392· 北京科技大学学报 2005年第4期 算参数见表1. 43数值模拟结果及分析 (1)优化断面设计.不考虑支护时，在静压状 态下开挖巷道，顶部直角和顶部圆角两种断面的 巷道围岩位移及顶板离层位移矢量场图如图3 所示.由图3可见：顶部直角和顶部圆角巷道围 岩的最大位移值分别为192和129mm,后者最大 位移值较前者降低32.8%：顶部直角和顶部圆角 巷道顶板离层最大位移值分别为108和88mm, 后者最大位移值较前者降低18.5%.另外，计算结 果表明，顶部圆角巷道较顶部直角巷道围岩应力 图2计算模型及网格划分 集中程度明显降低，进入塑性的单元数量也大量 Fig.2 Mesh of the calculating model 减少.可见，将矩形巷道断面的两顶角由直角优 表1计算模型力学参数 化为圆角后的力学效果得到明显改善 Table 1 Mechanical parameters of the calculating model 岩性名称 密度内摩擦角粘结力体积模量切变模量 kg.m () MPa GPa GPa 砂质泥岩2200 28 1.5 2.0 0.43 中砂岩 2650 40 3.0 6.3 3.40 '煤层 1500 23 10 3.3 0.34 细砂岩 2700 42 3.0 6.5 3.50 砂质泥岩2200 24 1.5 2.0 0.43 2”,3煤层 1500 20 0.6 3.3 0.34 细砂岩 2700 42 5.0 6.5 3.50 (a)顶部直角断面 (b)顶部圆角断面 4煤层 1500 21 0.9 33 0.34 图3巷道固岩及顶板离层位移矢量场 砂质泥岩2400 32 2.0 6.5 2.70 Fig.3 Displacement vector fields of the surroundings without sup- porting 44煤层 1500 23 1.0 3.3 0.34 粉砂岩 2650 40 3.0 6.3 3.40 (2)锚网优化设计，锚网支护巷道围岩位移及 细砂岩 2700 6.0 6.5 3.50 顶板离层位移矢量场图如图4所示.由图4(a)和 (⑥)可知：静压状态和动压状态巷道围岩的最大 42支护对策模拟方案 位移值分别为51和131mm,后者最大位移值是 软岩巷道难支护的根本原因，是软岩巷道具 有复合型的变形力学机制：成功进行软岩支护的 前者的1.57倍：静压状态和动压状态巷道顶板离 层最大位移值分别为38和101mm,后者最大位 关键是有效地把复合型变形力学机制转化为单 移值是前者的1.66倍.另外，在动压状态下，锚网 一型.因而，首先要针对不同的力学过程，进行相 支护巷道围岩进入塑性的范围大为扩展，远远超 应的支护对策设计：相同的力学对策，不同的力 学过程，其效果截然不同，所以接着要进行过程 出了锚网支护所能控制的范围，同时加剧了顶板 的离层位移，使顶板的支护状况进一步恶化，有 优化设计；最后对应着最佳力学过程再进行最优 参数设计，这就是非线性大变形力学设计的基本 思路刊. (1)优化断面设计（模拟方案1）.静压状态不 考虑支护条件下，对矩形巷道顶部直角和顶部圆 角两类断面形状进行数值模拟优化分析. (2)锚网优化设计（模拟方案2）.在静压及采 动影响条件下对锚网支护参数进行优化分析. (3)锚网索耦合支护（模拟方案3）.在静压及 (a)静压状态 b)动压状态 图4锚网支护巷道困岩及顶板离层位移矢量场 采动影响条件下，进行锚网索耦合支护的数值模 Fig.4 Displacement vector fields of the surroundings with the sup- 拟分析. port of a bolting system北 京 科 技 算参 数 见表 1 . 图 2 计 算模 型及 网 格划 分 Fi . g 2 M e, 胜 Of 比e ca l e ul a如9 m od 日 表 1 计 算模型 力学 参数 aT b l e 1 M ec h a n ic a l P a r a m吹 sr o f th e e a l c u l a it n g m o d cl 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 4 期 .4 3 数值 模 拟 结果 及分 析 ( l) 优化 断 面 设计 . 不 考虑 支护 时 , 在 静压 状 态 下 开挖巷 道 , 顶部 直 角和顶 部 圆角两种 断面 的 巷 道 围岩位 移 及 顶 板 离层 位 移 矢 量场 图如 图 3 所 示 . 由图 3 可 见 : 顶 部直 角和 顶 部 圆角巷道 围 岩 的最 大位 移值 分别 为 1 92 和 129 ~ , 后者 最大 位 移值 较 前者 降低 32 . 8% ; 顶部 直 角和顶 部 圆角 巷道 顶 板 离层 最 大位 移值 分 别 为 108 和 8 m m , 后者 最大位 移值 较前 者 降低 18 . 5% . 另外 , 计算 结 果表 明 , 顶部 圆角巷 道较 顶部 直角 巷道 围岩应 力 集 中程 度 明显 降低 , 进 入塑性 的单 元数量 也大 量 减 少 . 可见 , 将 矩 形巷 道 断面 的两 顶 角 由直 角 优 化 为 圆 角 后 的 力 学效 果得 到 明 显 改善 . 岩性名 称 密度 内摩 擦角 粘 结力 体积模量 切变 模量 M P a G P a G P a 43D507 n 门ùJ0 曰1门ù n 代八j12 气ànU、, j ō、ù八内哎,,U、J , ù、内飞」, . … ,. ,、润 bZ 了O内,、1J ùhl ù 6 ng ù . 八目U … , 哎J nZ ` . ,、 2340213 砂质泥岩 中砂岩 1 俘煤层 细 砂岩 砂质 泥岩 2 睁 , 3 . 煤层 细砂 岩 矿煤 层 砂质 泥岩 4 今煤 层 粉砂 岩 细砂 岩 kg · m 一 , 2 2 0 0 2 6 5 0 1 50 0 2 7 0 0 2 2 0 0 1 5 0 0 2 7 0 0 1 5 0 0 2 4 0 0 1 5 0 0 2 6 5 0 2 7 0 0 2 8 1 . 5 2刀 4 0 3 . 0 6 , 3 .4 2 支护 对策 模 拟 方案 软 岩巷 道难 支 护 的根本 原 因 , 是软 岩巷 道 具 有复 合型 的变形 力 学机 制 ; 成功进 行 软岩支 护 的 关键 是 有 效 地把 复 合 型变 形 力 学 机制 转 化 为 单 一型 . 因而 , 首先要 针对 不 同的力 学过程 , 进 行相 应 的支护 对 策设 计 ; 相 同的 力学对 策 , 不 同的 力 学过 程 , 其 效 果截 然 不 同 , 所 以接着 要进 行 过程 优化 设计 ; 最 后对 应着 最佳 力学过 程 再进行 最优 参数 设计 , 这就 是 非线 性大 变形 力学 设计 的基 本 思路 口, . ( l) 优 化 断面 设计 (模 拟 方案 1) . 静压状 态 不 考虑 支护 条件 下 , 对矩 形巷 道顶 部直 角和顶 部 圆 角两 类 断面 形状 进 行数 值模 拟 优化 分 析 . (2 ) 锚 网优化 设计 (模拟 方案 2) . 在 静压 及 采 动 影 响条件 下 对锚 网支 护 参 数进 行优 化 分析 . (3 ) 锚 网索祸 合 支护 (模 拟 方案 3) . 在静 压 及 采 动影 响条件 下 , 进行 锚 网 索藕 合 支护 的数值 模 拟 分 析 . a() 顶 部直角 断面 伪) 顶部 圆角 断面 图 3 巷道 围岩及顶 板离层 位移 矢量场 F ig . 3 D 肠P l a e e m e . t v e c ot r 五el d s of ht e su or u . d i n 邵 初 t h o u t , u p - P o 州 . 9 (2 )锚 网优 化设 计 . 锚 网 支护 巷道 围岩位 移及 顶 板 离层 位 移矢 量场 图如 图 4 所 示 . 由图 4 ( a) 和 b( ) 可 知 : 静压 状 态和 动 压状 态巷 道 围岩 的最 大 位移 值 分别 为 51 和 13 1 ~ , 后 者最 大位 移值 是 前者 的 1 . 57 倍 ; 静 压 状态和 动压 状态 巷道 顶板 离 层 最 大位 移值 分 别 为 38 和 10 1 ~ , 后者 最大 位 移 值 是前者 的 1 . 6 倍 . 另外 , 在动 压状 态 下 , 锚 网 支护 巷道 围岩进 入塑 性 的范 围大为扩 展 , 远 远超 出 了锚 网支护所 能控 制 的范 围 , 同时加 剧 了顶 板 的离 层位 移 , 使 顶 板 的支护 状 况进 一步 恶化 , 有 (a) 静 压状态 b( ) 动 压状态 图 4 锚 网 支护 巷道 围岩及 顶 板离 层位移 矢 量场 F ig . 4 D 妇P l a e e m e . t v e c t o r n el d s o f t卜e s u r or u n d 恤邵 w i t血 th e s u p - p o rt o f a b o 】it n g s y st e m