胡麗偉

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030052）

0 引言

煤礦開采過程中，錨桿支護是常用的支護方式，具有施工簡單、作業(yè)效率高及支護穩(wěn)定性高的優(yōu)點[1]。在錨桿進行支護的過程中，由于各種不同的因素作用及地質(zhì)變化，存在著錨桿失效的問題，對煤礦的安全造成影響。在進行錨桿支護穩(wěn)定安全分析上[2]，采用仿真分析的形式可以快速地對錨桿支護的效果進行模擬，便于對支護的設(shè)計施工提供指導(dǎo)。在模擬分析過程中多采用錨結(jié)構(gòu)單元的形式進行分析，這種分析方式忽略了錨桿的破斷行為[3]，當(dāng)錨桿屈服后不能及時地改變其抗拉強度，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。本文采用樁結(jié)構(gòu)單元的形式對錨桿支護過程中不同因素的影響作用進行分析，以提高分析的準(zhǔn)確性[5]，為錨桿的支護設(shè)計使用提供參考。

1 錨桿支護分析模型的建立

對錨桿的支護效果進行模擬分析，采用FLAC 分析軟件建立錨桿的模型，在無圍壓的條件下錨桿周邊的巖體采用圓柱體的形式進行模擬[6]，建立圓柱體樣件的直徑為0.3 m、長度為1 m，錨桿安裝在圓柱體的中間位置，錨桿直徑為25 mm、總長度為1.2 m，其中固定在圓柱體內(nèi)的長度為1 m，建立錨桿的數(shù)值分析模型如圖1 所示。

圖1 錨桿計算分析模型

采用樁結(jié)構(gòu)單元的形式對錨桿的支護效果進行分析，可以融合梁結(jié)構(gòu)及錨結(jié)構(gòu)單元的特點，抵抗錨桿軸向的拉伸變形及側(cè)向上的剪切變形。同時樁結(jié)構(gòu)單元可以模擬錨桿加固特性的擴展[7]，可以通過命令值設(shè)置拉伸破壞的應(yīng)變，當(dāng)產(chǎn)生錨桿的破斷時，可以對錨桿的拉伸破壞進行模擬分析，更加符合實際的變化情況[8]，從而提高計算分析的準(zhǔn)確性。

在所建立的錨桿分析模型中，設(shè)定本構(gòu)模型為摩爾- 庫倫模型，設(shè)定模型的自由度為沿著錨桿的軸向方向，其余方向固定約束[9]。采用自由網(wǎng)格的形式進行網(wǎng)格劃分處理。在模型中設(shè)定錨桿的泊松比為0.3，楊氏模量為220 GPa，抗拉載荷為200 kN，拉伸破壞應(yīng)變?yōu)?0-4，錨固過程中采用的錨固劑的內(nèi)摩擦角為30°，剪切剛度為108 N/m2，錨固劑單位長度上的黏接力為200 kN/m，錨固劑的慣性矩為3.8×10-8m4，二次慣性矩為1.9×10-8m4。

在樁結(jié)構(gòu)單元的外側(cè)節(jié)點上對模型施加大小為10-7m/s、方向沿著錨桿軸向的變化速率，對錨桿的拉拔進行模擬驗證，對錨桿上的軸力及外側(cè)節(jié)點上的位移進行記錄分析。結(jié)果表明，在拉拔過程中初始加載階段[10]，位移與拉拔力呈近似線性的變化；隨著加載的增加，位移增加的速度減小；當(dāng)拉拔位移增加到極值后[11]，樁結(jié)構(gòu)單元發(fā)生破斷，拉拔力瞬間下降為0。這一變化過程與實際錨桿的變化規(guī)律一致，由此說明采用樁結(jié)構(gòu)單元進行錨桿破斷行為模擬的可行性[12]，可將其應(yīng)用于對錨桿的支護效果分析。

2 不同因素對錨桿支護效果的影響作用分析

2.1 錨固劑黏聚力影響作用分析

在錨桿支護過程中，當(dāng)沒有圍巖的圍壓作用時，錨桿的支護阻力主要受到黏聚力的影響作用。為研究不同錨固劑黏聚力對錨桿支護效果的影響作用，在不同的錨固劑黏聚力作用下對錨桿的拉拔力進行模擬分析，設(shè)定錨固劑的黏聚力在50～250 kN/m 范圍內(nèi)變動，經(jīng)過計算分析，得到錨桿的拉拔力變化如圖2所示。從圖2 中可以看出，在不同的錨固劑黏聚力變化時，對錨桿的承載性能具有較強的影響作用，隨著錨固劑黏聚力的增加，錨桿的承載性能隨之增加，且在黏聚力大于200 kN/m 時，錨桿受到的阻力作用大于自身的抗拉強度，產(chǎn)生了錨桿的破斷。

對圖2 中錨桿承載的拉拔力最大值進行分析，得到如圖3 所示的錨桿承載力最大值與錨固劑黏聚力的變化曲線。從圖3 中可以看出，在錨桿承載的抗拉強度范圍內(nèi)，隨著錨固劑黏聚力的增加，錨桿可承受的拉拔力隨之增加，此時可以提高錨桿的支護效果；但當(dāng)承載力大于錨桿的抗拉強度之后，繼續(xù)增加錨固劑的黏聚力，則錨桿的支護效果不再起作用。這說明，在進行錨桿支護的過程中，應(yīng)首先保證錨桿具有較高的強度時，通過提高錨固劑的黏聚力可以提高錨桿支護的效果。

圖3 錨桿最大承受載荷隨黏聚力的變化曲線

2.2 錨固劑內(nèi)摩擦角影響作用分析

在錨桿支護過程中，當(dāng)存在圍巖的圍壓作用時，錨桿的支護阻力受到錨固劑內(nèi)摩擦角的影響作用較大。為研究不同錨固劑內(nèi)摩擦角對錨桿支護效果的影響作用，在不同的錨固劑內(nèi)摩擦角作用下對錨桿的拉拔力進行模擬分析，設(shè)定錨固劑的內(nèi)摩擦角在20°～40°范圍內(nèi)變動，經(jīng)過計算分析，得到錨桿的拉拔力變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，隨著錨固劑內(nèi)摩擦角的變化，錨桿的承載性能具有一定的變化；隨著內(nèi)摩擦角的增加，錨桿的承載性能具有一定的增加，且當(dāng)內(nèi)摩擦角大于30°時，錨桿發(fā)生破斷。

圖4 錨桿支護性能隨不同錨固劑內(nèi)摩擦角的變化曲線

對圖4 中錨桿承載的拉拔力最大值進行分析，得到如圖5 所示的錨桿承載力最大值與錨固劑內(nèi)摩擦角的變化曲線。從圖5 中可以看出，在錨桿承載的抗拉強度范圍內(nèi)，隨著錨固劑內(nèi)摩擦角的增加，錨桿的最大承載能力隨之增加；當(dāng)內(nèi)摩擦角大于30°時，達到錨桿自身的強度極限，此時繼續(xù)增加錨固劑內(nèi)摩擦角對支護效果的改善作用有限，具體主要受到錨桿自身強度的影響作用。

圖5 錨桿最大承受載荷隨內(nèi)摩擦角的變化曲線

3 結(jié)論

1）錨桿支護對于煤礦的安全穩(wěn)定具有重要作用，采用基于樁單元的形式對錨桿的支護效果進行分析，可以模擬錨桿的破斷行為，提高分析的準(zhǔn)確性。建立了錨桿的分析模型，并驗證了錨桿拉拔力隨位移的變化仿真符合實際的變化狀態(tài)。

2）對錨桿支護過程中錨固劑的黏聚力影響作用進行分析，結(jié)果表明，黏聚力對錨桿的支護效果具有較強的影響作用。在初始階段，增加黏聚力可以提高錨桿的拉拔力，改善支護效果；當(dāng)超過一定范圍后，黏聚力對錨桿支護效果的改善作用有限，需提高錨桿自身的強度。

3）當(dāng)錨桿受到圍壓作用時，對錨固劑內(nèi)摩擦角的影響作用進行分析，結(jié)果表明，提高錨固劑內(nèi)摩擦角可以提高錨固的效果；但當(dāng)超過錨桿自身的強度作用后，繼續(xù)提高內(nèi)摩擦角的大小對錨桿支護的效果影響作用有限。