巷道支護(hù)中錨桿錨固長(zhǎng)度不同時(shí)的錨固性能分析

曹 剛，潘小虎，劉 勇

（山西潞安郭莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

在進(jìn)行礦井開(kāi)采的過(guò)程中，錨桿支護(hù)技術(shù)是保障工程穩(wěn)定和增加巖體強(qiáng)度的重要方式。錨桿支護(hù)的方法隨著應(yīng)用技術(shù)水平的提高得到了不同程度的提高，在進(jìn)行錨固的過(guò)程中，由于巖層環(huán)境的復(fù)雜性，使得錨桿的受力較為復(fù)雜，不易直接進(jìn)行錨固力的計(jì)算及測(cè)量[1]。錨固長(zhǎng)度是影響錨桿支護(hù)能力的重要因素，錨固段長(zhǎng)度的不同對(duì)于錨固的應(yīng)力分布及錨固力大小具有重要的影響。采用數(shù)值分析的方式對(duì)錨固長(zhǎng)度不同時(shí)的錨桿錨固性能進(jìn)行分析，從而優(yōu)化錨桿的錨固長(zhǎng)度，確定合理的長(zhǎng)度設(shè)置，提高巷道的支護(hù)，保證煤礦等開(kāi)采的工程質(zhì)量，提高煤礦安全性[2]。

1 錨桿錨固特性分析模型的建立

在煤礦開(kāi)采等工程應(yīng)用中，由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性及對(duì)測(cè)試方法的不足，對(duì)于錨固性能的直接測(cè)試手段有限，無(wú)法獲得可靠的數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行模擬分析取得了廣泛的應(yīng)用，并且具有較好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度及可操作性，是進(jìn)行巖土工程分析的重要手段[3]。為分析不同錨固長(zhǎng)度下的錨桿受力及圍巖的應(yīng)力變化，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行模擬分析。

FLAC3D模擬軟件被廣泛應(yīng)用在巖土工程計(jì)算領(lǐng)域的，包含多種的材料模型及計(jì)算模式，可以快速方便地進(jìn)行模擬計(jì)算分析。采用FLAC3D軟件對(duì)錨固性能進(jìn)行分析，首先建立錨桿支護(hù)的模型。假定進(jìn)行分析的模型巖層為同性材料，不考慮巖層的初始應(yīng)力作用，將錨桿設(shè)定為圓鋼筋材質(zhì)[4]。在使用過(guò)程中，錨桿受到的拉拔作用力位于外露段的錨桿截面位置，通過(guò)錨固段結(jié)合錨固劑作用于巖體中，形成多種介質(zhì)組成的復(fù)合體。

依據(jù)錨固長(zhǎng)度不同的錨固區(qū)域不同，選定錨固長(zhǎng)度50 cm時(shí)的計(jì)算模型規(guī)模（長(zhǎng)×寬×高）為50 cm×20 cm×40 cm，錨桿作用于模型的中心位置，采用環(huán)形錨固劑進(jìn)行固定，采用FLAC3D進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到如圖1所示的錨固模型。研究在拉拔力作用下的錨桿的應(yīng)力變化及圍巖應(yīng)力，將拉拔力作用設(shè)定為作用在端面的集中力，采用接觸面單元傳遞力作用，采用同性彈性材料設(shè)置對(duì)錨固性能進(jìn)行分析[5]。

圖1 錨桿支護(hù)錨固數(shù)值計(jì)算模型

2 不同錨固長(zhǎng)度的錨固性能分析

2.1 不同錨固長(zhǎng)度的錨桿應(yīng)力分布

在相同的拉拔應(yīng)力下，設(shè)定作用于錨桿頂端的作用力為25 kN，選取錨固不同的錨固長(zhǎng)度，同時(shí)在錨桿的錨固段中選取不同的測(cè)試點(diǎn)位置，進(jìn)行錨桿應(yīng)力的分布計(jì)算。如下頁(yè)圖2所示為在錨固長(zhǎng)度為0.4 m時(shí)的測(cè)試點(diǎn)的位置布置。

對(duì)錨固長(zhǎng)度為0.4 m時(shí)的錨桿應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到如下頁(yè)圖3所示的軸向應(yīng)力分布及曲線，從圖3中可以看出，在錨固的長(zhǎng)度較短時(shí)，錨桿的應(yīng)力分布較為均勻，從錨固段開(kāi)始逐漸向著巖層深部減小，同時(shí)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果對(duì)比可知，兩者具有相同的變化趨勢(shì)，且擬合結(jié)果相近。在起始點(diǎn)位置處的數(shù)值相差較大，這是由于在模型中存在一定的自由段設(shè)置，載荷作用在自由段上，產(chǎn)生應(yīng)力的差值[6]。模擬結(jié)果能夠反映應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)一步增加錨固的長(zhǎng)度進(jìn)行分析。

圖2 錨固長(zhǎng)度0.4 m時(shí)的不同測(cè)試點(diǎn)位置分布圖

圖3 錨固長(zhǎng)度0.4 m時(shí)的應(yīng)力分布及變化曲線

圖4中所示為錨固長(zhǎng)度為0.8 m時(shí)的錨桿應(yīng)力分布及變化曲線，對(duì)比圖3中的數(shù)值可知，隨著錨固長(zhǎng)度的增加，錨桿的軸向應(yīng)力傳遞范圍增加，且錨桿自身的最大應(yīng)力值有所降低；在相同的拉拔載荷作用下，錨固長(zhǎng)度的增加能夠有效地降低錨固剪應(yīng)力的數(shù)值，同時(shí)錨桿的應(yīng)力分布不均，在前端區(qū)域的錨桿應(yīng)力作用較大，產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，錨桿的應(yīng)力變化數(shù)值與計(jì)算分析的趨勢(shì)保持一致，正確地反映應(yīng)力變化的規(guī)律。

2.2 不同錨固長(zhǎng)度的圍巖應(yīng)力分布

對(duì)錨固長(zhǎng)度為0.4 m時(shí)的圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，得到如圖5所示的錨固劑-圍巖的應(yīng)力分布圖。對(duì)不同錨固長(zhǎng)度下的圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，界面的剪應(yīng)力分布集中，主要位于載荷作用近端的小部分區(qū)域內(nèi)，剪應(yīng)力的分布由近端到遠(yuǎn)端呈指數(shù)狀減小；錨固長(zhǎng)度不同時(shí)，隨著拉拔載荷的增加，最大的剪切應(yīng)力也逐漸增加，其分布區(qū)域也隨之增加，剪切應(yīng)力的峰值向遠(yuǎn)端逐漸轉(zhuǎn)移，仍呈指數(shù)分布。在實(shí)際應(yīng)用中，在錨固端口的位置應(yīng)盡量保證強(qiáng)度，保證起始段的錨固質(zhì)量，從而可以有效地降低圍巖的應(yīng)力作用，提高錨固性能。

圖4 錨固長(zhǎng)度0.8 m時(shí)的應(yīng)力分布及變化曲線

圖5 0.4 m錨固長(zhǎng)度時(shí)的圍巖應(yīng)力分布

3 結(jié)論

選用FLAC3D有限拆分軟件對(duì)不同錨固長(zhǎng)度下的錨固性能進(jìn)行分析：對(duì)錨桿的應(yīng)力變化及圍巖的應(yīng)力變化分析可知，在拉拔載荷相同的條件下，錨固長(zhǎng)度越短，錨桿的應(yīng)力分布較為均勻，隨著錨固長(zhǎng)度的增加，在錨桿的起始段位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中；錨固長(zhǎng)度較小時(shí)，圍巖的應(yīng)力數(shù)值較大，應(yīng)力分布均勻，隨著錨固長(zhǎng)度增加，圍巖應(yīng)力向著錨固的起始位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，向著深度方向呈指數(shù)減小的趨勢(shì)。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮圍巖的地質(zhì)條件，選取合適的錨固長(zhǎng)度，并對(duì)錨固起始段的強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)，有效地提高了錨固質(zhì)量，保證了工程質(zhì)量及安全。