ 一 ￾￾￾￾￾ ￾ ￾ 兀￾￾￾ ， ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾喇 ￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾ ￾￾￾ ， ￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾ ， ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾万 ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾， ￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ， ￾￾￾￾ ￾￾ ￾ ￾坦￾￾￾￾ ， ￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ， ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾ 近 ￾ 年 来 ， 有 限元方 法得 已 开 发 了许 多通 用程 序 ， 如 ￾￾￾￾ 、 ￾￾￾￾ ￾ 和 ￾￾￾￾￾ 程序 ， 这 些程 序大 多得 到 了广 泛应 用 ￾ 但这些 程序 都不 能 处 理 围岩 吸 水 膨 胀 问题 ￾ 关 于 膨 胀 问题 的 有 限单元法 的研究 尚属 刚刚起步 ， ￾￾￾己 ’〕 、 ￾￾￾￾ 圈 采用 了不 同 的思 路 编 制 了 这 方 面 的 程 序 ￾ 笔者根 据试验所 得 的膨 胀本 构 关 系 ， 以 刘 怀恒￾ 的二 维 非 线性 有 限元程 序 为基 础 ， 编 制 了 一 个 适用 于 模拟 膨胀 问题 的有 限单元 法 程序 ￾￾￾万￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ， 并 开展 了模 型 试 验 的研究 工 作 ￾ ￾ 有 限元程序 的编 制 ￾￾ 基本方 程推导 一 般 弹 塑性 问题 的有 限元 分析方 法 ， 是 采 用 将载 荷增 量 分段 线性 化来处理 的 ￾ 下面 首 先 ￾￾￾一 ￾ 一 ￾ 收 稿 第 一 作者 男 ￾ 岁 博 士 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．１９９４．０６．００１

·508· 北京科技大学学报 1994年No.6 假设膨胀岩在一定的应力作用下符合弹性假设，根据变分法推导膨胀问题有限单元方法的解 题过程，以便为程序的编制提供理论依据· 因可将膨胀应力作为一种内力来处理，并假设其符合小变形理论，所以其平衡条件、几何 条件将和外载荷作用的问题相同，所不同的只是物理条件（即本构方程）.设膨胀应变为ε，则 平面应力问题的本构方程为： {o}=[D]({ε}-{e,}) (1) 式中[D]为由广义虎克定律给出的弹性矩阵， 由此可知，若以(《ε}-{e。》取代外载荷作用下的{ε}，便可得到形式相同的本构方程. 在这里，单元的位移模式和单元的应变与结点位移之间的关系式仍可取一般的表示形 式，则单元的本构方程为： {e}=[D[B]{δ}-[D]{e,} (2) 由于岩石吸水膨胀产生的膨胀应力是一种内力，故外力势能为零，则单元的势能为： W=(1/2)({e}-{e,})[D]({e}-{e,})ds 各单元的总势能为： w=(1/2)1δ}'[K]{o}-{⊙{P,}+(1/2)∑{a,"D1{8,ds 式中：K]=∑(C)IK][C;{P,}=∑(C]){P,};IC为单元选择矩阵. 根据能量泛函极值条件，有W/[δ]=O,得： K]{δ}={P} (3) 这就是求解由膨胀引起的结点位移的支配方程，从以上推导的结果可以看到，膨胀问题 的有限元计算与外荷载情况极为相似，在此将{P,}定义为膨胀荷载.在有限元计算过程 中，首先按外荷载进行计算，即支配方程为：[K]{δ}={P?确定最终应力场后，根据各 单元的应力第一不变量值判断哪些单元属膨胀单元（单元应力第一不变量小于单元 的最大体积膨胀应力)，最后对膨胀单元按方程(3)求解附加节点位移，此时的应力场 应按式(1)的本构关系进行计算· 在上面本构方程和刚度支配方程中，膨胀荷载的计算中所涉及的膨胀应变应根据膨胀本 构关系求得，即：e,=(A+BW/I1-CInI)/2 1.2基本假设 在上面推导过程及程序的编制中作了如下假设： (1)围岩是均质、各向同性的； (2)符合小变形理论，不考虑软化问题； (3)围岩为弹塑性体，屈服表面由Drucker--Prager屈服准则定义. 程序的编制采用初应力法·详细的程序编制过程，在此不一一详述·

· 酬￾￾ · 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾卯￾年 ￾￾ ￾ ￾ 假 设膨胀岩在一 定 的应力作 用下 符合弹性假设 ， 根 据变分法 推导膨胀 问题有 限单元方 法 的解 题过程 ， 以 便 为程 序 的编 制提供理论依据 ￾ 因可 将膨胀 应力作 为一 种 内力来处理 ， 并假设其符合小变形理 论 ， 所 以 其 平 衡 条件 、 几 何 条件将 和 外 载荷作用 的 问题相 同 ， 所 不 同的只是 物理条件 ￾即本构方程 ￾ ￾ 设膨胀应变 为 。 ，， 则 平 面 应 力 问题 的本 构方 程 为 ￾ ￾ ￾卜 ￾￾ ￾￾ 。￾一 ￾ “￾ ￾￾ ￾￾￾ 式 中￾】为 由广 义 虎 克定 律 给 出的弹性 矩 阵 ￾ 由此可知 ， 若以 ￾ 。 ￾一 ￾ ￡， ￾￾取代外载荷作用下的￾ 。 ￾ ， 便可得到形式相同的本构 方程 ￾ 在 这里 ， 单 元 的 位 移 模 式 和 单 元 的 应 变 与结 点 位 移 之 间 的 关 系 式 仍 可 取 一 般 的表 示 形 式 ， 则 单元 的本 构 方程 为 ￾ ￾。 ￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾占￾ ’ 一 ￾￾ 』￾ 。￾ ￾ ￾￾￾ 由于 岩 石 吸水膨 胀产生 的膨胀应力是 一 种 内力 ， 故外 力 势 能 为 零 ， 则单元 的势能 为 ￾ 、一 卫 ，￾￾￾￾￾ ￡￾一 ￾ ￡￾ ￾， ￾ 【￾ ，“ ￡，一 ‘ ￡￾ ，，￾￾ 各单元 的总 势能 为 ￾ ￾ 一 ‘，￾￾，￾‘， · ￾￾，￾‘￾一 ￾￾￾ · ￾尸 ￾ ￾· ￾‘￾￾￾落￾ ￡￾ ￾ · ￾￾ 〕￾ ￡￾ ￾￾￾ 式 中 ￾￾天￾￾ 艺￾￾￾ ·￾ ￾ ￾犬￾「￾￾ · ￾ ￾￾， ￾ ￾一 叉￾￾￾ ·￾ ￾ ￾尸 ￾ ￾ ￾ ￾ 一￾￾ · 为单元 选 择矩 阵 ￾ 根 据 能量 泛 函极 值 条件 ， 有 刁￾￾刁【司￾ ￾ ， 得 ￾ 【￾￾毛占￾￾ ￾￾ ，￾ ￾￾￾ 这 就 是 求解 由膨 胀 引起 的结 点位移 的支 配方 程 ￾ 从 以上 推 导的结 果 可 以看 到 ， 膨 胀 问题 的有 限元 计算 与外 荷 载情 况极 为相 似 ， 在 此 将 ￾尸 、 ￾定 义 为 膨 胀 荷 载 ￾ 在 有 限元 计 算 过 程 中 ， 首 先 按外 荷 载 进行 计算 ， 即支 配方 程 为 ￾ ￾￾￾￾占￾￾ ￾尸￾ ￾ 确 定 最 终 应 力 场 后 ， 根 据 各 单 元 的 应 力 第 一 不 变 量 值 判 断 哪 些 单 元 属 膨 胀 单 元 ￾单 元 应 力 第 一 不 变 量 小 于 单 元 的 最 大 体 积 膨 胀 应 力 ￾ ， 最 后 对膨 胀 单元 按 方 程 ￾ 求 解 附加 节 点 位 移 ￾ 此 时 的 应 力 场 应 按 式 ￾￾ 的本 构 关 系进行计算 ￾ 在 上 面本 构方 程 和 刚度 支配方 程 中 ， 膨胀 荷载 的计算 中所 涉及 的膨胀 应 变应根 据膨胀 本 构 关 系日￾求得 ， 即 ￾ 。、 ￾ ￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾ 一 ￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾￾ 基 本假设 在上 面 推 导过 程 及 程 序 的编 制 中作 了 如下假设 ￾ ￾￾ 围岩 是 均 质 、 各 向同性 的 ￾ ￾￾ 符 合小 变形理 论 ， 不 考 虑软化 问题 ￾ ￾ 围岩 为弹 塑性 体 ， 屈服 表 面 由 ￾￾￾￾ 一 ￾￾￾￾ 屈服 准则定 义 程 序 的编制 采 用 初 应力 法 ￾ 详 细 的程 序编制 过 程 ， 在 此 不 一 一详述

Vol.16 No.6 杨庆等：膨胀性围岩中巷道地压的模拟 ·509. 2模型试验方法及结果 模型结构示意图如图1所示，模拟试验材料是在梅山铁矿采取的，经粉碎（颗粒直径小 于1mm)、烘干后，再参人一定比例的水，在模具内压实.材料容重相似比为1.32，初始含 水量为10%，模型几何尺寸相似比为100. 在模型表面设置了测点，以观测巷道周围的位移，测量方法采用大地摄影测量原理. 12 图1模型结构示意图 1框架2加压装置3巷道4模型材料5保护钢条6巷道模7木块 8缓冲橡胶9进气口10进气管11压力表12螺栓13塞子14滴定管 Fig.1 Sketch map of model structure 巷道形状为半圆拱形，墙高22mm,拱半径为18mm,水泥喷层厚度约为lmm,锚杆支护 采用大头针模拟，长度为25mm. 为了模拟膨胀性围岩中巷道的支护情况，共做了以下2个试验： (1)在侧墙、拱部进行了喷锚支护，侧压系数为2，水平方向均布荷载为0.S2MPa,垂 直方向均布荷载为0.26MPa; (2)在侧墙和拱部进行了喷锚支护，底板用锚杆锚固，加载情况同(1). 模型试验的主要结果列于表1. 表1、、模型试验的主要结果 Table 1 The main result of model test 模型试验号、试验持续时间/d最终吸水量/ml、底板中点最终位移/mm 1 30 321 16.7 17 252 4.9 3有限元模拟分析

物￾ ￾ ￾ ￾￾ ￾ ￾ 杨 庆等 ￾ 膨胀性 围岩 中巷道地压 的模拟 汉刃 ￾ ￾ 模型试验方法及结果 模型 结 构示 意 图如 图 ￾所示 ￾ 模拟试验材 料 是 在 梅 山铁矿采 取 的 ， 经 粉碎 ￾颗粒 直径小 于 ￾￾￾ 、 烘干 后 ， 再参人一定 比例 的水 ， 在模 具 内压 实 ￾ 材 料 容 重 相 似 比 为 ￾ ￾ ￾ ， 初 始 含 水量 为 ￾￾ ， 模 型几何 尺 寸相 似 比 为 ￾￾ ￾ 在模 型 表面设置 了测 点 ， 以观测 巷道 周 围 的位 移 ￾ 测量 方 法 采 用大地 摄影 测 量 原理 ￾ ￾ 喊 图 ￾ 模型结构示 意图 ￾ 框架 ￾ 加 压装置 ￾ 巷道 ￾ 模型材料 ￾ 保护钢条 ￾ 巷道模 ， 木块 ￾ 缓冲橡胶 ￾ 进气口 ￾ 进气管 ￾ 压力表 ￾ 螺栓 ￾ 塞子 ￾ 滴定 管 瑰￾ ￾址奴如 皿￾ ￾ ￾阴触￾成门￾￾￾ 巷 道 形 状 为半 圆拱形 ， 墙 高 ￾￾卫￾， 拱半 径 为 ￾￾且￾， 水 泥 喷 层 厚 度 约 为 ￾￾卫￾ ， 锚 杆 支 护 采 用大 头 针模拟 ， 长度 为 ￾￾￾口￾￾ ￾ 为 了模 拟膨胀性 围岩 中巷 道 的支护情 况 ， 共做 了 以 下 ￾ 个 试验 ￾ ￾￾ 在 侧墙 、 拱部进行 了喷 锚 支 护 ， 侧 压 系 数 为 ￾ ， 水 平 方 向 均 布 荷 载 为 ￾￾￾￾￾， 垂 直方 向均 布 荷载 为 ￾￾￾￾￾￾￾ ￾ 在 侧墙 和 拱部 进行 了喷锚 支护 ， 底 板用 锚杆 锚 固 ， 加 载 情 况 同 ￾￾￾ ￾ 模型试验 的主要 结果列 于 表 ￾ ￾ 表 ￾ 、 、 模型试验 的主要结果 ￾￾￾众 ￾ ￾￾比 ￾面￾ 肥如￾ ￾ ￾￾仪￾￾￾￾盆 模 型 试验号 、 试验持续 时 间 ￾￾ 最终 吸水量 ￾刘 、 底 板 中点最终 位 移 ￾￾ ￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾￾刀 ￾ ￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾ ￾ ￾ 有 限 元模拟分析

·510· 北京科技大学学报 1994年No.6 3.1分析方案及基本参数 巷道大小及形状与试验模型相同，考虑到轴对称性，计算范围取试验模型的一半，即 130mm×260mm.单元总数为335；节点总数为373，不考虑单元自重.由于模型试验过程是 充足供水的，所以在分析时假设各单元是充足吸水的，计算参数取值如下： (1)围岩的力学参数：弹性模量：E=108.5MPa;泊松比：4=0.3；粘结力C=0.044: MPa;内摩擦角：Φ=28.5（°）；外边界均布荷载：P=0.26MPa;初始含水量：W。=10%. (2)单元最大膨胀体积应力：0r=1.5MPa. (3)水泥喷层的力学参数9：弹性模量：E=1.5×10MPa;泊松比：4=0.16；粘结力： C=3.0MPa;内摩擦角：Φ=37（°）；单轴抗拉强度：RT=14.7MPa;喷层厚度：1mm;喷层单元 数：11. (4)锚杆的力学参数：弹性模量：E=2×10MPa;单轴抗拉强度：R7=1.9×103MPa 锚杆类型：非预应力锚杆 数值模拟分析方案： 方案】无支护； 方案2边墙和拱部施作锚喷支护； 方案3边墙和拱部施作锚喷支护，底板施加锚杆， 3.2模拟结果分析 图2是方案1的塑性区分布图，在底板和直墙部位进入塑性状态的单元较多，在拱顶及 拐角部位进人塑性状态的单元较少，图3是方案1的最大主应力等值线图，在墙角处的应力 集中现象相对较弱、在拱边深部形成了应力升高区， 0246810 10 8 2 0 2 -6 8 -10 图2方案1塑性区分布 图3方案1最大主应力等值线图 Fig.2 Plastic zone of No.1 Fig3 Maximum stress isogram of No.1

北 京 科 技 大 学 学 报 ￾哭辫 年 ￾￾ ￾ ￾ ￾￾ 分析方案及基本参数 巷道大小及 形状与试验模型 相 同 ， 考 虑 到 轴 对称 性 ， 计算 范 围取 试 验 模 型 的 一 半 ， 即 ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾川￾ 单元总数为 ￾￾￾ 节点总数为 ￾￾ ， 不 考 虑 单元 自重 ￾ 由于 模 型 试 验 过 程 是 充 足供水 的 ， 所 以 在分 析 时假设各单元是充足 吸水 的 ￾ 计算参数取值 如 下 ￾ ￾￾ 围岩 的力学 参数 ￾ 弹性模 量 ￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ 泊 松 比￾ 拜 ￾ ￾￾￾ 粘 结 力 ￾二 ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ 内 摩擦 角 ￾ 。 ￾ ￾￾ ￾ 。 ￾ 外边界 均布荷载 ￾ 尸￾ ￾￾￾￾￾初始 含水量 ￾ 叽 二 ￾￾ ￾ ￾ 单元最大膨 胀体积应力 ￾ 。 ￾￾ ￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾ ￾￾ 水泥 喷层 的 力 学 参 数闷 二 弹性 模 量 ￾ ￾￾ ￾ ￾ ￾￾ ￾￾ ￾￾￾ 泊 松 比￾ 群 ￾ ￾ ￾ ￾￾ 粘 结 力 ￾ ￾二 ￾￾￾￾￾内摩擦角 ￾ 。 ￾ ￾ ￾ “ ￾￾ 单轴抗拉强 度 ￾ ￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾喷层厚度 ￾ ￾￾￾￾ 喷层单元 数 ￾ ￾￾ ￾ ￾ 锚杆 的力学参数￾ 弹性模量 ￾ ￾￾ ￾ ￾ ￾￾， ￾￾￾ 单轴抗拉强度 ￾ ￾￾ ￾ ￾ ￾ ￾￾ ￾，￾￾￾ 锚杆类 型 ￾ 非 预应力 锚杆 ￾ 数值模拟分 析方 案￾ 方 案 ￾ 无 支护 ￾ 方 案 ￾ 边墙 和 拱 部施作锚 喷支 护 ￾ 方 案 ￾ 边墙 和 拱部施作 锚 喷 支护 ， 底板施 加锚杆 ￾ ￾￾ 模拟结 果分析 图 ￾是 方 案 ￾的塑性 区 分 布 图 ， 在底 板 和 直墙部位进人 塑性状态 的单元 较 多 ， 在 拱 顶 及 拐 角部位进 人 塑性 状态 的单元较少 ￾ 图 ￾是方 案 ￾的最 大 主应 力等值 线 图 ￾ 在 墙 角处 的应 力 集 中现象 相 对较 弱 ， 在 拱边 深部形 成 了应力 升高 区 ￾ ￾ ￾ ￾ ￾ 一￾ ￾￾￾‘￾￾￾ ￾ ， ￾￾矛 一 、一资吸￾￾ 眼犯刁扮一沪 ￾夕一﹄一、二一、一︸￾ 图 ￾ 方案 ￾塑性区分布 ￾奄￾ ￾、成让 ￾￾犯 ￾ ￾￾ 图 ￾ ￾飞￾ 方案 ￾最大主应 力等值线图 ￾肠劝￾￾￾ 劝记活 奴瞥阳￾ ￾ 卜沁 ￾ ￾

Vol.16 No.6 杨庆等：膨胀性国岩中巷道地压的模拟 .511. 图4为方案2和方案3主应力等值线对比图，从图中可知，由于施加了底锚，使巷道直 墙和拱部围岩的应力状态得到了极大改善、同时巷道拐角处的应力集中转移到巷道底板中点 处，这是由于底板中点向上鼓起的趋势最大，而由于底板锚杆的抵抗作用、相应的膨胀压力 也就最大· 6 方案3 方案26 4 2 0 -2 -4 -6 -8 10 10 10 -8 -2 0 2-46810 图4方案2和方案3的最大主应力等值线图 Fig.4 Maximum stress isogram of No.2 and No.3 有限元分析巷道底板中点的位移(mm:方案：3.42；方案2：2.23：方案3：1.21 方案2与方案1对比，底板中点的最大底鼓量减少了42：方案3与方案1对比，底板中 点的底鼓量减少了95%，由此说明底板锚杆对控制底鼓的作用是非常大的. 同表1试验结果对比，发现两者相差较大，主要原因为： ()用有限元模拟分析时，假设各个单元是充足吸水的，而模型试验各个部位吸水并不均匀， (2)用有限元模拟分析所得锚杆支护的作用较大的原因，是由于有限元模型是二维的，即 杆单元在有限元分析时是按板单元处理的，亦即在巷道的轴向方向锚杆是无限长的平板， 4结论 从一般的锚杆锚固原理来讲，使用底板锚杆只有在比较良好的矿山地质条件下，如在底板 下部有不膨胀并能在其中锚固锚头的坚硬岩层时，锚杆锚固方可取得积极的效果，但本文的 试验及有限元模拟情况，并不符合上述条件，底板锚杆仍取得了良好的效果.其主要原因是由 于底板锚杆的作用减轻了底板岩石的松动和活化程度，改善了底板岩层的受力状态，减弱了 底板岩层吸水的能力，从而大大减小了底板的底鼓量. 因为水是膨胀岩产生膨张的重要原因之一，及时对巷道底板进行封闭是重要的.对于围 岩膨胀强烈、永久性巷道应将锚杆与反拱同时采用. (下转516页)

、￾ ￾ ￾ ￾￾ ￾ ￾ 杨 庆等 ￾ 膨 胀性 围 岩 中巷道地 压 的模拟 · ￾ ￾ · 图 ￾为方 案 ￾和 方 案 ￾主 应 力 等值 线 对 比 图 ￾ 从 图 中可 知 ， 由于 施 加 了底 锚 ， 使巷 道 直 墙和 拱部 围岩 的应力状态得 到 了极大改 善 ， 同时巷 道 拐 角处的 应力集 中转 移到 巷道 底板 中点 处 ， 这 是 由于 底 板 中点 向上 鼓 起 的趋 势最大 ， 而 由于 底板 锚 杆 的抵抗作 用 ， 相 应 的膨 胀 压力 也就最大 ￾ ￾￾￾，︸ 一 ︸￾￾ 一 一 ￾￾￾一 ￾￾‘ 一 ￾￾ 一 ￾ 布 方案 … 图 ￾ 方案 ￾和方案 ￾的最大主应 力等值线 图 均￾ 凡】如劝￾￾￾ ，￾已洛 洲艰口￾ ￾ ￾￾￾ ￾闭 ￾￾￾ 有 限元分析巷 道底 板 中点 的位移￾￾￾￾￾ 方 案 ￾￾ ￾￾￾ 方 案 ￾ ￾￾ ￾ 方 案 ￾￾ ￾ ￾ ￾ ￾ 方 案 ￾与方 案 ￾对 比 ， 底 板 中点 的最大 底鼓量 减 少 了 ￾ ￾￾ 方 案 ￾与方 案 ￾对 比 ， 底 板 中 点 的底 鼓 量 减 少 了 ￾ ￾ ， 由此 说 明底板锚杆 对控 制 底鼓 的 作 用 是非 常大 的 ￾ 同表 ￾试验结 果 对 比 ， 发 现 两者相 差 较大 ， 主要 原 因 为 ￾ ￾￾ 用有 限元模拟分 析时 ， 假设各个单元是充足 吸水 的 ， 而模型试验各个部位吸水并不均匀 ￾ ￾￾ 用 有 限元模 拟 分 析所 得 锚杆 支 护 的作用 较大 的 原 因 ， 是 由于 有 限元模 型 是二 维 的 ， 即 杆单元在 有 限元分 析 时是 按板单元处理 的 ， 亦 即在 巷 道 的轴 向方 向锚 杆 是 无 限长 的平 板 ￾ ￾ 结论 从一 般 的锚杆 锚 固原理 来讲 ， 使 用 底 板锚杆 只 有 在 比较 良好 的矿 山地 质 条件 下 ， 如在 底 板 下部有 不膨胀并 能在 其 中锚 固锚头 的坚 硬 岩 层 时 ， 锚 杆 锚 固 方 可 取 得 积 极 的 效 果 ￾ 但 本 文 的 试验及有 限元模拟 情 况 ， 并 不符 合上 述 条件 ， 底 板锚杆 仍取 得 了 良好 的效 果 ￾ 其 主 要 原 因是 由 于底 板锚杆 的作 用减轻 了底 板岩 石 的松 动和 活 化 程 度 ， 改 善 了底 板 岩 层 的 受 力 状 态 ， 减 弱 了 底 板 岩层 吸水 的能力 ， 从而大大减小 了底 板 的底 鼓量 ￾ 因 为水是膨胀 岩产 生膨 胀 的重要 原 因之 一 ， 及 时 对巷 道 底 板 进 行 封 闭是 重 要 的 ￾ 对 于 围 岩膨胀 强 烈 、 永久 性 巷 道 应将锚杆 与反拱 同时采 用 ￾ ￾下 转 ￾￾￾页￾

-516 李英龙等：应用神经网络建立采矿经验知识库 Vol.16 No.6 检验结果表明：用BP网络模型，可以反映采矿方法的工程背景与主要技术经济指标之间 的相关性.上述检验中，回响检验的成功率为100%（相对误差小于10%的数据所占比重方 预测检验时，只有一个数值的相对误差是大于10%，其余误差均小于10% 5结论 (1)对于这个获取采矿方法主要技术经济指标的采矿经验知识库，目前只完成知识库结 构和几个采矿方法的BP网络模型的建造工作，还有许多采矿方法的BP网络模型有待完成， 不过，研究已经表明：利用这样的采矿经验知识库，获取采矿方法的主要技术经济指标是可行 的. (2)采用类似于本文的方法，可进行其它采矿领域的经验知识库的建造，如采掘设备台 效经验知识库. (3)在应用过程中，还需对建好的经验知识库不断更新，即过一段时间后，应将出现的新 工程实例提供给BP网络模型作为学习样本， 参考文献 1云伏夏等.采矿方法选择中的模糊决策.化工矿山技术，1986（⑤：2~6.13 2焦李成著.神经网络系统理论，西安：西安电子科技大学出版社，190.34~36 3 Hechit-Nielsen R.Kolmogorov's Mapping Neural Network Existence Theorem. In:Proc.IEEE Ist Int Conf on Neural Network.1987.11 14 4王家齐等编.空场采矿法。北京：冶金工业出版社，1988.1~32 5采矿手册编辑委员会编.采矿手册（第4卷）.北京：冶金工业出版社.1990.130~137 6采矿设计手册编写委员会编.采矿设计手册（矿床开采卷下）.北京：中国建筑工业出版社，1988.1084~1091 (上接512页) 参考文献 1 Wittke W,Pierau B.Foundations for the Design and Construction of Tunnel in Swelling Rock.Pro- ceedings of the 4th International Congress on Rock Mechanics,Montreux,Switerland.1979.vol 2:219 2 Richar心BG.膨胀粘土体积变化的有限元分析.见：国外膨胀土研究新技术.四：成都科技大学出版社， 1986.102 4于学馥，郑颖人，刘怀恒，方正昌.地下工程围岩稳定分析.北京：煤炭工业出版社，1983.1 5杨庆，膨胀岩本构及巷道地压显现规律的研究，[博士学位论文小：北京科技大学，193 6郑颖人，董飞云等，地下工程锚喷支护设计指南，北京：中国铁道出版社，1988.100

李英龙等 ￾ 应用 神经 网络建立 采矿 经验知识库 ￾￾￾ ￾ ￾￾ ￾￾ ￾ ￾ 检验结 果表 明 ￾用 ￾￾网络模型 ， 可 以反 映采矿方 法 的工程 背景 与主要 技 术 经 济 指 标 之 间 的相 关性 ￾ 上述检验 中 ， 回 响检 验 的成 功率 为 ￾￾￾￾相 对误 差 小 于 ￾￾ 的 数 据 所 占 比重 ￾￾ 预测 检验 时 ， 只有一 个数值的相 对误差是大于 ￾￾ ， 其余 误差均 小 于 ￾￾ ￾ ￾ 结论 ￾￾ 对于 这个获取采矿方 法 主要技术经 济指标 的采矿 经验 知 识 库 ， 目前 只 完 成 知 识 库结 构 和 几 个采矿方 法 的 ￾￾ 网络模型的建造工作 ， 还有许多 采矿方法 的 ￾￾ 网络模 型有 待 完 成 ￾ 不 过 ， 研究 已 经表 明￾利用这样 的采矿经验知识库 ， 获取 采矿方法 的主要 技术 经 济 指 标是 可 行 的 ￾ ￾ 采用类 似于 本文 的方法 ， 可进行其它采矿领 域的经验知 识 库 的建 造 ， 如 采 掘设 备 台 效 经验 知识库 ￾ ￾￾ 在应用 过程 中 ， 还需 对建好的经验 知识库不 断更新 ， 即过一 段 时 间后 ， 应 将 出现 的新 工 程 实例提供给 ￾￾ 网络模 型作 为学 习样本 ￾ 参 考 文 献 云 庆夏 等 ￾ 采 矿方法 选 择中的模糊决策 ￾ 化工 矿 山 技 术 ， ￾￾￾￾ 焦李成著 ￾ 神经 网络系统理论 ￾ 西安￾西 安 电子科 技大学 出版社 ， ￾一 ￾ ， ￾￾ ￾￾明〕 ￾ ￾￾￾￾￾￾一 ￾￾￾￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ ’￾ ￾￾￾￾哩 ￾ ￾￾甩￾￾ ￾￾￾ ￾油￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾找犯 ￾ ￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾ ￾￾〕￾ ￾￾ ￾￾￾班￾ ￾己￾，戊〕￾ ￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾￾一 ￾￾ ￾ 一 ￾￾ ￾】翻〕￾℃￾￾ ￾ 王 家齐等编 ￾ 空 场采矿法 ￾ 北京 ￾冶金 工 业 出版社 ， ￾￾￾ ￾ ￾一 ￾ 采矿 手册编辑委 员会编 ￾ 采矿手册 ￾第 ￾卷 ￾ ￾ 北京 ￾冶金 工 业 出版社 ， ￾ 叭￾ ￾ ￾￾ 一 ￾￾ 采矿设计手册编写委员会编 ￾ 采矿设计手册 ￾矿床开采卷下 ￾ ￾ 北京 ￾中国建筑工业出版社 ， ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ 一 ￾的￾ ￾上接 ￾￾ 页 ￾ 参 考 文 献 ￾ ￾￾￾ ￾ ， 到￾￾￾ ￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾ ￾￾ 】〕路￾ ￾￾￾ 伪￾￾比￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾ ￾ ￾忱】￾￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾〕￾ 。司￾多 ￾ ￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾翔 ￾ ￾￾￾ ￾￾比￾。 ， ￾￾￾￾￾￾ ， ￾￾￾￾￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ￾ 钧￾￾ ￾￾ ￾ ￾￾￾￾代七 ￾ ￾ ￾ 膨胀粘土体积变化的有限元分析 ￾ 见 ￾国外膨胀土研究新技术 ￾ 四 川 ￾ 成都科技大学出版社 ￾ ￾￾￾￾ ￾ ￾￾ ￾ 于 学馥 ， 郑颖人 ， 刘怀恒 ， 方正 昌 ￾ 地下 工 程 围岩稳定 分析 ￾ 北 京￾ 煤炭工 业 出版社 ， ￾￾￾ ￾ ￾ ￾ 杨庆 ￾ 膨胀岩 本构及巷道地压显现规律 的研究 ￾ 阵士学位论文 ￾￾北京科 技大学 ， ￾卯￾ ￾ 郑颖人 ， 董飞 云 等 ￾ 地下 工 程 锚喷支护设计指南 ￾ 北 京 ￾ 中国铁道 出版社 ， ￾￾￾ ￾ ￾的