呂 謙

（同煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤炭的地下開采中離不開支護(hù)系統(tǒng)的作用，錨桿作為支護(hù)系統(tǒng)的主要部件，其在支護(hù)中受到復(fù)雜作用力的影響，自身的軸力產(chǎn)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(hù)技術(shù)的發(fā)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(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要的意義，因此，針對煤礦巷道掘進(jìn)過程中錨桿的支護(hù)軸力在不同影響因素下的作用進(jìn)行分析[2]，從而為巷道的掘進(jìn)提供指導(dǎo)，提高支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證煤礦的安全開采。

1 巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)模型的建立

對影響錨桿支護(hù)軸力的不同因素進(jìn)行研究，采用數(shù)值仿真的形式對主要的影響因素作用進(jìn)行分析，首先需建立巷道掘進(jìn)的支護(hù)模型。隨著計算機(jī)技術(shù)與巖土工程本構(gòu)模型的發(fā)展，在煤礦巷道掘進(jìn)中采用數(shù)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(hù)軸力模擬分析的軟件，F(xiàn)LAC 3D 是采用有限差分的形式對連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為進(jìn)行分析[4]，是巖土工程進(jìn)行仿真分析的主流軟件，適用于對巷道的錨桿支護(hù)作用進(jìn)行分析。FLAC 3D 中提供了錨索單元，可對巷道掘進(jìn)中的樁錨支護(hù)、邊坡支護(hù)等多種支護(hù)形式進(jìn)行快速的模擬分析[5]。

進(jìn)行巷道掘進(jìn)的施工參數(shù)為支護(hù)樁的直徑0.8 m，樁長24 m，樁間距為1.3 m，錨桿支護(hù)的孔徑為0.15 m，桿體采用鋼絞線，強(qiáng)度等級為1860 N/mm2，采用32.5 水泥凈漿進(jìn)行錨桿灌注，水灰比為0.45，采用二次壓力注漿的港式進(jìn)行施工[6]，錨桿的傾角為15°，共配置有三道錨索。依據(jù)巷道掘進(jìn)的工況條件建立錨桿的支護(hù)分析模型，在建模時，設(shè)定錨桿與土體之間的錨固力通過土體的位移產(chǎn)生，當(dāng)沒有位移產(chǎn)生時，錨桿不受力；在進(jìn)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(qiáng)度屈服準(zhǔn)則，錨桿與周邊的土體完全結(jié)合黏結(jié)，滿足變形相容的條件[8]。

在消除邊界效應(yīng)的原則下，采用摩爾- 庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則建立巷道掘進(jìn)的支護(hù)模型，采用空間直角坐標(biāo)系，xoy 為水平面，z 軸為垂直方向，坐標(biāo)原點設(shè)定在底部開挖面的正下方，采用周邊的側(cè)向約束進(jìn)行邊界條件的設(shè)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(qiáng)度準(zhǔn)則及彈塑性體的本構(gòu)模型，設(shè)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(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，對基坑開挖的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高計算分析的準(zhǔn)確性，對基坑開挖外的網(wǎng)格進(jìn)行放大處理，以提高計算分析的速度[10]，建立巷道掘進(jìn)的模型如圖1 所示。

圖1 巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)計算模型

2 巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)不同工況下的軸力分析

對建立好的模型依據(jù)施工的順序進(jìn)行模擬開挖的過程，設(shè)定相應(yīng)的材料參數(shù)，在重力條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的初始應(yīng)力及位移進(jìn)行清零，進(jìn)行開挖計算。錨索采用Cable 單元進(jìn)行模擬，對錨索的錨固段設(shè)定相應(yīng)的黏聚力參數(shù)，對錨索的自由端則黏聚力參數(shù)為零。對模型的支護(hù)模擬依據(jù)現(xiàn)場施工的順序進(jìn)行[11]，首先進(jìn)行鉆孔灌樁，然后分七步進(jìn)行開挖及加錨桿，第一步開挖2.5 m，進(jìn)行第一道錨桿的加固，然后每步逐漸開挖3 m、2 m、2 m，進(jìn)行第二道錨桿的加固，再開挖2 m、2 m，進(jìn)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(jìn)行分析，由于基坑的對稱性，僅在長邊處設(shè)定斷面進(jìn)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(hù)軸力進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計，在三道錨桿支護(hù)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(xù)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(xù)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(xù)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(wěn)定，在基坑開挖時，隨著基坑變形的增加，導(dǎo)致錨桿軸力的增加，當(dāng)逐漸開挖至底部時，基坑的變形趨于穩(wěn)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(jié)語

煤礦巷道掘進(jìn)過程中，對錨桿支護(hù)系統(tǒng)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(jìn)行分析。結(jié)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(yīng)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(wěn)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(dāng)逐漸開挖至底部時，基坑的變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，變形量不變則錨桿的軸力保持不變。