巷道掘進不同工況錨桿支護軸力分布研究分析

呂 謙

（同煤集團臨汾宏大礦業有限責任公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤炭的地下開采中離不開支護系統的作用，錨桿作為支護系統的主要部件，其在支護中受到復雜作用力的影響，自身的軸力產生較多的變化，錨桿的性能對煤礦的安全具有重要的影響[1]。隨著煤礦開采深度的增加及支護技術的發展，對錨桿的性能提出了更高的要求。錨桿軸力的作用對支護系統的穩定具有重要的意義，因此，針對煤礦巷道掘進過程中錨桿的支護軸力在不同影響因素下的作用進行分析[2]，從而為巷道的掘進提供指導，提高支護系統的穩定性，保證煤礦的安全開采。

1 巷道掘進錨桿支護模型的建立

對影響錨桿支護軸力的不同因素進行研究，采用數值仿真的形式對主要的影響因素作用進行分析，首先需建立巷道掘進的支護模型。隨著計算機技術與巖土工程本構模型的發展，在煤礦巷道掘進中采用數值模擬的形式成為研究分析的主要方法[3]。在多種巖土工程軟件中，選擇FLAC 3D 作為錨桿支護軸力模擬分析的軟件，FLAC 3D 是采用有限差分的形式對連續介質的力學行為進行分析[4]，是巖土工程進行仿真分析的主流軟件，適用于對巷道的錨桿支護作用進行分析。FLAC 3D 中提供了錨索單元，可對巷道掘進中的樁錨支護、邊坡支護等多種支護形式進行快速的模擬分析[5]。

進行巷道掘進的施工參數為支護樁的直徑0.8 m，樁長24 m，樁間距為1.3 m，錨桿支護的孔徑為0.15 m，桿體采用鋼絞線，強度等級為1860 N/mm2，采用32.5 水泥凈漿進行錨桿灌注，水灰比為0.45，采用二次壓力注漿的港式進行施工[6]，錨桿的傾角為15°，共配置有三道錨索。依據巷道掘進的工況條件建立錨桿的支護分析模型，在建模時，設定錨桿與土體之間的錨固力通過土體的位移產生，當沒有位移產生時，錨桿不受力；在進行分析的過程中，不考慮地下水影響及錨桿受到的橫向剪切作用[7]，鋼絞線及注漿體為彈性體，周邊的土體誒彈塑性體，符合摩爾- 庫倫強度屈服準則，錨桿與周邊的土體完全結合黏結，滿足變形相容的條件[8]。

在消除邊界效應的原則下，采用摩爾- 庫倫強度準則建立巷道掘進的支護模型，采用空間直角坐標系，xoy 為水平面，z 軸為垂直方向，坐標原點設定在底部開挖面的正下方，采用周邊的側向約束進行邊界條件的設置，不允許水平方向的位移，底邊采用固定支座，允許垂直變形，采用摩爾- 庫侖強度準則及彈塑性體的本構模型，設定垂直方向的影響范圍為基坑深度的3 倍，水平方向的影響范圍為基坑深度的5倍，考慮基坑的對稱性[9]，對其進行四分之一建模，模型的長度為150 m、寬度為145 m、深度為64 m，對模型進行網格劃分處理，對基坑開挖的網格進行加密處理，以提高計算分析的準確性，對基坑開挖外的網格進行放大處理，以提高計算分析的速度[10]，建立巷道掘進的模型如圖1 所示。

圖1 巷道掘進錨桿支護計算模型

2 巷道掘進錨桿支護不同工況下的軸力分析

對建立好的模型依據施工的順序進行模擬開挖的過程，設定相應的材料參數，在重力條件下達到穩定狀態時的初始應力及位移進行清零，進行開挖計算。錨索采用Cable 單元進行模擬，對錨索的錨固段設定相應的黏聚力參數，對錨索的自由端則黏聚力參數為零。對模型的支護模擬依據現場施工的順序進行[11]，首先進行鉆孔灌樁，然后分七步進行開挖及加錨桿，第一步開挖2.5 m，進行第一道錨桿的加固，然后每步逐漸開挖3 m、2 m、2 m，進行第二道錨桿的加固，再開挖2 m、2 m，進行第三道錨桿的加固，最后開挖3 m 至基坑底部。在開挖的過程中，對錨桿的軸力進行分析，由于基坑的對稱性，僅在長邊處設定斷面進行軸力分析，其中1 號斷面在基坑長邊的中間位置，3 號斷面在基坑長邊的變角位置，2 號斷面在1 號及3 號斷面的中間位置，由此對不同工況下錨桿的支護軸力進行分析[12]。

2.1 同一深度工況下不同位置錨桿的軸力分析

在基坑開挖至同一深度時，對不同位置的錨桿的軸力進行統計，在三道錨桿支護中，第三道錨桿受到的軸力作用最大，僅對第三道錨桿的軸力進行分析，得到錨桿的軸力曲線如圖2 所示。

圖2 第三道錨桿的軸力分布曲線

從圖2 中可以看出，第三道錨桿的自由段長度為8 m，錨固段的長度為17 m，在錨桿的自由段中，3 個錨桿的軸力變化不大，且三個斷面位置的軸力逐漸減小，在錨固段中，3 個斷面的錨桿軸力逐漸減小，錨固段的之前的一段軸力迅速減小，錨固段之后的一段軸力減小的較為緩慢，且1 號、2 號、3 號斷面的錨桿軸力依次減小。由此可知，在同一層的錨桿中，靠近基坑邊角錨桿的軸力逐漸減小，這有由于基坑的邊角效應存在造成的。

2.2 不同深度工況下相同位置錨桿的軸力分析

以1 號斷面為例對不同深度工況下的錨桿軸力進行分析，第一道錨桿在開挖一步后施工，第二道錨桿在開挖四步后施工，第三道錨桿在開挖六步后施工，得到錨桿的軸力分布如圖3、圖4、圖5 所示。

從圖3 中可以看出，1 號斷面第一道錨桿的軸力隨著開挖深度的增加逐漸增加，且第一步到第二步的增加較多，后續開挖步增加的相對較少；從圖4 中可以看出，1 號斷面第二道錨桿的軸力隨著開挖深度的增加逐漸增加，且第四步到第五步的增加較多，后續開挖步增加的較少；從圖5 中可以看出，1 號斷面第三道錨桿的軸力隨著開挖深度的增加逐漸增加，后續增加較少。由此可知，1 號斷面的錨桿軸力隨著開挖深度的增加逐漸增加，后期逐漸趨于穩定，在基坑開挖時，隨著基坑變形的增加，導致錨桿軸力的增加，當逐漸開挖至底部時，基坑的變形趨于穩定，錨桿的軸力也隨之保持不變。

圖3 1 號斷面第一道錨桿軸力分布曲線

圖4 1 號斷面第二道錨桿軸力分布曲線

圖5 1 號斷面第三道錨桿軸力分布曲線

3 結語

煤礦巷道掘進過程中，對錨桿支護系統具有較高的要求，錨桿的軸力受到多種因素的共同作用，采用仿真模擬的形式對不同工況下的錨桿軸力進行分析。結果表明，在同一層的錨桿中，靠近基坑邊角位置的軸力較小，這是由于基坑的邊界效應造成的；在不同深度的錨桿中，每道錨桿的軸力均為前期隨著基坑開挖深度的增加而增加，后期逐漸趨于穩定，這是由于基坑開挖的前期變形量較大，使得錨桿的軸力較大，當逐漸開挖至底部時，基坑的變形達到穩定狀態，變形量不變則錨桿的軸力保持不變。