錨桿預緊力對圍巖支護效果的數(shù)值模擬

鄧 強,張召千

(太原理工大學 礦業(yè)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(nèi)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(lián)合使用,實現(xiàn)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(shù)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(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)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(shù)如表1所示。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層的物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal seams and roof and floor strata

2 數(shù)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(nèi)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(zhì)材料的變形特征。另外,FALC3D為巖土工程問題的求解開發(fā)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(nèi)嵌的fish語言能夠讓用戶定義新的變量和函數(shù), 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(huán)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(shù)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(lián)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(shù)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?shù)装宓拇怪蔽灰圃跍p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?shù)装宓拇怪蔽灰茍DFig.4 Vertical displacement of surrounding rock with pretension at 114 kN

圖5 無預緊力時頂?shù)装宓拇怪蔽灰茍DFig.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(qū)別主動支護還是被動支護的關鍵參數(shù),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(fā)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(fā)現(xiàn)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。