ansys有限元程序在某矿井底车场连接处支护结构计算中应用

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1、ANSYS有限元程序在某矿井底车场连接处支护结构计算中应用中图分类号：O741+.2文献标识码：A文章编号：ANSYS是在20世纪70年代由ANSYS公司研制开发的大型通用有限元程序，目前广泛应用于航空航天、机械制造、水利水电、土木工程以及科学研究等领域，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究。1概况某矿进风井设计净直径7.2m，井筒深度1027.5m。井筒与井底车场连接处位于垂深990m～999m处，所处岩性主要为砂岩和砂质泥岩，其净高为9.0m，净宽6.5m，为一特大型箕斗装载硐室。断面形状为高直墙半圆拱结构，设计采用100mm锚杆喷射混凝土初衬加钢筋混凝土结构。

2、井底车场连接处埋深大，在施工和使用过程中，支护结构受力及其复杂，限于时间因素与目前的技术条件，在工程设计与施工中均存在着一些不确定因素。这些因素轻者可影响工程进度，重者可影响施工安全。因此，井底车场连接处必须要采取有力的支护措施，开展对该矿进风井井底车场连接处支护技术研究，对确保硐室及相关巷道以及设备运行安全有着非常重要的意义。6根据提供的东进风井井筒预想柱状图，该段岩性主要由中粗砂岩、粗粒砂岩、粉砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩等组成。2支护结构方案数值计算2.1数值计算模型根据井底车场连接处设计方案，考虑硐室开挖影响范围，从而建立三维数值计算模型。模型宽度（沿井底车场连接处横向）取5

3、6m，纵向长度（沿井底车场连接处纵向）取15m，高度（沿立井井筒纵向）取25m。计算模型采用六面体单元进行划分，模型网络划分如图1、2所示。图1计算模型网络划分图2支护结构模型网络划分模型边界条件为：模型底面为固定边界，限制竖向和水平位移，4个侧面为滚轴边界，仅限制水平方向位移。在模型顶面施加荷载以代替上覆岩层自重应力，荷载大小为：-970m水平996.5×2.5/100＝24.9125MPa。围岩材料破坏准则采Mohr-Coulomb（莫尔-库伦）塑性模型。围岩的材料计算参数如表1所示。表1围岩材料计算参数6计算模型为深埋岩层，埋深达到771.5m、996.5m，因此，可视为整

4、个模型处于三向等压静水应力状态。具体分析处理过程如下：首先计算原状岩层在重力作用下的原岩应力场，待计算达到平衡之后，将模型初始位移场设为零，然后开挖硐室，来模拟硐室掘进过程。图3-970m水平模型荷载分布3.2-970m水平井底车场连接处计算结果及其分析以下从支护结构应力和位移两个方面进行计算分析，以掌握-970m水平井底车场连接处整体受力和变形情况。（1）由计算得到的支护结构应力场分布规律如图4～6所示。图4第一主应力分部图σ1从图4第一主应力分布图中可以看出，在硐室开挖过程中支护结构主要承受压应力作用，在井底车场与信号硐室交接处外侧以及操车基础坑与井筒连接处外侧最大拉应力达到

5、38.9MPa，最大压应力为20.8MPa，范围极小，为局部应力集中现象，大部分结构为受压状态，压应力约为5.75MPa，小于C50混凝土设计强度23.1MPa。局部应力集中现象主要原因是模型建立过程中将井底车场与信号硐室之间的连接以及操车基础坑与井筒连接处的连接为理想状态下的直角连接，从而造成在拐角处局部应力集中。因此，在实际施工时，模型中的拐角连接一般很难存在，施工时大多采用钻眼爆破掘进，拐角岩柱难以保留，浇筑混凝土结构时，不会存在结构拐角，应力集中也就难以产生。6图5第三主应力分布图σ3图5为第三主应力分布图，从图中可以看出最大拉应力为4.77MPa，最大压应力为132.0

6、MPa，但范围极小，均大于C50混凝土抗拉强度和抗压强度，位置位于井筒与井底车场联结相贯线处，大部分结构处在压应力状态，数值约为4.77～10.4MPa，小于C50混凝土设计强度值23.1MPa。局部应力集中的主要原因与上述相同，实际施工时，不会出现应力集中。模型中的拐角连接一般很难存在，施工时大多采用钻眼爆破，拐角岩柱难以保留，浇筑混凝土结构时，不会存在结构拐角，应力集中问题也就不存在。图6剪应力分布图τ图6为剪应力分布图，从图中可以看出，最大剪应力为123.0/2=61.5MPa，位于井筒与井底车场联结相贯线处以及操车基础坑与井筒连接处，超过C50混凝土极限抗剪强度；最小剪应

7、力约为1.28/2=0.64MPa，位于井筒和井底车场顶板处，小于C50混凝土极限抗剪强度。大部分结构剪应力为1.28/2=0.64MPa，小于C50混凝土极限抗剪强度。（2）由计算得到的支护结构位移场分布规律如图7所示。6图7结构变形分布图图7为井筒与井底车场连接处变形图，从图中可以看出，井筒与井底车场的变形关系较为密切，在井筒与井底车场连接处，向硐室内侧变形，最大变形量为14.5mm，而井筒半圆拱部分变形趋势为向外侧变形，由于外侧围岩的约束变形极小，约为1.6mm。井底车场底