巷道錨桿支護(hù)性能的仿真分析

姜 波

（晉能控股集團(tuán)云崗礦綜采二隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

煤炭是我國(guó)重要的能源形式，由于對(duì)煤炭的需求量及開采量巨大，我國(guó)的地下煤層的賦存條件復(fù)雜多樣，具有較大的安全隱患。隨著煤礦開采深度的增加，煤礦的巷道支護(hù)成為保證煤礦安全開采的重要因素。錨桿支護(hù)是煤礦開采支護(hù)的主要方式，具有對(duì)復(fù)雜地形較強(qiáng)的適應(yīng)性，并可以滿足較高的掘進(jìn)速度，具有較好的支護(hù)效果。錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)及施工水平不斷提高，但由于支護(hù)對(duì)象的復(fù)雜性，對(duì)于錨桿的錨固與圍巖相關(guān)的關(guān)系沒有明確的模型進(jìn)行研究[1]。在煤礦的巷道支護(hù)中，錨桿的性能決定了支護(hù)的安全，對(duì)煤礦的生產(chǎn)具有決定性的作用。在錨桿進(jìn)行支護(hù)的過程中，受到多種因素的影響制約，因此，針對(duì)巷道支護(hù)中不同的因素對(duì)錨桿支護(hù)的性能進(jìn)行分析[2]，從而進(jìn)一步研究錨桿與圍巖的相互作用關(guān)系，提高錨桿支護(hù)使用的可靠性，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

1 錨桿支護(hù)仿真模型的建立及參數(shù)設(shè)定

錨桿應(yīng)用于煤礦巷道支護(hù)中，由于施工過程及煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量難以進(jìn)行有效地檢測(cè)，無(wú)法對(duì)其安全性能進(jìn)行直觀地判斷。錨固質(zhì)量發(fā)生問題往往造成煤礦的安全事故，對(duì)錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)成為檢測(cè)錨固質(zhì)量的重要手段。樹脂錨固劑由多種化學(xué)試劑組成，是煤礦巷道支護(hù)中廣泛的黏接性錨固材料[3]。采用樹脂錨固體的主要失效形式可以分為黏接失效、圍巖失效、桿體破壞失效及配件失效。黏接失效出現(xiàn)的比例占到我國(guó)錨桿支護(hù)失效類型的80%以上，這是錨固過程中錨固層與錨桿之間的相互作用復(fù)雜，造成多種形式的黏接失效[4]。針對(duì)帶有空洞樹脂錨固造成的黏接失效，對(duì)錨桿的性能進(jìn)行分析，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)使用過程，提高錨固的質(zhì)量。

采用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)錨桿支護(hù)的性能進(jìn)行模擬，ABAQUS 具有豐富的巖土本構(gòu)模型，在巖土工程、地質(zhì)等研究中具有廣泛的應(yīng)用。ABAQUS具有較強(qiáng)的網(wǎng)格剖分能力，可對(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行超單元的剖分[5]，然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土工程問題的精確分析。

以帶有空洞樹脂錨固模型對(duì)錨桿的性能進(jìn)行分析，依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)參數(shù)并考慮邊界效應(yīng)的影響作用，建立錨固體的圓柱體尺寸直徑1.6 m、高1.5 m，采用ABAQUS 建立數(shù)值計(jì)算模型并進(jìn)行對(duì)稱性設(shè)置。對(duì)錨桿在支護(hù)過程中的應(yīng)力分布及圍巖的穩(wěn)定性等進(jìn)行分析，在模型中設(shè)定監(jiān)測(cè)線，對(duì)錨桿的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6]，得到如圖1 所示的錨固模型，其中X 方向表示圓柱巖體的垂直方向，Y 方向表示錨桿錨固方向。

圖1 錨桿錨固模型（單位：mm）

帶有空洞樹脂錨固模型采用彈性模型，錨桿及錨固層之間采用interface 命令進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，依據(jù)使用的錨桿及錨固劑的材質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)圍巖的性質(zhì)，設(shè)定錨桿的泊松比為0.25，剪切強(qiáng)度為195 000 MPa；圍巖的泊松比為0.24，剪切強(qiáng)度為20 000 MPa；錨固樹脂的泊松比為0.3，剪切強(qiáng)度為2 274 MPa[7]。對(duì)錨桿、樹脂錨固層及圍巖模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，采用ABAQUS 中適用于大變形分析的CAX4R 進(jìn)行單元網(wǎng)格的劃分處理，可以適用于較大的網(wǎng)格扭曲，且不會(huì)降低計(jì)算的精度。

2 不同參數(shù)對(duì)錨桿支護(hù)性能的影響仿真分析

在錨桿進(jìn)行支護(hù)的過程中，受到多種因素的作用形成錨固系統(tǒng)的拉拔，在拉拔過程中容易造成錨固系統(tǒng)的失效。由于錨桿支護(hù)中不同參數(shù)的尺寸效應(yīng)，對(duì)失效造成影響，針對(duì)巷道支護(hù)的不同因素[8]，主要包括錨桿直徑D、錨固層厚度t 及空洞長(zhǎng)度L0等進(jìn)行錨桿性能的分析，從而優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)選用[9]，提高錨固的穩(wěn)定性。

2.1 不同錨桿直徑的錨桿應(yīng)力分析

對(duì)錨桿直徑的影響作用進(jìn)行分析，選取5 種不同直徑的錨桿進(jìn)行錨桿應(yīng)力的模擬，得到如圖2 所示的錨桿在錨固方向上的應(yīng)力分布，從圖2 中可以看出，在不同的錨桿直徑時(shí)所受到的應(yīng)力作用隨著距離的增加，差值逐漸增大；在拉拔作用下，隨著錨固距離的增加，錨桿所承受的應(yīng)力逐漸增加[10]，在不同的錨桿直徑下，相同位置處錨桿的直徑越大，則所受到的應(yīng)力作用越小，即錨桿的直徑越大，則錨桿所能承受的拉拔力作用越大，支護(hù)的性能越好。

圖2 不同錨桿直徑下沿錨固方向的錨桿應(yīng)力變化

2.2 不同錨固層厚度的錨桿應(yīng)力分析

對(duì)錨固層厚度的影響作用進(jìn)行分析，選取5 種不同錨固厚度的支護(hù)進(jìn)行錨桿應(yīng)力的模擬，得到如圖3所示的錨桿在錨固方向上的應(yīng)力分布，從圖3 中可以看出，在不同的錨固層厚度時(shí)錨桿所受到的應(yīng)力作用整體相差不大，隨著錨固距離的增加，應(yīng)力差值進(jìn)一步逐漸減小；在拉拔作用下，隨著錨固距離的增加，錨桿所承受的應(yīng)力逐漸增加，在不同的錨固層厚度下，相同位置處錨固層厚度越小[11]，則錨桿所受到的應(yīng)力作用越小，即錨固厚度相對(duì)越小，則錨桿所能承受的拉拔力作用越大，支護(hù)的性能越好。

圖3 不同錨固層厚度下沿錨固方向的錨桿應(yīng)力變化

2.3 不同空洞長(zhǎng)度的錨桿應(yīng)力分析

對(duì)空洞長(zhǎng)度的影響作用進(jìn)行分析，選取5 種不同空洞長(zhǎng)度的支護(hù)進(jìn)行錨桿應(yīng)力的模擬，得到如圖4 所示的錨桿在錨固方向上的應(yīng)力分布，從圖4 中可以看出，在不同的空洞長(zhǎng)度時(shí)錨桿所受到的應(yīng)力作用整體相差不大，在空洞長(zhǎng)度最大0.30 m 時(shí)的應(yīng)力值較大，隨著錨固距離的增加，應(yīng)力差值進(jìn)一步逐漸減小；在拉拔作用下，隨著錨固距離的增加，錨桿所承受的應(yīng)力逐漸增加，在不同的空洞長(zhǎng)度下，相同位置處空洞長(zhǎng)度越小，則錨桿所受到的應(yīng)力作用越小，即空洞長(zhǎng)度越小，則錨桿所能承受的拉拔力作用越大，支護(hù)的性能越好。

圖4 不同空洞長(zhǎng)度下沿錨固方向的錨桿應(yīng)力變化

3 結(jié)論

1）錨桿的直徑越大、錨固層的厚度相對(duì)越小、空洞的長(zhǎng)度越小，則空洞樹脂錨固中錨桿受到的應(yīng)力越小，越能承受較強(qiáng)的拉拔作用，錨固的效果越好。

2）在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，受到施工過程及成本的限制，錨桿直徑及錨固層厚度不能任意地進(jìn)行增大或減小，需對(duì)錨桿的直徑、錨固層厚度及空洞的長(zhǎng)度進(jìn)行合理匹配，從而達(dá)到最佳的錨固效果，保證煤礦的支護(hù)安全。