楊鵬飛
(山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046100)
錨桿支護(hù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種礦山工程的加固及地下開采中,錨桿的受力對巷道的安全具有決定性的影響[1-2]。在煤炭的開采中,由于煤炭沉積的分層及與圍巖的結(jié)構(gòu)差異,容易引起圍巖的沉降不同,從而在圍巖層面上產(chǎn)生離層,引發(fā)安全事故。文章對離層作用對錨桿的受力影響進(jìn)行分析,從而判定頂板的穩(wěn)定性,提高錨桿支護(hù)的效果,控制圍巖的離層作用,保證煤礦開采的安全[3-4]。
在巷道挖掘的過程中,圍巖的不協(xié)調(diào)變形造成頂板產(chǎn)生離層,使得錨固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向的拉力,從而影響錨桿的受力。錨桿在進(jìn)行布置的過程中,其角度并不總是垂直于頂板,當(dāng)存在一定的安裝角度時(shí),離層對錨桿的作用力更加復(fù)雜,不僅存在拉應(yīng)力作用,還存在著一定的剪切應(yīng)力的作用[5-6]。在實(shí)際的應(yīng)用過程中,由于煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,錨桿傾斜的工況更為多見。當(dāng)錨桿與離層存在一定的傾斜角度時(shí),錨桿的變形如圖1 所示,在傾斜離層的作用下,錨桿產(chǎn)生“S”形的變形。
圖1 錨桿受傾斜離層作用變形示意圖
采用離散元分析的方式對錨桿的受力作用進(jìn)行分析,UDEC 軟件可以用于模擬非連續(xù)的介質(zhì),在采礦及巖土工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。采用UDEC軟件對錨桿的應(yīng)力進(jìn)行分析,建立錨桿分析的模型,設(shè)定巖層的模型為3 m×2 m,采用的錨桿直徑為20 mm,錨桿的長度為2 m,將巖層分為泥巖層及粉砂層,根據(jù)離層的位置,設(shè)定節(jié)理面距離孔口不同的位置為0.5 m。設(shè)定模型的邊界條件為上下邊界施加垂直方向的位移約束,左側(cè)施加水平方向的位移約束,建立如圖2 所示的模型圖,由此可對離層作用下的錨桿應(yīng)力分布進(jìn)行分析。
圖2 離層位置距離孔口0.5 m 處的模型圖
在UDEC 中設(shè)定塊體采用各向同性彈性模型,并設(shè)定材料的摩擦角及抗拉強(qiáng)度,由此對錨桿的應(yīng)力作用進(jìn)行仿真模擬,得到如下頁圖3 所示的錨桿的軸應(yīng)力及剪切應(yīng)力的分布圖。從圖3 中可以看出,在彈性狀態(tài)及彈塑性狀態(tài)下,錨桿的應(yīng)力分布具有較大的差別,彈塑性分析過程中,節(jié)理面隨著剪切位移的增加而產(chǎn)生一定的破壞,使得錨桿的應(yīng)力分布產(chǎn)生變化;錨桿的應(yīng)力沿著節(jié)理面的位置變化,離層的位置對于錨桿的應(yīng)力作用具有直接的影響。
圖3 垂直錨桿的軸應(yīng)力及剪切應(yīng)力的分布
對錨桿傾斜時(shí)的工況進(jìn)行模擬分析,在離層相同的位置處,設(shè)定傾斜離層與錨桿的夾角為10°~90°之間,當(dāng)夾角為60°時(shí)的模型如圖4 所示。對此時(shí)的錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析,得到如圖5 所示的錨桿的應(yīng)力變化圖。
圖4 錨桿與離層夾角為60°的模型圖
從圖5 中可以看出,在傾斜離層的作用下,錨桿的應(yīng)力作用沿著傾斜的方向分布,且在彈性狀態(tài)下,錨桿的軸應(yīng)力及剪切應(yīng)力均呈現(xiàn)較大的變化,存在較大的梯度;在彈塑性狀態(tài)下,錨桿的應(yīng)力值分布較為平穩(wěn),在離層位置處的變化梯度較小。改變錨桿與離層位置的不同夾角值,對其錨桿的軸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并作圖,得到如圖6 所示的錨桿的軸應(yīng)力與離層夾角的關(guān)系曲線。
圖5 傾斜錨桿的軸應(yīng)力及剪切應(yīng)力的分布
圖6 錨桿軸應(yīng)力與離層夾角的關(guān)系曲線
從圖6 中可以看出,改變錨桿與離層的夾角值,夾角較小的情況下,產(chǎn)生的軸應(yīng)力較小,隨著夾角值的增加,則錨桿的軸應(yīng)力逐漸增加,錨桿起到的抗拉作用越明顯。當(dāng)錨桿與離層的夾角較小時(shí),此時(shí)錨桿主要受到剪切應(yīng)力的作用,發(fā)揮抗剪性能。由此可知,在進(jìn)行錨桿的支護(hù)時(shí),隨著離層傾斜角度的不同,對于錨桿的布置角度及錨桿的選擇要進(jìn)行一定的優(yōu)化,從而最大程度地發(fā)揮錨桿的性能,提高支護(hù)性能,保證圍巖巷道的穩(wěn)定性。
采用UDEC 軟件離散元分析的方式,對垂直及傾斜作用離層作用下的錨桿的應(yīng)力變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明,錨桿的應(yīng)力沿著節(jié)理面的位置變化,離層的位置對于錨桿的應(yīng)力作用具有直接的影響;存在傾斜離層時(shí),夾角較小時(shí),錨桿主要發(fā)揮抗剪作用,隨著角度的增加,錨桿主要發(fā)揮抗拉作用。由此,進(jìn)行錨桿的布置時(shí),應(yīng)依據(jù)地質(zhì)的變化,合理的選擇錨桿的安裝角度及選擇合適的錨桿直徑,從而最大程度地發(fā)揮錨桿的性能,提高支護(hù)性能,保證圍巖巷道的穩(wěn)定性,提高煤礦開采的安全性。