錨桿預緊力對圍巖支護效果的數值模擬

鄧 強,張召千

(太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

錨桿支護作為一種典型的主動支護方法被廣泛應用于地下工程之中,目前國內外錨桿支護均十分重視預緊力的作用。在20世紀70年代末,美國首次將漲殼式錨頭與樹脂錨固劑聯合使用,實現了錨桿的高預緊力支護。隨后,我國學者對錨桿預緊力的作用進行了較深的研究。研究表明:當預緊力達60 kN～70 kN時,就可有效控制巷道頂板下沉,而無需減少錨桿間排距。本文利用數值模擬分析研究錨桿預緊力對圍巖力學特性及支護效果的影響[1]。

1 建模

本次建模巷道直接頂為中砂巖,老頂為粉砂巖,底板為泥巖,為近水平煤層。根據現場地質調查和實驗室提供的巖石力學試驗結果,模擬計算采用的巖體力學參數如表1所示。

表1 煤層及頂底板巖層的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal seams and roof and floor strata

2 數值模擬分析

2.1 FLAC3D應用程序簡介

FLAC3D采用拉格朗日差分算法及混合離散劃分單元技術,使得該程序可用于求解有關深基坑、邊坡、基礎、壩體、隧道、地下采場以及硐室的應力分析,也可用來進行動力分析,因此在國際巖土領域非常流行。

FALC3D內部含有多個力學模型,如摩爾-庫侖模型,應變硬化/軟化模型等,用以模擬高度非線性,不可逆等地質材料的變形特征。另外,FALC3D為巖土工程問題的求解開發了相互作用的結構單元, 如隧道襯砌、錨桿/錨索等的受力與變形等。FALC3D內嵌的fish語言能夠讓用戶定義新的變量和函數, 以用于滿足不同的巖土工程問題[2-3]。

本文模擬的巷道采用摩爾-庫侖模型,錨桿錨索采用結構單元,并且用fish語言loop循環模擬錨桿錨索的位置。FLAC3D的求解過程見圖1。

圖1 FLAC3D的求解過程Fig.1 FLAC3D solution process

2.2 數值模型

模型模擬范圍為30 m×30 m×30 m,由于巖石和煤是粘結狀散體材料,所以本構模型選擇為Mohr-Coulomb模型。約束條件:在x方向上的兩邊界x方向位移固定,在y方向上的兩邊界y方向位移固定,z方向下邊界z方向上固定,上邊界無約束[4]。錨桿直徑選用22 mm,長度取2.4 m,間排距取為0.8 m。錨索直徑取22 mm,長度取7 m,間距為2.4 m[1]。主要模擬巷道錨桿支護施加預緊力和沒有施加預緊力的情況下,通過圍巖變形和圍巖應力分析圍巖的力學特性變化及支護效果。采用錨桿錨索聯合支護,巷道錨桿支護方案圖見圖2,巷道模型圖見圖3。

圖2 巷道錨桿支護方案圖Fig.2 Bolt supporting plan in the roadway

圖3 巷道模型圖Fig.3 Model diagram of the roadway

3 數值模擬結果分析

3.1 巷道圍巖變形分析

當給錨桿施加預緊力為114 kN時,從圖4和圖5可以看出頂底板的垂直位移在減小了10.25%。錨桿沒有加預緊力時,巷道頂板最大垂直位移為120.82 mm,底板的垂直位移為132.98 mm。錨桿施加預緊力時,巷道頂板最大垂直位移為108.68 mm,底板的垂直位移為116.78 mm。頂板的下沉量減小了11.14 mm,底鼓量減小了28.2 mm。可見,對錨桿施加預緊力能夠有效控制頂板圍巖變形,增強圍巖承載能力。

圖4 預緊力為114 kN時頂底板的垂直位移圖Fig.4 Vertical displacement of surrounding rock with pretension at 114 kN

圖5 無預緊力時頂底板的垂直位移圖Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock without pretension

當給錨桿施加預緊力為114 kN時,從圖6和圖7可以看出兩幫水平位移在減小了10.4%。錨桿沒有施加預緊力時,巷道兩幫最大水平位移分別為172.66 mm和172.85 mm;錨桿施加預緊力時,巷道兩幫水平最大位移為156.39 mm和156.26 mm。可見,對錨桿施加預緊力能夠有效控制兩幫圍巖變形,增強圍巖承載能力。

圖6 預緊力為114 kN時圍巖的水平位移圖Fig.6 Horizontal displacement of surrounding rock with pretension at 114 kN

圖7 無預緊力時圍巖的水平位移圖Fig.7 Horizontal displacement of surrounding rock without pretension

巷道的頂板以及兩幫的位移隨預緊力的變化如圖8和圖9。可見當預緊力加到一定值后,巷道的位移變化不明顯[5-7]。

圖8 巷道頂板位移變化曲線Fig.8 Roof displacement variation in the roadway

3.2 巷道圍巖應力分析

當給錨桿施加預緊力為114 kN后,從圖10和圖11可以看出頂板表面的最大壓應力值提高了大約10%。表明預緊力可以有效減少頂拉破壞和早期離層。預緊力是錨桿支護中的關鍵因素,是區別主動支護還是被動支護的關鍵參數,只有高的預緊力的錨桿支護才是真正的主動支護,才能充分發揮錨桿的支護作用。

圖9 巷道兩幫位移變化曲線Fig.9 Displacement variation of two sides in the roadway

圖10 無預緊力時圍巖的垂直應力圖Fig.10 Vertical stress of surrounding rock without pretension

圖11 預緊力為114 kN時圍巖的垂直應力圖Fig.11 Vertical stress of surrounding rock with pretension at 114 kN

4 結論

1)當給錨桿施加預緊力為114 kN后,可抑制圍巖的變形,頂板的下沉量減少了10.25%、頂板的底鼓量減少了24.1%以及兩幫的移近量減少了10.4%。

2)當給錨桿施加預緊力為114 kN后,發現頂板表面的最大壓應力值提高了大約10%。

3)給錨桿、錨索施加預緊力后,巷道的主動支護能力得到了提高，大大改善了巷道的支護效果。