用數值分析的方法對比全斷面錨噴網支護方法與錨噴網加混凝土支護方法的優缺點

郝連學

摘 要：通過一系列流變特性研究獲得了泥巖的流變變形特性，將泥巖的變形特性應用到高家梁煤礦斜井的支護中，根據懸吊理論采用錨噴網支護，利用ADINA軟件對擬采用的支護方式與實際采用的支護方式進行了對比，為軟巖工程的長期穩定和安全性提供合理評價和建議。

關鍵詞：流變特性；錨噴支護；懸吊理論

1 工程概況

1.1 工程概況

高家梁井田位于鄂爾多斯萬利礦區南部，鄂爾多斯市東南約8km處，設計年產量600萬噸，是一個新開發的礦區。正在建設中的高家梁煤礦主井口底板標高1398.506m，坡度-14度，凈斷面積17.3m2、毛斷面積19.2m2；副井筒井口底板標高1398.702m，坡度-5.5度，凈斷面積 17.8m2、毛斷面積20.5m2；風井井口底板標高1398.318m，坡度-20度，凈斷面積 17.3m2、毛斷面積18.9m2。頂設計成圓拱形，凈斷面半徑為2500mm。

1.2 軟巖斜井錨噴網支護數值模擬對比分析

高家梁煤礦斜井分主、副、風井，文章以副井為研究對象進行數值模擬的對比。高家梁副井的實際支護為兩幫及拱頂為錨噴網支護，底板每施工10m將泥化的砂巖清除，清除泥化砂巖的厚度為300mm，換為300mm厚片石砂漿基層，其上再澆300mm 厚C30混凝土面層。本節先擬用全斷面錨噴網支護（底板擬噴射300mm混凝土，并設置4根錨桿）進行數值模擬，與實際采用的支護方式進行對比，分析兩者的優缺點。

1.3 全斷面錨噴網支護數值模擬

采用ADINA中的Native建模方式，計算區域左右兩側和上下兩側分別向外延伸斜井高度和跨度5倍，取50m×50m。支護結構包括噴射混凝土及錨桿。巖石以及噴射混凝土采用平面四節點等參單元，錨桿采用rebar單元。

在有限元計算中，邊界條件分為應力邊界條件和位移邊界條件，應力邊界條件在ADINA中由設置外載荷來實現，位移邊界條件由設置模型邊界約束來實現。本模型只有位移邊界條件。在水平方向上，Y向的邊界上關閉Y-Translation自由度（圖中字母C表示），以模擬遠離斜井左右的土體邊界沒有位移，垂直方向上，模型下表面邊界關閉Z-Translation自由度（圖中字母B表示），以模擬遠離斜井的深層土體沒有豎直方向的位移。

開挖分兩次開挖，第一次挖去上半部分，然后加載支護。第二次挖去下半部分，然后加載支護；噴射混凝土厚度：0.2m，底板噴射混凝土厚度為0.3m。圍巖、混凝土以及錨桿計算參數根據前文試驗測定結果，整理如表1.1所示。

將制作好的試樣放在10KN拉力材料試驗機上進行加載，并繪制拉力—變形曲線；然后根據試驗結果設計正交試驗，確定最佳配比；得出結果后，重新制作試件；然后再將試樣放在拉力材料試驗機上進行加載并分析結果。

1.4 試驗結果全斷面錨噴網支護模擬后處理分析

利用ADINA里的云圖，可以清楚的看到斜井位移及應力的變化情況，進而對支護前后斜井的變化情況進行分析。

開挖完成后會出現一定的應力集中現象，在錨桿支護完成后應力集中現象更加明顯，通過ADINA后處理導出各點的應力數值，可知支護完成后最大有效應力為6.4×106Pa左右，最大剪應力為3.5×106Pa左右，兩者均在合理變化范圍之內。

通過支護前后對比分析可知，支護結構對圍巖應變有顯著的控制作用，尤其是底板4根錨桿對豎向應變的控制非常明顯，斜井橫向應變以井口為中心，左右對稱，應變值相近，支護后橫向最大應變為3.5×10-4，豎向最大應變5.4×10-4。

錨噴網支護對斜井圍巖變形有顯著的控制作用，尤其是豎向位移，開挖完成為打錨桿前，底鼓現象比較明顯，底板進行錨噴網支護后有效的控制了底鼓，但頂板下沉控制不是很明顯，橫向位移兩幫收斂值相近，以井口為中心左右對稱。

2 數值模擬對比結果分析

軟巖斜井采用錨噴網聯合支護結構，改變了圍巖內部應力，變被動支護為主動承載，原來需要一定強度支架支撐的巖體變成了支護結構的主體，充分利用了巖體的自身強度。錨噴網是一種主動支護形式，可以有效地保證斜井的使用斷面。錨噴網支護形式具有機械化程度高、施工速度快、綜合效益好、工人勞動強度低、能充分發揮圍巖自承能力等優點。

通過全斷面錨噴網支護與實際采用的錨噴網+混凝土支護的數值模擬對比分析可知，全斷面錨噴網支護能有效控制圍巖變形，且底板底鼓明顯減小，斜井最大位移也明顯減小，但通過現場實際檢測，錨噴網+混凝土支護能夠有效控制圍巖變形，且此支護方式要比全斷面錨噴網支護施工簡單，且節約成本。綜合考慮，采用錨噴網+混凝土的支護方法是比較理想的選擇。

3 結語

文章通過數值模擬分析對比，可知擬采用的支護措施與實際采用的支護措施各有優缺點，擬采用的支護措施在控制圍巖的變形上比較理想，這也是實施支護的目的所在；實際采用的支護措施會造成一定的底鼓現象，但經濟效益和可推廣性較強，在能夠保證圍巖變形在控制范圍之內的基礎上，實際采用的支護方法有較大的優勢。

參考文獻

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