锚杆支护作用范围的数值模拟和红外探测实验研究.pdf

第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．4 2 0 0 6 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ u l ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 0 5 4 5 0 4 锚杆支护作用范围的数值模拟 和红外探测实验研究 张拥军h 2 ，安里千2 ，于广明1 ，马念杰3 ，李建辉2 ，李怀奇2 ，李 1 ．青岛理工大学土木工程学院，山东青岛2 6 6 0 3 3 ；2 ．中国矿业大学力学与建筑工程学院 3 ．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 琦2 ，北京1 0 0 0 8 3 ； 摘要以潞安矿区巷道锚杆支护参数为基本条件进行数值模拟和物理模型的红外辐射探测实验． 使用有限差分软件F L A C 3 D 模拟了巷道围岩支护前后的位移和应力变化，使用S u r f e r 对数值模 拟结果进行二次处理，将锚杆支护后巷道围岩的应力与无支护时的进行相减处理，获得了锚杆支 护的作用区域；同时对巷道围岩的红外热像进行相减去噪及对红外增量进行插值和拟合，得到了 锚杆支护作用范围的红外辐射温度场变化特征．红外图像处理和数值模拟结果基本一致，为锚杆 支护设计提供间、排距安排的理论依据． 关键词锚杆支护；数值模拟；作用区域；红外辐射 中图分类号T D3 5 3 ．6文献标识码A Nu m e r i c a lS i m u l a t i o na n dI n f r a r e dR a d i a t i o nD e t e c t i o n E x p e r i m e n tf o rA c t i n gA r e aO fB o l tS u p p o r t i n g Z H A N GY o n g - ju n l ”，A NL i q i a n 2 ，Y UG u a n g r u i n 9 1 ， M AN i a n - j i e 3 ，L IJ i a n - h u i 2 ，L IH u a i q i 2 ，L IQ i 2 1 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，Q i n g d a oT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y ，Q i n g d a o ，S h a n d o n g2 6 6 0 3 3 ，C h i n a ； 2 ．S e h o o lo fM e c h a n i c s ，A r c h i t e c t u r e ＆C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 LT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so ft h ed e f o r m a t i o no fr o a d w a yw e r ec a l c u l a t e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gp h y s i c a ls i m i l a re x p e r i m e n t so ft h e r m a li n f r a r e d T I R r a d i a t i o nd e t e c t i o nw e f 6 - c a r r i e do u t 。t a k i n gt h ep a r a m e t e r so fb o l t e dc o a lr o a d w a yi nL u 龟nm i n ef o rn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm o d e l i n go b j e c t s ．T h ea c t i n ga r e ao fb o l ts u p p o r t i n gw a so b t a i n e db ys u b t r a c t i n gt h e d i s p l a c e m e n t sa n ds t r e s s e so ft h er o a d w a yw i t h o u tb o l t sf r o mt h o s eo fb o l t e dr o a d w a y ．T h e T I Rt e m p e r a t u r ef i e l d s o ft h ei n t e r a c t i o nr a n g e sb e t w e e nb o l t sa n dr o c kw e r eo b t a i n e du s i n g T I Ri m a g es u b t r a c t i o na n dT I Rt e m p e r a t u r ei n c r e m e n ti n t e r p o l a t i o na n df i t t i n g ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o c e s s e dp a t t e r n so fT I Ri m a g e sa r ea c c o r d a n tw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t e dr e s u i t s ；t h et h e o r e t i c a lg u i d e sh a v eb e e np r o v i d e df o rt h eb o l ts u p p o r t i n gp a r a m e t e r sd e s i g no f s p a c i n gi n t e r v a la n da r r a yp i t c h ． K e yw o r d s b o l ts u p p o r t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a c t i n ga r e a ；i n f r a r e dr a d i a t i o n 收稿日期2 0 0 5 一0 6 2 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 9 ，5 0 4 3 4 0 2 0 ，5 0 2 7 4 0 4 4 ；国家重点基础研究发展规划 9 7 3 计划 项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 1 作者简介张拥军 1 9 7 4 一 ，男，河南省焦作市人，副教授，工学博士 博士后 ，从事红外探测、矿业安全监测方面的研究． E - m a i l z h a n g y j b u l l 1 6 3 ．e o m T e l 1 3 3 7 0 8 2 0 8 8 3 万方数据 5 4 6中国矿业大学学报第3 5 卷 随着锚杆支护工程实践的不断发展，适用于不 同地质条件的各种锚杆支护理论相继被提出，并逐 步得到发展和完善．目前，较成熟的理论主要有悬 吊理论、组合梁理论、组合拱、最大水平应力理论、 松动圈理论和锚固体强度强化理论等．上述锚杆支 护理论的力学模型简单，计算方法简明易懂，在现 场支护实践方面发挥了重要的作用， 虽然锚杆支护取得了可喜的成果，但由于其受 力机理的复杂性、地质条件的不确定性和多变性以 及现场测量技术的不成熟，造成了锚杆支护设计与 实践中的矛盾，一部分巷道锚杆支护强度不够，导 致围岩稳定性差，出现塌方或冒顶事故，另一部分 大于6 0 ％的巷道锚杆支护强度过高，浪费材料．因 此，需要深入研究锚杆作用机理，保证锚杆支护参 数科学合理，其中锚杆支护作用区域的确定是主要 问题之一L l ‘3 』． 实验室研究发现，在锚杆和围岩的相互作用的 过程中，围岩和锚杆会产生不同强度的红外辐射， 红外辐射强度的变化与巷道围岩的受载状况和变 形破裂过程密切相关[ 4 。7 ] ．为此，结合潞安矿区巷道 实际地质条件，使用F L A C 3 D 和S u r f e r 软件对锚杆 支护作用区域的分布规律进行数值模拟研究[ 8 _ 9 ] ， 并引入相似材料模型的红外辐射探测实验进行比 较分析，为锚杆支护作用区域和锚固机理研究提供 新的思路和依据． 1 巷道工程地质条件 煤层及地质条件如表1 所示，巷道开掘在3 8 煤层中，该煤层平均厚度6 ．0 5m ，巷道埋深4 5 5m ． 巷道宽4m ，高3m ，锚杆间排距为0 ．8m ．顶板布 置5 根拳2 0m m 、长2 ．4m 的全长树脂锚固螺纹钢 锚杆，每排锚杆用W 型钢带连接；两帮各布置4 根 拳1 6m m 、长2m 的断头树脂锚固圆钢锚杆，用拉 杆连接． 表1巷道工程地质条件 T a b l e1 G e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h er o a d w a y * I T A S C A I q 软件公司．F L A C 用户参考手册．1 9 9 5 2 数值试验模型和计算方案 使用F L A C 3 D 模拟巷道围岩变形破坏过程，根 据一般原理及对围岩活动的认识，建立模型，如图 1 所示．模型模拟范围为4 0m 3 0m 3 0m ，巷道 开挖断面为4m 3m ，模型节点数为2 96 6 7 ．上表 面施加均匀的垂直压应力，两侧施加随深度变化的 水平压应力，下表面垂直位移固定． 图1巷道围岩数值模拟模型 F i g ．1 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fr o a d w a y 为了尽可能反映实际巷道围岩的变形特征，特 别是岩石峰后的力学行为，而又不致使计算速度过 慢，采用两种力学模型模拟岩层．一种是应变软化 模型，模拟巷道直接顶、直接底及煤层．其他范围内 的岩层采用摩尔一库仑模型．采用界面单元模拟岩 层层面，锚杆单元模拟锚杆． 计算方案包括以下3 ’个内容1 模拟无支护 时巷道围岩应力、位移及塑性区分布；2 模拟锚杆 支护后巷道围岩应力、位移及塑性区分布；3 对锚 杆支护前后巷道围岩应力进行相减处理，获得锚杆 支护作用范围． 3数值模拟结果及分析 本文模拟了巷道围岩开挖过程中支护前后的 最大主应力、垂直和水平方向的位移、垂直应力、水 平应力以及塑性区分布等．研究发现，煤及岩层采 动后，其原始平衡状态遭到破坏，各岩层边界上的 作用力及各点的应力 包括大小和方向 随之改变， 顶板、底板和两帮出现相当于煤体抗拉强度的拉应 力，发生张性破坏．采用锚杆支护之后，巷道围岩的 变形得到了有效控制，同时在角部、顶板和两帮的 两侧应力集中程度都有所减弱． 图2 是锚杆支护前后巷道围岩的垂直方向应 力分布变化示意图．比较图2 a 和2 b 发现，锚杆支 护后巷道顶板和底板的最大应力由6M P a 增 大到1 0 ．5 M P a ，增加幅度大，但作用区域变化不 大，锚固体承担了增加的拉力和剪力；4 个角部的 最大应力从8M P a 增加到1 5 ．2M P a ，仍低于锚固 万方数据 第4 期 张拥军等锚杆支护作用范围的数值模拟和红外探测实验研究5 4 7 体的抗压强度和抗剪强度．与现场巷道围岩实际变 形与应力分布进行比较之后，发现模拟结果与现场 围岩巷道的实际变形和应力变化是一致的． 图2锚杆支护前后的巷道围岩的垂直应力变化 F i g ．2C o m p a r i s o no ft h es t r e s s e so f r o a d w a yw i t h o u tb o l t sa n dt h eb o l t e dr o a d w a y 研究发现，无支护状态下，巷道顶板下沉量为 1 8 7m m ，变形较严重；巷道底板出现2 0m m 的鼓 出量，变形不太严重；巷道两帮的下沉量达2 5m m ， 两帮位移达11 6 0m m ，变形幅度大．巷道两帮表面 都出现拉断破坏，两帮煤层剪切破坏深度达5m ． 与支护前相比，支护后顶板下沉量由1 8 7m m 减小为5 0m m ，巷道底板的鼓出量减小为1 3m m ， 两帮的下沉量减小为8m m ，巷道两帮的位移由 11 6 0m m 减少到1 1 5m m ． 结果表明，锚杆支护改善了锚固体的力学性 能，大幅度提高了围岩的强度，改善了围岩的整体 性和稳定性． 在使用锚杆进行支护之后，由于锚杆与围岩的 相互作用，形成了共同承载范围，即所谓的承载圈， 也是锚杆支护的控制区域．为了确定锚杆支护结构 的控制作用范围及大小分布，运用S u r f e r 软件对 F L A C 3 D 模拟结果进行二次处理，用锚杆支护后巷 道的应力减去没有支护时巷道的应力，可以得到锚 杆支护对巷道围岩变形的控制作用范围和大小分 布，将结果用等值线的方式表示出来，如图3 所示． 结果表明锚杆支护控制作用较大的区域集中在巷 道围岩2 ．5m 范围以内，并且对于巷道顶板围岩 的控制作用尤其明显． 图3 锚杆支护控制作用应力等值线 F i g ．3 I s o s t r e s sc u r v e so fb o l t e ds u r r o u n d i n gr o c k 4 红外辐射探测实验结果及分析 为了研究锚杆支护前后巷道围岩的应力变化 和红外辐射温度变化之间的关系，进行了实验室相 似材料模型的红外辐射探测实验，首先对红外热像 进行相减去噪，然后对红外增量进行插值和拟合， 得到了巷道围岩锚杆支护前后的红外辐射温度变 化规律，如图4 所示．从图4 a 可以直观的判断出顶 板、底板和2 个角部的红外辐射出现高温异常，表 明其处于破坏状态．图4 b 中巷道周围的红外辐射 高温区表明了共同承载圈的位置，说明由于锚杆与 围岩相互作用，大幅度的提高了锚固围岩的强度． 图4锚杆支护前后巷道围岩的红外辐射温度变化 F i g ．4 I s o - t h e r m a lr e g i o n so fr o a d w a y w i t h o u tb o l t sa n dt h eb o l t e dr o a d w a y 图4 b 中黑色矩形是巷道的位置，巷道周围的 灰色区域为锚杆与围岩的相互作用区域，可认为是 锚固区内围岩区域，其内部深色的锥形区域对应着 锚杆端头的位置，表明了锚固端应力集中区的范围 和形状．顶板部位的红外辐射温度升高幅度较大， 表明锚杆对顶板的控制作用明显．图中其他区域的 不连续的温度变化区域则反应了裂纹发育和产生 的过程，也反映了锚杆支护前后巷道围岩应力的非 线性变化过程． 比较发现，图3 中的锚杆支护控制作用区域和 图4 b 中的锚杆与围岩的相互作用区域对应的红外 辐射温度场在形状和大小上是基本一致的，也进一 步验证了红外辐射探测用于巷道围岩支护参数设 计以及工作状态监测的可行性． 5 结论 锚杆支护是巷道围岩支护的主要方式，锚杆支 护作用区域的确定是锚杆支护作用机理研究及参 数设计中的主要问题．通过数值模拟及实验室条件 下的物理模型的红外探测实验，根据锚杆与豳岩相 互作用的应力变化和红外辐射温度变化的对应关 系，获得锚杆的作用区域，为巷道围岩的稳定性监 测和锚杆支护参数设计提供理论依据． 经过热像信息分析和提取、应变分析、红外热 万方数据 5 4 8中国矿业大学学报第3 5 卷 像相减去噪以及红外增量的插值和数据拟合之后， 确定了锚杆和围岩的相互作用区域．图像处理结果 和数值模拟结果是一致的． 本文研究也验证了红外辐射温度场测试用于 巷道围岩支护参数设计以及工作状态监测的可行 ，．， 性，为巷道围岩控制以及锚杆支护机理研究提供了 。。 一个新的有效手段． 参考文献 E 1 3 钱鸣高。石平五．矿山压力与岩层控制E M ] ．徐州中 国矿业大学出版社，2 0 0 4 ． E 2 3 ‘何满潮，袁和生，靖洪文，等．中国煤矿锚轩支护理论 与实践[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ] 付国彬．锚杆与围岩相互作用关系及锚固力的研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 1 9 9 9 ． [ 4 3Z H A N GY o n g j a n ，A NL i q i a n ，R E NR u n h o u ，e t a 1 ．S t u d yo nt h e r m a li n f r a r e dr a d i a t i o nf r o mi n t e r a c t i o nb e t w e e nb o l ta n dr o c k [ C ] ／广B A T R ARC ， Q l A NI 。F ，Z H A N GYI 。，e ta 1 ．P r o c e e d i n g so ft h e I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g 、 a n dM e c h a n i c s ．M o n m o u t hJ u n c t i o n S c i e n c eP r e s s a n dS c i e n c eP r e s sU S AI n c ，2 0 0 5 1 4 0 - 1 4 4 ． [ 5 - 1 Z H A N GY o n g - j u n ，A NL i q i a n ，R E NR u n - h o u ，e t a 1 ．I n f r a r e dr a d i a t i o nc h a n g e si nt h ed e f o r m a t i o no f [ 7 ] [ 8 ] 1 - 9 3 c o a lr o a d w a y [ c ] ／／L IS h e n g - c a i ，W A N GY a - j u n ， H U A N Gp i n g ．P r o g r e s si nS a f e t yS c i e n c ea n dT e e h n o l o g yP r o c e e d i n g so fA s i aP a c i f i cS y m p o s i u mo n S a f e t y ，B e i j i n g S c i e n c eP r e s sa n dS c i e n c eP r e s s U S AI n c ．2 0 0 5 4 1 8 4 2 3 ． Z H A N GY o n g - j a n 。A NL i - q i a n ，Z H A N GM i n g - y i ， e ta 1 ．I n f r a r e dt h e r m o g r a p h yo fd a m a g ep r o c e s si n b o l t e dr o a d w a y [ C ] ／／S I V A K U M A RSM ，P R A S A D AM 。D A T T A G U R UB 。e ta 1 ．P r o c e e d i n g so fI C C E S ，I n d i a T e e hS C f e n c eP r e s s ，2 0 0 5 ． Z H A N GY o n g - j a n ，A NL i q i a n ，R E NR u n - h o u ，e t a 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nd e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c kw i t hi n f r a r e dr a d i a t i o n i J ] ．J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ，1 5 4 3 2 9 3 3 3 朱建明，徐秉业，任天贵，等．F L A C 有限差分程序及 其在矿山工程中的应用[ J ] ，2 0 0 0 。9 4 ；7 8 8 2 ． Z H UJ i a n - m i n g ，X UB i n g y e ，R E NT i a n - g u i ，e ta 1 ． F L A Ca n di t sa p p l i c a t i o ni nt h em i n i n ge n g i n e e r i n g [ J ] ．C h i n aM i n i n gM a g a z i n e ，2 0 0 0 ，9 4 7 8 8 2 ． 康红普．回采巷道锚杆支护影响因素的F L A C 分析 [ J ] ．岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ，1 8 5 4 9 7 5 0 2 。 K A N GH o n g p u ．F L A Ca n a l y s i so na f f e c t i n gf a c t o r s t or o c kb o l t i n gi ng a t e r o a d s ．C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，1 8 5 4 9 7 5 0 2 ． 责任编辑王继红 万方数据