1、专题部分锚杆锚索预紧力在巷道支护中的作用摘要：在总结锚杆预紧力支护作用机理的基础上，介绍了当前适用于采矿领域的数值模拟软件，并选用有限差分数值计算软件FLAC3D模拟了不同锚杆、锚索预紧力在巷道围岩中形成的预应力场，并对其分布规律进行了分析与总结。结果表明：当锚索预紧力产生的效果能够抵消锚杆所产生的拉应力区时，锚杆在其锚固区内形成的有效压应力区对应压应力值与锚杆预紧力成线性关系。关键词：预紧力；巷道支护；数值模拟0 引言我国自50年代应用锚杆支护技术以来，经实验研究、现场应用与推广，锚杆支护逐步成为我国煤矿巷道支护的主要方式。80年代中后期以来，我国锚杆材质由低强度普圆钢锚杆向高强度螺纹钢锚杆
2、发展。随着锚杆预紧力在控制围岩中的作用逐渐被认识，高强高预紧力锚杆支护技术逐步应用于松散破碎围岩巷道、深部高地应力巷道、强烈采动影响巷道等各种复杂困难巷道围岩控制，巷道围岩控制效果得到明显改善。锚杆预紧力是巷道支护的重要参数，对巷道支护效果起着至关重要的作用。模拟和分析锚杆及其他支护构件在巷道围岩中形成的预应力场的分布情况，是研究锚杆预紧力作用机理的有效方法。基于此类条件，本文针对锚杆预紧力在巷道支护中发挥的作用进行了分析，并运用FLAC3D对锚杆、锚索不同预紧力条件下巷道围岩预应力场的分布、巷道围岩破坏情况进行了模拟与分析。1 锚杆预紧力的作用机理围岩应力、围岩强度及巷道支护是决定巷道围岩稳
3、定的三大要素。锚杆支护不仅能给巷道围岩表面施加拖锚力，起到支护作用，还能对锚固岩体施加锚固力，提高围岩强度，改善围岩应力状态。锚杆预紧力是锚杆支护的重要参数，对巷道围岩的整体加固作用主要是限制围岩有害变形的发展，对围岩提供支护抗力和调整围岩中的应力状态，提高围岩稳定性。其作用机理可分为以下三个方面：（1）巷道开掘后，锚杆预紧力产生的预应力场与原岩应力长相互作用，使巷道围岩继续保持三向应力状态，避免围岩力学性质过早恶化，有效抑制巷道围岩破裂区向深部发展，发挥围岩的自身承载能力，提高其稳定性。无预紧力的锚杆支护如同砌碹支护、架棚支护等属于被动支护，在巷道变形初期，通过浅部围岩变形松动对锚杆产生作用
4、力，即锚杆产生作用之前，围岩已经发生较大变形，其整体性和承载能力已经降低，难以充分利用围岩自身的承载能力。而设置预紧力的锚杆支护能够及时发挥原有岩体对巷道围岩的支撑作用，使巷道围岩继续保持三向应力状态，改善了围岩的应力状态。（2）对围岩进行及时主动的支护，可有效阻止破碎岩块的掉落并抑制浅部围岩的扩容和离层，减少岩层压曲和弯曲失稳的可能性，减小围岩的初期变形，并且在支护后相同变形量条件下，设置预紧力的锚杆的锚固力大于无预紧力的锚杆。（3）高预紧力可将巷道上部岩层紧密的压实在一起，形成“刚性”梁顶板，提高顶板的整体抗剪强度，以克服高水平应力对顶板稳定性的影响。同时，顶板的垂直压力被转移到巷道两侧的
5、煤体深部，巷道两侧煤体压力减小，减轻顶板中部拉伸破坏，减弱片帮和顶角的剪切应力集中。2岩土工程数值模拟的分类及其计算原理自R.W.Clough1965年首次将有限元引入土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域获得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。随着数值计算方法在采矿工程中的应用，采用数值模拟法进行巷道围岩稳定性分析和巷道支护设计也得到了快速发展。数值计算有着其它研究方法无法比拟的优越性，如可以模拟复杂围岩条件、边界条件和各种断面形状巷道的应力场与位移场；考虑众多影响因素，进行多方案的快速比较，分析各种因素对巷道支护效果的影响；此外，数值模拟软件一般都具有强大的前后处理功能
6、，显著提高了输入和输出结果的可视化程度，模拟结果直观、形象，便于处理与分析等。数值模拟法作为一种快速、有效的研究手段，已经广泛应用到实践中。根据原理不同，数值模拟方法可以分为连续介质法和非连续介质法，其中连续介质法包括有限元、有限差分、边界元、无单元，非连续介质法包括离散元、颗粒元、流形元。2.1 ANSYS ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题，应用领域十分广泛。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型
7、； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 2.2 FLAC/FLAC3DFLAC/ FLAC3D是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件，其名称源于其采用的拉格朗日连续介质法（Fast Lagrangian Analysis of Con
8、tinua），因拉格朗日连续介质法属于有限差分法，所以FLAC/ FLAC3D是有限差分软件，而非有限元软件。此外，FLAC/ FLAC3D还采用了混合离散法和动态松弛法，这与有限元软件不同。在采用数值计算方法求解偏微分方程时，若将每一处导数由有限差分近似公式代替，从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题，即所谓的有限差分法。有限差分法求解偏微分方程的步骤如下：1）区域离散化，即把所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格；2）近似替代，即采用有限差分公式替代每一个格点的导数；3）逼近求解，用一个插值多项式及其微分来代替偏微分方程的过程。在三维常应变单元中，四面体具有不产生
9、沙漏变形的优点，但将其应用于塑形结构中时，四面体单元提供不了足够的变形模式。为解决这一问题，FLAC3D采用了混合离散法（Martin and Cundall，1982）。混合离散法的基本原理是通过适当调整四面体应变率中的第一个不变量，来给予单元更多体积变形方面的灵活性。在这一方法中，区域先离散为常应变多面体单元；接着，在计算过程中，每个多面体又进一步离散为以该多面体顶点为顶点的应变四面体，并且所有变量均在四面体上进行计算；最后，取多面体内四面体应力、应变的加权平均值作为多面体单元的应力、应变值。在此特定变量模式下，单个常应变单元将经历一个与不可压缩塑性流动不符的体积改变过程。在这一过程中，四
10、面体组（或称为区域）的体积保持不变，并且每个四面体都能映射区域的性质，以使其力学行为符合理论预期。作为有限差分软件，相对于其他有限元软件，在算法上，FLAC/ FLAC3D有一下几个优点：1）采用“混合离散法”来模拟材料的塑性破坏和塑性流动。这种方法比有限元中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。2）即使模拟静态系统，也采用动态运动方程进行求解。这使得FLAC/ FLAC3D模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。3）采用显式差分法求解微分方程。对显式法来说，非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的区别，根据已知应变增量，可以很方便的求得应力增量、不平衡力并跟踪系统演化过程。此外，由于显式
11、法不形成刚度矩阵，每一时步计算所需内存更小，因而使用较少的内存就可以模拟大量的单元，特别适合在微机上操作。在大变形求解过程中，由于每一时步变形很小，因此可以采用小变形本构关系，将各时步的变形叠加，得到大变形。这就避免了推导并应用大变形本构关系时遇到的麻烦，也使得它的求解过程与小变形问题一样。FLAC/ FLAC3D也存在很多不足，尤其是FLAC3D，主要集中在以下几个方面：1）求解时间受网格尺寸的影响很大。对于一般的弹塑性问题，FLAC的求解时间大致与N3/2（N为单元个数）成正比，FLAC3D的求解时间大致与N4/3成正比。由此可以看出FLAC/ FLAC3D对网格尺寸十分敏感，同一模型采用
12、不同的网格单元可能导致求解时间相差数倍之巨。2）某些模式下的计算求解时间很长。由于很多物理过程（如固结过程、长期动力影响、材料流变等）与时间相关，模拟时必须考虑时间效应。对于这些物理过程的时间效应，FLAC/ FLAC3D均采用真实时间予以考虑，因而造成求解时间很长，在有些情况下计算时间甚至令人无法接受。3）前处理功能较弱。FLAC3D对于复杂三维模型的建立仍然十分困难。尽管FLAC3D提供了12种初始单元模型，通过连接、组合、匹配这些单元模型可以方便快捷地建立规则的三维工程地质体模型；同时，也可以通过内置语言FISH，编写命令来调整、构建特殊的计算模型，使之更符合工程实际。但是，由于FLAC
13、3D在建立计算模型时采用的是键入数据/命令行文件的方式，加上FISH语言独特的源代码表达方式，不便于复杂地质体模型的建立。 2.3 UDEC UDEC是一款基于离散单元法理论的一款计算分析程序。离散单元法最早由Peter Cundall在1971年提出理论雏形，最初意图是在二维空间描述离散介质的力学行为，Cundall等人在1980年开始又把这一方法思想拓展到研究颗粒状物质的微破裂、破裂扩展、和颗粒流动问题。具体的，UDEC程序对于物理介质的力学描述手段可以通俗说明为：1）宏观物理介质绝非理论意义上的连续体（如，岩体=岩块+结构面），UDEC以朴素的思想遵循这一自然规律，将其视为连续性特征（如
14、岩块）、和非连续特征（如结构面）两个基本元素的集合统一体，并以成熟力学定律分别定义这些基本元素的受力变形行为；2）UDEC采用凸多边形来描述介质中连续性对象元素（如岩块）的空间形态，并通过若干凸多边形组合表达现实存在的凹形连续性对象，此外，非连续性特征（如结构面）则以折线段加以表征；3）表征连续性特征对象的凸多边形可以服从可变形、或刚性受力变形定律，如为可变形体，则采用与FLAC/FLAC3D完全一致的快速拉格朗日方案进行求解，如“网格群模型”。连续性特征对象之间通过边界（非连续特征）实现相互作用，描述边界的折线段受力变形可遵从多种荷载变形力学定律（即接触定律），力学定律可以模拟凸多边形之间在
15、公共边界处相互滑动或脱开行为；4）在某些极端情形下，如理想地将物理介质看待为完全连续体，此时UDEC程序可蜕化为FLAC/FLAC3D等连续力学描述手段，只描述连续性对象即可。 离散单元法处理介质对象的朴素描述方法决定了UDEC程序可以满足工程行业范围内广泛地常规、超常规工程问题解决需求。UDEC利用显式解题方案为岩土工程提供精确有效分析的工具，显式解题方案为不稳定物理过程提供稳定解，并可以模拟对象的破坏过程，该软件特别适合于模拟节理岩石系统或者不连续块体集合体系在静力或动力荷载条件下的响应。源于对拉格朗日求解模式FLAC方法的完美沿承，UDEC必然具备连续介质力学范畴内的普遍性分析能力，而离
16、散单元法的核心思想更是赋予UDEC在处理非连续介质环节上的本质优势，特别适合于固体介质在荷载（力荷载、流体、温度等）作用下静、动态响应问题的分析，如介质运动、大变形、或破坏行为甚至是破坏过程研究。从本质层次上描述固体介质物理组成结构、力学特征的理论优势逐渐将UDEC程序拓展到地震工程、建筑、结构工程、军事工程非岩土工程领域。UDEC具有方便快捷的使用特征，可运行于所有Windows操作平台，具有命令流和图形用户界面两种操作模式。程序内核支持刚体和可变形体模拟，内置岩土工程领域几乎全部的成熟材料本构模型，辅以静/动态求解模式和高度友好用户界面，使得数值分析过程异常快捷有效。特别地，UDEC植入程序编译器FISH，极大拓展了用户对分析流程和UDEC内核的操控手段。UDEC还为用户提供了特定本构模型开发接口，所支持的高级开发环境为Visual C+。经过对三个软件应用领域、计算原理等方面的对比分析
