尾砂膠結充填體內(nèi)不同錨桿長度支護模擬分析

周建華，高 忠，曹宗權，邵 海，王 明，曾 鵬，鄧曉平

（1.江西銅業(yè)集團武山銅礦， 江西 瑞昌市 332204；2.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州市 341000）

錨桿在改善采場穩(wěn)定性方面具有積極作用，但不同的錨桿長度對采場的穩(wěn)定性造成何種影響尚不知曉，如錨桿長度的增加可以提高錨固力，帶來積極效果，但同時也降低了錨桿的剛度，降低錨桿的平均應力，導致無法充分發(fā)揮其錨固作用。同時，支護長度選取不合理，導致錨桿作用未能充分發(fā)揮，這造成支護材料浪費、增加支護成本。因此，通過FLAC3D模擬軟件的方法研究充填體內(nèi)錨桿長度對采場穩(wěn)定性的影響是很有必要的。

1 不同錨桿長度支護模擬試驗

模型的幾何尺寸可根據(jù)計算目的及采礦工藝確定。本算例中，根據(jù)工程實際可首先確定斷面尺寸為4m×3m（寬×高），由于地下局部開挖對其周圍3～5m范圍內(nèi)有影響，因此設計進路上、下、左、右模擬介質(zhì)的尺寸為進路尺寸的5倍?？紤]進路長度遠遠大于進路的寬度及高度，因此可將本算例視為平面應變問題，模型幾何尺寸為44m×33m。

計算模型的尺寸確定后，還要確定計算網(wǎng)格的數(shù)目。此數(shù)值模擬主要考慮在不同錨桿長度錨固下充填體頂板在豎直方向的位移變化，故網(wǎng)格在豎直方向進行了加密處理，采用的網(wǎng)格數(shù)目為44×66，即在豎直方向上每0.5m劃分一個單元，水平方向每1m劃分一個單元。模型在豎直方向從上至下分為上覆圍巖層、充填體層、礦層3個主要分層，為了提高模擬的精確性，充填體層由3個分層組成，每個分層均模擬了灰砂比1∶4及灰砂比1∶8的充填體。由于豎直方向上具有多個分層（礦體、1∶4充填體、1∶8充填體），為不影響計算精度，模型單元采用等分劃分，即每個單元大小相等。計算模擬的幾何形態(tài)及單元劃分如圖1所示，共建立11616個結構單元和15075個節(jié)點單元。在本次計算模擬中，分別模擬了6種不同的錨桿長度：1.4，1.8，2，2.4，2.5，2.7m，錨桿直徑8mm，間距1.6m，分析不同錨桿長度下進路開挖后采場變形量，評價充填體頂板的穩(wěn)定性。

圖1 仿真模型示意

2 數(shù)值模擬試驗分析

在本次計算模擬中，分別模擬了6種不同的錨桿長度，并且通過分析頂板沉降值來評價采場的穩(wěn)定性，其位移云圖如圖2所示，不同錨桿長度的最大位移監(jiān)測值見表1。

監(jiān)測結果分析如下。

（1）從圖2及表1中可以看出，頂板最大變形量隨著錨桿長度的增加而逐漸降低。錨桿長度從1.4m增大至1.6m，頂板最大變形量降低了0.428 mm，頂板變形降幅高達3.3%，這是由于錨桿長度較小，僅對灰砂比1∶4的充填體有錨桿效果，而無法增強充填體的整體穩(wěn)定性，造成充填體頂板大幅度下降，嚴重威脅采場的安全性。因而，在工程實際中應避免錨桿過小的情況。

圖2 不同錨桿長度下采場位移云圖

表1 不同錨桿長度的最大位移監(jiān)測值

（2）錨桿長度繼續(xù)增大，頂板變形逐漸趨于穩(wěn)定，錨桿長度從1.6m至1.8m，頂板變形降低了0.087mm，而當錨桿長度從2m增大至2.2m時，頂板變形僅降低了0.028mm，這對工程實際中頂板的安全性影響微乎其微。錨固長度的增加導致結合面上單位面積承載力的下降。當錨固體長度超過某值（此值與地層種類有關），錨固長度的增加幾乎無助于承載力的提高。

（3）由錨桿長度與最大位移監(jiān)測值關系得擬合方程y＝82.3784e－3.7663x＋12.4537，y代表頂板最大位移值，x代表錨桿長度。

（4）上述分析表明，錨桿長度影響頂板充填體的變形。當錨桿長度沒有超過灰砂比1∶4充填體的厚度時，錨桿的錨桿效果將會大幅度降低；錨桿長度超過1∶4充填體厚度后，錨桿效果將逐漸趨于穩(wěn)定。工程應用中太長的錨桿將增加采礦成本。由于在實際工程應用中回采進路的尺寸大小有一定的差別，因此錨桿長度的確定需根據(jù)回采進路的高度而定，根據(jù)研究確定錨桿的長度為進路高度的55%～65%時，對頂板充填體的變形控制可達到理想的效果。

3 結 論

（1）頂板變形與錨桿長度成正比關系，錨桿越長，頂板位移變化越小，但到一定值時，頂板位移變化趨于穩(wěn)定。

（2）根據(jù)仿真模擬效果可知，錨桿長度為回采進路高度的55%～65%時，對頂板充填體的變形控制可達到理想的效果。

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