基于ANSYS/LS-DYNA巷道开挖围岩结构和衬砌结构变形分析

摘要

我国煤炭总量很大并且范围也很广，占世界的12％左右。近年来我国的煤炭开采越来越频繁。煤炭的开采必定会引起周围围岩的移动和变形，在开采过程中如果发生较大变形必然会破坏巷道结构的稳定。煤矿巷道的稳定对矿区的生产和人员生命安全尤为重要。因此对开挖引起的巷道结构变形进行研究是十分必要的。本文基于相似材料试验和有限元软件ANSYS/LS-DYNA，采用模型试验与数值仿真计算相结合的方法，对开采作用下巷道结构变形规律进行了如下研究:
　　首先，基于相似材料试验和三维数值模型，探讨了开挖巷道周围围岩的应力分布规律。研究发现在开挖作用下最大剪应力主要分布在巷道的底部和顶部围岩处。巷道主应力在巷道两侧帮围岩处成“蝙蝠形状”分布;水平位移主要发生在巷道的帮部并向外移动;竖向位移主要发生在巷道的上部和下部围岩处并向巷道中心移动。随着开挖的不断进行，巷道结构的位移逐渐趋于稳定。
　　其次，研究了不同埋深、截面形式、围岩分层、衬砌支护对开挖巷道周围围岩变形的影响。通过分析不同工况下巷道结构观测处的应力及位移可知:应力和位移与埋深成正比关系。圆形巷道的受力和变形要优于拱形巷道。在一定围岩分布下，弹性模量对围岩的受力和变形有很大的作用;在衬砌支护作用下巷道的受力和变形得到明显的改善。
　　最后，基于拱形巷道三维数值模型，对巷道衬砌进行受力分析。研究了衬砌结构在不同埋深、截面形式、不同混凝土强度下的受力情况，研究发现:衬砌结构应力随着埋深的增加应力集中现象明显;圆形衬砌受力优于拱形衬砌;混凝土强度对衬砌的变形有一定的改善作用，随着强度的提高这种改善作用不太明显。混凝土强度对衬砌的变形有一个限定值超过限定值后作用不是很明显。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 巷道围岩变形的研究方法

1．3 国内外开挖巷道围岩变形研究进展

1．4 本文的主要研究内容

2 巷道围岩岩石变形理论

2．1 岩石破坏机理

2．2 巷道围岩应力状态研究

2．2．1 巷道围岩应力重新分布

2．2．2 水平井巷巷道围岩应力状态分布

2．3 影响巷道围岩变形的因素

2．3．1 自然因素

2．3．2 采动因素

2．4 地下巷道开挖围岩分析基本理论

2．4．1 地下巷道开挖围岩的有限元理论

2．4．2 有限元分析中的问题

2．4．3 围岩本构模型

2．4．4 有限元求解步骤

2．5 本章小结

3 巷道开挖围岩变形相似材料试验

3．1 岩体材料相似原理

3．2 相似材料配比

3．3 试验过程及结果

3．4 本章小结

4 巷道开挖围岩结构变形分析

4．1 巷道模型的计算假定和有限元实现

4．1．1 ANSYS／LS-DYNA简介及建模

4．1．2 有限元模型及假定

4．2 开挖巷道围岩变形分析

4．2．1 对开挖巷道初始应力场分析

4．3 巷道模型的开挖

4．3．1 开挖巷道结构应力变化分析

4．3．2 开挖巷道结构位移变化分析

4．4 本章小结

5 开挖巷道影响围岩变形因素分析

5．1 开挖埋深对围岩变形的影响

5．2 截面形式对开挖巷道围岩变形的影响

5．3 围岩分层对开挖巷道围岩变形的影响

5．4 衬砌支护对开挖巷道围岩变形的影响分析

5．5 本章小结

6 开挖巷道周围衬砌变形分析

6．1 引言

6．2 建立数值模型

6．3 开挖巷道衬砌变形影响因素分析

6．3．1 不同埋深下衬砌结构受力分析

6．3．2 不同截面形式巷道衬砌受力分析

6．3．3 不同混凝土强度巷道衬砌受力分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

作者简历

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