新型复合材料网力学性能数值模拟计算与分析

(国投新集能源股份有限公司设计研究院，安徽合肥 230031)

1 典型巷道计算

取某典型巷道中长度为12 m的部分进行数值模拟。此巷道高3.6 m，宽4.1 m，采用锚网喷支护形式，喷层初喷50 mm混凝土，复喷150 mm，中间铺设复合材料网，顶部采用高强φ22 mm×2500 mm锚杆，底脚采用高强φ22 mm×3000 mm锚杆。巷道支护材料及规格如表1所示。

表1 支护材料及规格

2 计算模型建立

为了模拟巷道实际处于的地应力条件，这里按800 m处土的自重取X，Y，Z向的边界应力均为21 MPa。在模型的左、右、前、后和底边界，采用零位移边界条件。

本次模拟充分考虑了空间效应对巷道围岩变形的影响，巷道走向长度取12.0 m，分5次开挖完成，模型共计16566个网格节点，14400个实体单元。图1为此次计算模型。

图1 计算模型网格划分

3 数值模拟结果及分析

本数值模拟，利用FLAC3D程序对所选断面关键点的位移进行监测，最后测算出巷道各部分变形量，从而得出稳定性总体评价。模拟结果如图2～图5所示。

从图2可以看出，围岩竖向变形最大的部位是顶部，约7.46 cm，而整个衬砌的竖向变形都大约2 cm，包括顶部。帮部的上半段围岩位移也较大，约6 cm，这些围岩位移较大的部位主要对应着衬砌的圆弧部分，衬砌主要承受弯曲及剪切应力。说明衬砌具有较好的抗弯和抗剪能力。当衬砌受力产生下沉的时候，抗弯性能转化成较好的抗拉性能，能有效的拖住上部围岩，抵抗围岩变形。

从图3可以看出，两帮直臂部位围岩的水平位移为最大，约6 cm，而整个衬砌的水平位移约4 cm，小于围岩的变形。当围岩产生侧向的变形时，衬砌良好的抗拉性能阻止了其继续变形，较好的抵抗了围岩的水平位移。

图2 竖向位移图

图3 水平位移图

图4 竖向应力图

图5 水平应力图

从图4，图5可以看出，衬砌结构X向的最大变形发生在模型直墙腿的中上部位，其变形量为6 cm。从整个模型来看，拱部受力较小，为1e7，应力主要集中在直墙腿部，竖向应力最大，为7e7，因此直墙腿是结构的薄弱部位。

4 结语

对典型巷道，采用复合材料网模型结构进行锚网喷支护下的FLAC3D有限元数值模拟，并对其结果进行分析，从数值计算结果中可以看出，直墙腿部分是整个结构的薄弱环节，其应力较大，所以，在现场应用时可以根据实际情况，将直墙腿改为曲墙腿，再配合锚杆锚网等支护，有望提高结构的整体承载能力。同时复合材料网的优越性在数值模拟过程中得以体现。模拟显示出，其抗弯承载力、抗拉承载力以及抗剪承载力均能满足要求。

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